平朔公司井工二礦地表沉陷與控制研究

文/孟璋 何興華

平朔公司井工二礦地表沉陷與控制研究

文/孟璋 何興華

中煤平朔公司井工二礦在傾向長壁式開采遇到煤柱開采穩定性等技術問題，通過應用數值模擬和理論分析等研究方法，對煤柱應力分布規律及煤柱穩定性等問題進行探索和研究。通過數值計算，得到合理的地表沉陷控制理論，既提高了資源回收率，又取得了顯著的經濟效益和社會效益。

一、井工二礦地質概況

1. 地質賦存條件、儲量及開采層數

井工二礦井田位于寧武煤田北端，由6個拐點圈定，原井田面積4.26km2，可采儲量9491萬噸。井田主要可采煤層為4#、9#、11#，賦存穩定，構造簡單，傾角為0°～5°，局部地段大于12°。

2. 開采深度、煤層頂底板條件

4#煤老頂以粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖為主，部分為中粗砂巖與含礫石粗砂巖，厚度為2.30～26.96m，一般為4～16m。偽頂零星分布于井田內，巖性主要為泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖，其次為細砂巖、高嶺質泥巖，厚度為0.03～0.75m。底板主要為砂質泥巖、炭質泥巖、高嶺質泥巖、粉砂巖、細砂巖，厚度為0.15～4.71m，一般為0.50～3.00m。

9#煤煤層埋藏深度約170m；煤層結構復雜，含夾矸2～5層，夾矸厚度0.03～2.8m，一般厚0.4m；煤層硬度系數f=2.7；煤層頂、底板巖性：直接頂厚0.6～8.4m，巖性為泥巖或砂泥巖，老頂厚4～10m，巖性為中粗砂巖，直接底厚0.7～6.54m，巖性為砂質泥巖和炭質泥巖；煤層傾角2°～5°。

二、傾向長壁式采煤法開采圍巖變形特性及礦壓規律

1.巖石在三向壓縮應力作用下的變形特性和機理

多數情況下，巖石的三向壓縮應力是通過σ2＝σ3的圍壓加載來實施的，通常被稱為“假三軸”實驗。在這一加載條件下，巖石的變形特性將受到圍壓的影響。具有以下基本特性：

（1）隨著圍壓的增加，巖石的強度隨之提高；

（2）總體來說，巖石的彈性模量有隨圍壓增大而增大的趨勢，但增幅不大；

（3）隨著圍壓的增加，峰值應力所對應的應變值有所增大。其變形特性表現出低圍壓下的脆性向高圍壓的塑性轉換的規律。

當作用的外荷載較小時，體積應變主要表現為線性特征，且巖石的體積隨荷載的增大而減小。然而，當外荷載達到一定的值之后，體積應變經過了保持不變的階段，開始發生膨脹現象。

2. 壁式開采礦山壓力規律

（1）巖梁承受的載荷

根據平朔井工二礦頂板特點，頂板在多層巖梁復合作用下，載荷q的確定應該考慮頂板各層之間的互相影響。頂板由一層以上的巖層所組成，因此在計算第一層巖層的極限強度跨距時所應考慮的載荷大小，應根據頂板各層之間的互相影響來確定。第n層對第一層綜合影響形成的載荷：

當計算到時，即以作為施加于第一層巖層上的載荷，而第n+1層以上巖層的重量將不對第一層施加影響。此時即可利用上式的結果作為巖梁所受載荷來計算煤房的極限跨度。

根據平朔二號井工礦巖層的厚度、容重及彈性模量等指標參數，從第一個頂板分層開始計算頂板巖層載荷值。

計算結果可得：(q3)1< (q2)1，所以下部的頂板將與其第三層頂板發生分離，只有下部兩個分層的重量加于第一分層上，成為第一分層的載荷。

（2）煤柱尺寸的確定

根據巖梁承受的載荷，按極限強度理論，煤柱上方支撐的總載荷為：

令煤柱允許的抗壓強度為，則煤柱能支撐的最大載荷P為：

故理論計算所得的合理的煤柱寬度為10～15m。

三、傾向長壁式采煤法對地表沉陷的影響

通過對不同寬度煤柱尺寸模型的計算，12m、13m、14m、15m、16m寬度煤柱及不同推進距條件下深度為119m、159m、173m等關鍵巖層下沉規律分析得出以下規律：

1．159m巖層的下沉與地表下沉同步；下沉量連續，即沒有出現斷裂和冒落現象；當達到充分采動時，采空區中央兩邊的巖體下沉量基本相同。

2．173m關鍵層的破裂將導致上覆巖層的同步斷裂和地表的快速下沉；當煤柱寬度為12m、13m時，巖層在重力作用下發生分離、彎曲。當煤柱寬度為14m時，同樣巖層在重力作用下發生分離、彎曲。當煤柱寬度為15m、16m時，煤柱的支撐能力較大，關鍵層彎曲程度較小，控制了采場的冒落和地表沉陷。

3．留設煤柱越寬，關鍵巖層下沉量越小。

四、地表沉陷的控制理論

1.在采動過程中首先引起其周圍巖層中的原始應力的重新分布——附加應力。當附加應力大于原始應力時，形成高應力區或集中應力區，該區域是井巷煤層開采的最不利位置；當附加應力小于原始應力時，形成低應力區或卸壓區，該區域有利于井巷煤層開采。

2.煤柱寬度為12m或13m時，煤柱承載能力較低或基本不承載，在支承壓力作用下，煤柱整體進入破碎狀態，造成關鍵層的破斷和老頂大面積的冒落，從而引起地表的快速沉陷；底板巖層在煤幫高應力的作用下也向巷道和采空區方向移動，引起底板底鼓，造成工作面的大面積損壞。

3.煤柱寬度為14m或15m時，煤柱承載能力較強，在支承壓力作用下，煤柱基本處于彈塑性應力狀態，只有小面積的直接頂垮落和微小的底板底鼓，確保了關鍵層的托板作用，得以控制地表沉陷，保證了工作面的安全生產。

4.煤柱寬度為16m時，煤柱承載能力明顯增大，隨工作面的推進，煤柱幾乎完好無損，且均勻地承擔上覆巖體的壓力，完全可以有效控制地表沉陷，減少底板的底鼓量，保證工作面的安全生產。

中國礦業大學安全工程學院）

李元）