試論煤礦上部開采對(duì)下部巷道的安全影響分析

許林崗

摘 ?要：為了維護(hù)良好的礦產(chǎn)資源開發(fā)秩序，有效防范和堅(jiān)決遏制地方小煤礦開采造成的國(guó)有大型煤礦生產(chǎn)安全事故，嚴(yán)防地方小煤礦越界開采違法違規(guī)行為，原國(guó)土資源部、國(guó)家安全監(jiān)管總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局于2017年3月至8月在全國(guó)開展煤礦超層越界開采專項(xiàng)檢查整治行動(dòng)。本文以窯煤三礦與紅古區(qū)炭洞溝煤礦為例，針對(duì)采礦權(quán)范圍內(nèi)井巷工程重疊進(jìn)行安全論證分析。

關(guān)鍵詞：煤礦;礦權(quán)重疊;安全論證

1引言

根據(jù)《礦產(chǎn)資源開采登記管理辦法》（1998年）采礦權(quán)申請(qǐng)人在申請(qǐng)采礦許可證時(shí)，需向登記管理機(jī)關(guān)提交礦區(qū)范圍圖。礦區(qū)范圍，是指經(jīng)登記管理機(jī)關(guān)依法劃定的可供開采礦產(chǎn)資源的范圍、井巷工程設(shè)施分布范圍或者露天剝離范圍的立體空間區(qū)域，礦山企業(yè)的礦區(qū)范圍是一個(gè)立體范圍，由三維坐標(biāo)構(gòu)成。

2概況

由于歷史原因，窯街煤電集團(tuán)三礦1650車場(chǎng)、1650回風(fēng)大巷、改造回風(fēng)、1650北大巷、1610車場(chǎng)、二號(hào)軌下、二號(hào)行人下山等井巷工程與蘭州炭洞溝礦業(yè)有限公司二采區(qū)重疊（屬上下關(guān)系）。在1995年前這些井巷工程均在三礦皮帶斜井采礦許可證范圍之內(nèi)，為了支援地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，解決蘭州炭洞溝煤礦職工生活出路及社會(huì)穩(wěn)定問題，將三礦巷道重疊部分以上資源劃歸炭洞溝煤礦開采。

3地質(zhì)概況、開采技術(shù)條件

3.1地層、構(gòu)造及煤層

窯煤三礦與炭洞溝煤礦同屬一個(gè)地層有：元古界（Pt）、侏羅系下統(tǒng)炭洞溝組（J1t）、中統(tǒng)窯街組（J2y）、上統(tǒng)享堂組（J3x）、白堊系下統(tǒng)河口群（k1hk）及第四系（Q）。

圖1 炭洞溝煤礦二采區(qū)下三礦巷道布置圖

地質(zhì)構(gòu)造：炭洞溝煤礦總的構(gòu)造形態(tài)為向西北傾斜不規(guī)則的單斜層，F(xiàn)6斷層從中間切斷，形成了一采區(qū)、二采區(qū)兩個(gè)煤層不相連接的采區(qū)，內(nèi)部展布8條斷層，斷層延伸方向基本一致，多數(shù)為北西—南東向（正斷層3條，逆斷層5條）;

炭洞溝煤礦區(qū)內(nèi)含七層煤，分別為煤一層至煤七層，煤層西部煤層厚度大，平均厚度35.33m;東部煤層厚度薄，平均厚度18.77m。三礦與炭洞溝煤礦煤層主要為井巷保護(hù)煤柱，產(chǎn)狀與炭洞溝煤礦煤層一致。

3.2煤層底板巖性

炭洞溝煤礦煤夾有薄層炭質(zhì)泥巖及煤線，厚度0～6.8m，平均厚度4.0m，抗壓強(qiáng)度24.5～78.4MPa，內(nèi)摩擦角為39～50°。該層底板下以石英為主，分選性差，礫巖呈半棱角狀，含炭屑和變質(zhì)巖屑，泥質(zhì)膠結(jié)，較為致密堅(jiān)硬，裂隙間有方解石脈充填具有斜層里，與下伏巖層呈假整合接觸。

4.開采影響分析

4.1 開采安全性影響分析

4.1.1 工作面底板巖體最大破壞深度

工作面底板巖體最大破壞深度計(jì)算方法有統(tǒng)計(jì)公式法和理論計(jì)算法，下面分別用兩種方法計(jì)算，取最大值。

1、統(tǒng)計(jì)公式法

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》，工作面底板最大破壞深度有以下幾種：

（1）僅考慮工作面斜長(zhǎng)時(shí)，h可按下式計(jì)算

工作面長(zhǎng)度為L(zhǎng)=44m，則h為5.45m。

（2）考慮采深、傾角、和工作面斜長(zhǎng)時(shí)，h可按下式計(jì)算

式中：H—開采深度，352m;α—煤層傾角，取最大傾角57°;

則h=12.87m。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)公式法計(jì)算底板最大破壞深度為12.87m。

2、理論計(jì)算法

（1）根據(jù)斷裂力學(xué)公式，h可按下式計(jì)算

式中： 一采場(chǎng)上覆巖層的平均容重，20kN/m3;

R—巖體抗壓強(qiáng)度，取巖石單軸抗壓強(qiáng)度的0.15倍，70×0.15=10.5MPa;

則h=7.76m。

（2）根據(jù)塑性力學(xué)公式，h可按下式計(jì)算

式中：φ—底板巖體內(nèi)摩擦角，45°;

則h=15.83m。

工作面回采后，在工作面前方的底板巖體上作用著工作面的超前支承壓力，當(dāng)作用區(qū)域內(nèi)底板巖體（主動(dòng)區(qū)）所承受的應(yīng)力超過其極限強(qiáng)度載荷時(shí)，底板巖體將產(chǎn)生塑性變形，由于這部分巖體在垂直方向上受壓縮，則在水平方向上巖體必然會(huì)膨脹，膨脹的巖體擠壓過渡區(qū)內(nèi)（過渡區(qū)）的巖體，并將應(yīng)力傳遞到過渡區(qū)內(nèi)。而過渡區(qū)內(nèi)的巖體繼續(xù)擠壓被動(dòng)區(qū)（被動(dòng)區(qū)）內(nèi)的巖體，由于該區(qū)為采空區(qū)臨空面，使得過渡區(qū)及被動(dòng)區(qū)的巖體在主動(dòng)區(qū)傳遞的力的作用下向采空區(qū)內(nèi)膨脹，形成底板采動(dòng)裂隙帶。

最大破壞深度

底板巖層最大屈服破壞深度 即采場(chǎng)底板損傷深度 為

式中： ?M一煤層開采厚度; —煤體的內(nèi)摩擦角;

K一應(yīng)力集中系數(shù); 一采場(chǎng)上覆巖層的平均容重;

H—煤層埋藏深度;C 一煤體的內(nèi)聚力;

Px—支架對(duì)煤幫的阻力; 一煤層與頂?shù)装褰佑|面積的摩擦系數(shù);

L一煤壁塑性區(qū)寬度; 一三軸應(yīng)力系數(shù);

結(jié)合炭洞溝煤礦煤7層開采工作面的具體地質(zhì)條件，開采厚度M=4.5m，7層煤較軟，煤體內(nèi)摩擦角取15°，底板巖體內(nèi)摩擦角為45°， =20kN/m3，K=2，C=0.8MPa， =0.1MPa， =tan15°，采深H取352m，按照上式計(jì)算得到工作面底板最大破壞深度 為17.52m。

根據(jù)理論計(jì)算得到工作面底板最大破壞深度為17.52m，作為煤7層開采后工作面底板最大破壞深度。

4.1.2 工作面兩側(cè)底板破壞深度

傾斜煤層工作面開采后，在工作面兩側(cè)產(chǎn)生側(cè)向支承壓力（方向豎直向下），利用彈性力學(xué)中空間半無限理論可求得沿煤層傾斜方向工作面?zhèn)认蛎褐路降装鍘r體最大破壞深度表達(dá)式為：

式中：

H為傾斜煤層工作面上順槽處煤層的埋深，m;

α為煤層傾角，°;M 為采出煤層厚度，m;

λ為冒落帶碎脹系數(shù); 為巖層容重，kN/m3;

C及φ0分別為底板巖體內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角;

根據(jù)上述公式，傾斜煤層工作面?zhèn)认虻装鍘r體最大破壞深度隨著工作面?zhèn)认蛑С袎毫ο禂?shù)k的增大而增大，隨著煤層埋深的增加而增大，結(jié)合炭洞溝煤礦煤7層開采工作面的具體地質(zhì)條件，開采厚度M=4.5m，底板巖體內(nèi)摩擦角為45°， =20kN/m3，底板巖體內(nèi)聚力C=7.7MPa，冒落帶碎脹系數(shù)λ取1.2，煤層傾角取57°，采深H取352m，工作面下側(cè)側(cè)向支承壓力集中系數(shù)k1取2.22，上側(cè)側(cè)向支承壓力集中系數(shù)k2取2.18，按照上式計(jì)算得到工作面工作面下側(cè)、上側(cè)底板最大破壞深度h1為21.08m，h2為17.16m。

4.2 煤層底板巖體破壞分析

工作面底板破壞區(qū)，該區(qū)域底板巖體的破壞主要是由于工作面前方動(dòng)態(tài)的超前支承壓力在采前對(duì)其進(jìn)行壓破壞，在采后卸壓導(dǎo)致底板巖體膨脹，形成底板采動(dòng)破壞裂隙帶;

工作面兩側(cè)煤體下方底板破壞區(qū)，該區(qū)域底板巖體的破壞主要是由于受到工作面兩側(cè)的靜態(tài)的側(cè)向支承壓力的作用而導(dǎo)致其下方底板巖體產(chǎn)生破壞，由于工作面上下順槽埋深的不同，使得工作面下側(cè)煤體下方的底板比工作面上側(cè)煤體下方的底板破壞深度更深、破壞范圍更大。為此，分析出煤7層開采后工作面底板巖體的最大破壞深度為h為17.52m， 工作面下側(cè)煤體下方底板巖體的最大破壞深度h1為21.08m，工作面上側(cè)煤體下方底板巖體的最大破壞深度h2為17.16m。

5.安全可行性論證結(jié)論

本次論證通過對(duì)三礦、炭洞溝煤礦的采掘工程布置分析，根據(jù)統(tǒng)計(jì)公式法和理論計(jì)算法得出炭洞溝煤礦二采區(qū)開采后煤層工作面底板巖體的破壞深度及工作面兩側(cè)底板巖體的破壞深度，并根據(jù)三個(gè)破壞深度大致確定開采后底板的破壞范圍，在此基礎(chǔ)上對(duì)炭洞溝煤礦二采區(qū)下方井巷的安全性進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

經(jīng)安全性分析和計(jì)算，炭洞溝煤礦二采區(qū)開采后煤7層底板破壞最大深度為21.08m，開采下限標(biāo)高為1700m，最大破壞深度在工作面煤柱下側(cè)，其破壞范圍距三礦巷道1800邊下的最近距離為9.55m時(shí)對(duì)下方三礦井巷工程沒有影響，能夠保證三礦井巷工程的安全。

圖2 ?炭洞溝煤礦煤7層底板破壞范圍與三礦巷道關(guān)系圖

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