某礦保護煤柱開采對井筒的影響分析研究

任自銳

(山西汾西礦業集團公司安監局，山西 介休 032000)

井筒煤柱開采和工業廣場壓煤問題是“三下”開采亟待研究和解決的問題，同時也是綜合體系開采研究內容。礦井生產的中樞系統受此類煤柱開采影響較大，包括礦井地面的主要建筑物、井筒結構與其內部設施及井底車場內的工程結構與設備三大系統。隨著開采煤層數的增多和采深的不斷增加，井筒與工業廣場煤柱的壓煤量也越來越大。對井筒與工業廣場煤柱開采技術問題的研究勢在必行，而且必須在生產問題大量出現之前解決，開拓“三下”采煤技術的新領域，為煤炭工業的協調可持續發展服務。

1 煤層地質概況

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，本區發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粒砂巖、淺灰色砂質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，硅質膠結，具小型交錯、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：主要由細砂巖、砂質泥巖、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生物灰巖，深灰至灰黑色泥巖、砂質泥巖及深灰色粉砂巖、中至細粒砂巖及煤層組成，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 煤巖層構造

該礦主要受到區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°左右的單斜構造。褶皺構造欠發育，以高角度正斷層為主。依據勘探與生產揭露，井田區內落差大于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，以北東向為主。

區域內由于受太行山斷隆、湯陰斷陷及開封拗陷的共同影響和區域構造的控制，礦井構造具有以下規律：

1) 斷裂構造，不管是小斷層或大斷層均表現為高角度正斷層，其走向以北東向為主，少許近東西向。

2) 按其發育特征，分為4個斷裂構造帶，即：沙墻斷層(F4)及其分支F4-1斷層構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斷層構成的斷層帶；以F3和F3-1斷層構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斷層構成2個斷塊。

圖1 斷裂構造剖面圖

3) 分支斷層嚴格受主干斷層的控制，在分支斷層深部與主干斷層構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，在其旁側相對密集，隨著距離的增大而逐漸減少。

井田區內褶皺構造欠發育，對礦井生產存在影響的主要是斷裂構造，依據規模的大小及分布特征，主要表現在以下幾方面：

1) 由于井田被區內斷層分割為幾個斷塊，不僅限制了正常的采區劃分和采面布置，也相應增加了掘進及回采的難度，導致生產成本提高。

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

3) 斷裂構造發育地段，煤層頂底板的抗壓和抗張強度減弱導致頂底板的穩定性大幅降低，增加了采掘過程中的工作面和巷道支護難度。

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

2 井筒變形破壞的預計

2.1 礦技改井井筒概況

該礦的技改井為豎立井，其井筒的各項參數如下：井口標高為+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，井筒內裝備有提升設備，主要負責礦井生產的提升任務。

2.2 井筒煤柱的開采方案分析

在選擇井筒煤柱開采設計方案時，在盡量多地開采地下煤炭資源的同時，主要考慮地面建筑物、構筑物和井筒的保護[1-2]。

保護井筒的技術措施，從根本上講有兩個方面，首要是選擇合理的井下開采技術措施，其次是根據所選擇的開采方法，井壁周圍的巖層特性和地質構造等主要影響因素，制定有效的應對井筒移動變形的維修加固措施。

技改井井筒保護煤柱東西長約380 m，南北長約300 m，井筒基本上處于保護煤柱的中間位置。根據對井筒保護煤柱的基本情況，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行比較研究。

方案一：在技改井井筒北布置一個41051工作面，這個工作面開采寬度為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、北兩側各布置一個工作面，41051工作面和41053工作面，這兩個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 開采方案對井筒產生變形破壞的預計參數

巖層與地表移動及變形的預計結果準確與否，一是看選用的方法和預計公式是否恰當；二是看選用的巖層與地表移動參數是否準確[3-4]。為了盡量使參數選取符合實際巖層地質情況，在對有關預計參數定值時參考了“三下”規程關于礦區巖層移動觀測資料。

針對該礦技改井煤柱開采引起的地表移動預計的參數為：

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

根據礦區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 井筒變形破壞的預計結果

對井筒變形破壞進行預計主要考慮井筒的位移及其變形，因此，根據確定的預計參數及該礦的具體地質情況，采用概率積分法對開采方案進行預計[5]。

1) 方案一

由于方案一是在井筒一側設置工作面進行煤柱開采，因此井筒下沉值不大，但是開采造成水平移動相對明顯，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。

根據概率積分法得出該方案的井筒最大移動變形值見表1。

表1 井筒的最大移動變形值

2) 方案二

根據礦井井筒位移預計曲線圖可知，該開采方案對井筒產生的豎向下沉比方案一要大，但是因為方案二是在井筒兩側布置工作面進行開采，所以對井筒在水平方向的移動影響很小，可以忽略，但是,井筒在水平方向的變形偏大，應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。

根據概率積分法得出該方案的井筒最大移動變形值見表2。

表2 井筒的最大移動變形值

對比分析，方案一由于是在井筒一側布置工作面進行開采，因此對井筒在水平方向的拉應力較大，產生的變形也較大；由于方案二是兩個工作面對稱開采且距離井筒較遠，對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方面考慮，方案二要優于方案一。

3 立井保護煤柱留設

立井防滑煤柱[5](如圖3所示)的下邊界應根據埋藏條件按式(1)計算確定。

(1)

當立井穿過煤層群時，第一煤層防滑煤柱按上述原則確定留設深度。其余各煤層的防滑煤柱下邊界設計方法是：過上層煤防滑煤柱下邊界點(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。

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

技改井煤柱留設參數如表3所示。

圖3 立井防滑煤柱設計方法

圖4 受斷層影響時立井井筒煤柱設計方法

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

井筒煤柱設計方法如第155頁圖5所示。

4 結論

本文介紹了技改井井筒保護煤柱的具體情況，為理論預計提供了現場資料和數據。確定了技改井井筒移動變形預計參數：地表下沉系數q=0.92；地表水平移動系數b=0.34；主要影響角正切tanβ=1.45；拐點偏移距s=0.02H；開采影響傳播角θ=88°。

本文根據礦井的具體情況，結合工作面與技改井位置以及井筒保護煤柱的具體情況，采用較為準確的預計方法——概率積分法對所開采的工作面進行采后移動變形預計，得出移動變形的預計結果，為

圖5 立井保護煤柱留設示意圖

確定立井保護煤柱留設提供依據。