某礦保護(hù)煤柱開采對(duì)井筒的影響分析研究

任自銳

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)公司安監(jiān)局，山西 介休 032000)

井筒煤柱開采和工業(yè)廣場壓煤問題是“三下”開采亟待研究和解決的問題，同時(shí)也是綜合體系開采研究內(nèi)容。礦井生產(chǎn)的中樞系統(tǒng)受此類煤柱開采影響較大，包括礦井地面的主要建筑物、井筒結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部設(shè)施及井底車場內(nèi)的工程結(jié)構(gòu)與設(shè)備三大系統(tǒng)。隨著開采煤層數(shù)的增多和采深的不斷增加，井筒與工業(yè)廣場煤柱的壓煤量也越來越大。對(duì)井筒與工業(yè)廣場煤柱開采技術(shù)問題的研究勢在必行，而且必須在生產(chǎn)問題大量出現(xiàn)之前解決，開拓“三下”采煤技術(shù)的新領(lǐng)域，為煤炭工業(yè)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

1 煤層地質(zhì)概況

1.1 煤巖層概況

井田為山前沖洪積平原地貌，基巖被新近系和第四系地層全覆蓋。從鉆孔揭露的情況看，本區(qū)發(fā)育地層從上到下分別是二疊系下石盒子組Px、山西組Pish；石炭系太原組C3t；本溪組C2b。

二疊系下石盒子組Px：自砂鍋窯砂巖底至田家溝砂巖底，厚255.24 m～271.05 m，平均265.57 m，下石盒子組與下伏山西組呈整合接觸。主要由淺灰至灰色中細(xì)粒砂巖、淺灰色砂質(zhì)泥巖及灰色至深灰色泥巖組成。底部砂鍋窯砂巖厚1.10 m～14.50 m，一般5.31 m，成分以石英為主，次之為長石及巖屑，硅質(zhì)膠結(jié)，具小型交錯(cuò)、波狀層理。A層鋁土層厚1.46 m～11.02 m，平均5.78 m。

二疊系山西組Pish：主要由細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層組成，厚72.00 m～120.00 m，平均100.59 m。其中,二1煤層厚1.50 m～7.12 m，平均4.96 m，全區(qū)可采，為礦井主要可采煤層。

石炭系太原組C3t：主要由深灰色厚至中厚層狀隱晶質(zhì)生物灰?guī)r，深灰至灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖及深灰色粉砂巖、中至細(xì)粒砂巖及煤層組成，厚60.70 m～104.68 m，平均82.00 m，與下伏本溪組地層呈整合接觸。

本溪組C2b：由泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、鋁土巖、粉砂巖組成，中下部多夾鐵礦層。厚度1.80 m～24.45 m，平均9.28 m。

1.2 煤巖層構(gòu)造

該礦主要受到區(qū)域北東走向薄壁斷層(F41)、九里山斷層(F14)大斷層及北西走向的赤莊斷層(F68)和方莊斷層(F1)控制?？傮w為走向175°～195°，傾向85°～105°，傾角17°左右的單斜構(gòu)造。褶皺構(gòu)造欠發(fā)育，以高角度正斷層為主。依據(jù)勘探與生產(chǎn)揭露，井田區(qū)內(nèi)落差大于20 m的斷層10條，按其展布方向，分為北東和近南北向兩組，其中，以北東向?yàn)橹鳌?/p>

區(qū)域內(nèi)由于受太行山斷隆、湯陰斷陷及開封拗陷的共同影響和區(qū)域構(gòu)造的控制，礦井構(gòu)造具有以下規(guī)律：

1) 斷裂構(gòu)造，不管是小斷層或大斷層均表現(xiàn)為高角度正斷層，其走向以北東向?yàn)橹?，少許近東西向。

2) 按其發(fā)育特征，分為4個(gè)斷裂構(gòu)造帶，即：沙墻斷層(F4)及其分支F4-1斷層構(gòu)成的北部邊界斷層帶，以小莊斷層(F2)及其分支F2-1、F2-2斷層組成的斷層帶；以石河斷層F5、F5-1和F8-1斷層構(gòu)成的斷層帶；以F3和F3-1斷層構(gòu)成的南部邊界斷層帶，見圖1。上述斷裂帶走向基本一致，其中，以沙墻斷層(F4)、小莊斷層F2及F3斷層構(gòu)成2個(gè)斷塊。

圖1 斷裂構(gòu)造剖面圖

3) 分支斷層嚴(yán)格受主干斷層的控制，在分支斷層深部與主干斷層構(gòu)成三角形地塹或階梯狀斷塊。

4) 上述斷層帶盡管存在較大規(guī)模差異，但是有一定的等間距性分布。

5) 小斷層的分布主要受大中型斷層的制約影響，在其旁側(cè)相對(duì)密集，隨著距離的增大而逐漸減少。

井田區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造欠發(fā)育，對(duì)礦井生產(chǎn)存在影響的主要是斷裂構(gòu)造，依據(jù)規(guī)模的大小及分布特征，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1) 由于井田被區(qū)內(nèi)斷層分割為幾個(gè)斷塊，不僅限制了正常的采區(qū)劃分和采面布置，也相應(yīng)增加了掘進(jìn)及回采的難度，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高。

2) 由于斷裂構(gòu)造具有導(dǎo)水性，需要在斷層帶留設(shè)較寬的煤柱防水，主干斷層與其派生的分支所構(gòu)成的地塹、地壘或階梯狀斷塊難以回采，降低了資源回收率。

3) 斷裂構(gòu)造發(fā)育地段，煤層頂?shù)装宓目箟汉涂箯垙?qiáng)度減弱導(dǎo)致頂?shù)装宓姆€(wěn)定性大幅降低，增加了采掘過程中的工作面和巷道支護(hù)難度。

4) 在井田區(qū)域內(nèi)，煤層底板導(dǎo)水裂隙帶的地下水資源豐富，在該區(qū)域帶壓采掘過程中，斷裂構(gòu)造容易誘發(fā)底板突水與涌水。

2 井筒變形破壞的預(yù)計(jì)

2.1 礦技改井井筒概況

該礦的技改井為豎立井，其井筒的各項(xiàng)參數(shù)如下：井口標(biāo)高為+149.44 m，井筒深度為570 m，井筒凈直徑為4 m，井筒主要采用鋼筋混凝土復(fù)合井壁砌筑，基巖段采用混凝土砌碹加固，壁厚為400 mm，井筒內(nèi)裝備有提升設(shè)備，主要負(fù)責(zé)礦井生產(chǎn)的提升任務(wù)。

2.2 井筒煤柱的開采方案分析

在選擇井筒煤柱開采設(shè)計(jì)方案時(shí)，在盡量多地開采地下煤炭資源的同時(shí)，主要考慮地面建筑物、構(gòu)筑物和井筒的保護(hù)[1-2]。

保護(hù)井筒的技術(shù)措施，從根本上講有兩個(gè)方面，首要是選擇合理的井下開采技術(shù)措施，其次是根據(jù)所選擇的開采方法，井壁周圍的巖層特性和地質(zhì)構(gòu)造等主要影響因素，制定有效的應(yīng)對(duì)井筒移動(dòng)變形的維修加固措施。

技改井井筒保護(hù)煤柱東西長約380 m，南北長約300 m，井筒基本上處于保護(hù)煤柱的中間位置。根據(jù)對(duì)井筒保護(hù)煤柱的基本情況，由于煤柱與井筒的距離比較近，又要考慮煤柱采出量，在此給出兩種可行開采方案來進(jìn)行比較研究。

方案一：在技改井井筒北布置一個(gè)41051工作面，這個(gè)工作面開采寬度為100 m，長度為330 m，所留煤柱距井筒100 m。如圖2a)所示。

方案二：在技改井井筒南、北兩側(cè)各布置一個(gè)工作面，41051工作面和41053工作面，這兩個(gè)工作面開采寬度均為100 m，長度為330 m，所留煤柱距井筒均為100 m。如圖2b)所示。

圖2 開采方案示意圖

2.3 開采方案對(duì)井筒產(chǎn)生變形破壞的預(yù)計(jì)參數(shù)

巖層與地表移動(dòng)及變形的預(yù)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確與否，一是看選用的方法和預(yù)計(jì)公式是否恰當(dāng)；二是看選用的巖層與地表移動(dòng)參數(shù)是否準(zhǔn)確[3-4]。為了盡量使參數(shù)選取符合實(shí)際巖層地質(zhì)情況，在對(duì)有關(guān)預(yù)計(jì)參數(shù)定值時(shí)參考了“三下”規(guī)程關(guān)于礦區(qū)巖層移動(dòng)觀測資料。

針對(duì)該礦技改井煤柱開采引起的地表移動(dòng)預(yù)計(jì)的參數(shù)為：

地表下沉系數(shù)：q=0.92；地表水平移動(dòng)系數(shù)：b=0.34；主要影響角正切：tgβ=1.45；拐點(diǎn)偏移距：S=0.02H；開采影響傳播角：θ=88°。

根據(jù)礦區(qū)的煤層條件和綜合柱狀圖的基本情況平均采深H=483 m，平均采厚h=3.5 m。

2.4 井筒變形破壞的預(yù)計(jì)結(jié)果

對(duì)井筒變形破壞進(jìn)行預(yù)計(jì)主要考慮井筒的位移及其變形，因此，根據(jù)確定的預(yù)計(jì)參數(shù)及該礦的具體地質(zhì)情況，采用概率積分法對(duì)開采方案進(jìn)行預(yù)計(jì)[5]。

1) 方案一

由于方案一是在井筒一側(cè)設(shè)置工作面進(jìn)行煤柱開采，因此井筒下沉值不大，但是開采造成水平移動(dòng)相對(duì)明顯，不過井筒的水平變形不大，井筒的傾斜和曲率均在允許變形值范圍內(nèi)。

根據(jù)概率積分法得出該方案的井筒最大移動(dòng)變形值見表1。

表1 井筒的最大移動(dòng)變形值

2) 方案二

根據(jù)礦井井筒位移預(yù)計(jì)曲線圖可知，該開采方案對(duì)井筒產(chǎn)生的豎向下沉比方案一要大，但是因?yàn)榉桨付窃诰矁蓚?cè)布置工作面進(jìn)行開采，所以對(duì)井筒在水平方向的移動(dòng)影響很小，可以忽略，但是,井筒在水平方向的變形偏大，應(yīng)防止其水平方向的拉伸破壞；井筒的傾斜和曲率均在允許變形值范圍內(nèi)。

根據(jù)概率積分法得出該方案的井筒最大移動(dòng)變形值見表2。

表2 井筒的最大移動(dòng)變形值

對(duì)比分析，方案一由于是在井筒一側(cè)布置工作面進(jìn)行開采，因此對(duì)井筒在水平方向的拉應(yīng)力較大，產(chǎn)生的變形也較大；由于方案二是兩個(gè)工作面對(duì)稱開采且距離井筒較遠(yuǎn)，對(duì)井筒的水平變形影響比較小。因此,僅從井筒和覆巖的水平移動(dòng)方面考慮，方案二要優(yōu)于方案一。

3 立井保護(hù)煤柱留設(shè)

立井防滑煤柱[5](如圖3所示)的下邊界應(yīng)根據(jù)埋藏條件按式(1)計(jì)算確定。

(1)

當(dāng)立井穿過煤層群時(shí)，第一煤層防滑煤柱按上述原則確定留設(shè)深度。其余各煤層的防滑煤柱下邊界設(shè)計(jì)方法是：過上層煤防滑煤柱下邊界點(diǎn)(在煤層傾斜剖面上)，以角作直線，該直線與各煤層底板的交線即為防滑煤柱的下邊界。

立井保護(hù)煤柱附近有落差大于20 m～30 m斷層穿過時(shí)，或立井井筒受斷層切割時(shí)，應(yīng)考慮采煤引起斷層滑移的可能性。此時(shí)，應(yīng)根據(jù)斷層的具體情況考慮適當(dāng)加大煤柱的留設(shè)尺寸，使斷層兩翼均包括在保護(hù)煤柱范圍內(nèi)，如圖4所示。

技改井煤柱留設(shè)參數(shù)如表3所示。

圖3 立井防滑煤柱設(shè)計(jì)方法

圖4 受斷層影響時(shí)立井井筒煤柱設(shè)計(jì)方法

井筒深度/m煤層厚度/m煤層傾角/(°)沖積層移動(dòng)角/(°)上山移動(dòng)角/(°)下山移動(dòng)角/(°)走向移動(dòng)角/(°)表土層厚度/m5703.8645705764360

井筒煤柱設(shè)計(jì)方法如第155頁圖5所示。

4 結(jié)論

本文介紹了技改井井筒保護(hù)煤柱的具體情況，為理論預(yù)計(jì)提供了現(xiàn)場資料和數(shù)據(jù)。確定了技改井井筒移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)：地表下沉系數(shù)q=0.92；地表水平移動(dòng)系數(shù)b=0.34；主要影響角正切tanβ=1.45；拐點(diǎn)偏移距s=0.02H；開采影響傳播角θ=88°。

本文根據(jù)礦井的具體情況，結(jié)合工作面與技改井位置以及井筒保護(hù)煤柱的具體情況，采用較為準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)方法——概率積分法對(duì)所開采的工作面進(jìn)行采后移動(dòng)變形預(yù)計(jì)，得出移動(dòng)變形的預(yù)計(jì)結(jié)果，為

圖5 立井保護(hù)煤柱留設(shè)示意圖

確定立井保護(hù)煤柱留設(shè)提供依據(jù)。