某矿保护煤柱开采对井筒的影响分析研究

任自锐

(山西汾西矿业集团公司安监局，山西 介休 032000)

井筒煤柱开采和工业广场压煤问题是“三下”开采亟待研究和解决的问题，同时也是综合体系开采研究内容。矿井生产的中枢系统受此类煤柱开采影响较大，包括矿井地面的主要建筑物、井筒结构与其内部设施及井底车场内的工程结构与设备三大系统。随着开采煤层数的增多和采深的不断增加，井筒与工业广场煤柱的压煤量也越来越大。对井筒与工业广场煤柱开采技术问题的研究势在必行，而且必须在生产问题大量出现之前解决，开拓“三下”采煤技术的新领域，为煤炭工业的协调可持续发展服务。

1 煤层地质概况

1.1 煤岩层概况

井田为山前冲洪积平原地貌，基岩被新近系和第四系地层全覆盖。从钻孔揭露的情况看，本区发育地层从上到下分别是二叠系下石盒子组Px、山西组Pish；石炭系太原组C3t；本溪组C2b。

二叠系下石盒子组Px：自砂锅窑砂岩底至田家沟砂岩底，厚255.24 m～271.05 m，平均265.57 m，下石盒子组与下伏山西组呈整合接触。主要由浅灰至灰色中细粒砂岩、浅灰色砂质泥岩及灰色至深灰色泥岩组成。底部砂锅窑砂岩厚1.10 m～14.50 m，一般5.31 m，成分以石英为主，次之为长石及岩屑，硅质胶结，具小型交错、波状层理。A层铝土层厚1.46 m～11.02 m，平均5.78 m。

二叠系山西组Pish：主要由细砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层组成，厚72.00 m～120.00 m，平均100.59 m。其中,二1煤层厚1.50 m～7.12 m，平均4.96 m，全区可采，为矿井主要可采煤层。

石炭系太原组C3t：主要由深灰色厚至中厚层状隐晶质生物灰岩，深灰至灰黑色泥岩、砂质泥岩及深灰色粉砂岩、中至细粒砂岩及煤层组成，厚60.70 m～104.68 m，平均82.00 m，与下伏本溪组地层呈整合接触。

本溪组C2b：由泥岩、铝土质泥岩、铝土岩、粉砂岩组成，中下部多夹铁矿层。厚度1.80 m～24.45 m，平均9.28 m。

1.2 煤岩层构造

该矿主要受到区域北东走向薄壁断层(F41)、九里山断层(F14)大断层及北西走向的赤庄断层(F68)和方庄断层(F1)控制。总体为走向175°～195°，倾向85°～105°，倾角17°左右的单斜构造。褶皱构造欠发育，以高角度正断层为主。依据勘探与生产揭露，井田区内落差大于20 m的断层10条，按其展布方向，分为北东和近南北向两组，其中，以北东向为主。

区域内由于受太行山断隆、汤阴断陷及开封拗陷的共同影响和区域构造的控制，矿井构造具有以下规律：

1) 断裂构造，不管是小断层或大断层均表现为高角度正断层，其走向以北东向为主，少许近东西向。

2) 按其发育特征，分为4个断裂构造带，即：沙墙断层(F4)及其分支F4-1断层构成的北部边界断层带，以小庄断层(F2)及其分支F2-1、F2-2断层组成的断层带；以石河断层F5、F5-1和F8-1断层构成的断层带；以F3和F3-1断层构成的南部边界断层带，见图1。上述断裂带走向基本一致，其中，以沙墙断层(F4)、小庄断层F2及F3断层构成2个断块。

图1 断裂构造剖面图

3) 分支断层严格受主干断层的控制，在分支断层深部与主干断层构成三角形地堑或阶梯状断块。

4) 上述断层带尽管存在较大规模差异，但是有一定的等间距性分布。

5) 小断层的分布主要受大中型断层的制约影响，在其旁侧相对密集，随着距离的增大而逐渐减少。

井田区内褶皱构造欠发育，对矿井生产存在影响的主要是断裂构造，依据规模的大小及分布特征，主要表现在以下几方面：

1) 由于井田被区内断层分割为几个断块，不仅限制了正常的采区划分和采面布置，也相应增加了掘进及回采的难度，导致生产成本提高。

2) 由于断裂构造具有导水性，需要在断层带留设较宽的煤柱防水，主干断层与其派生的分支所构成的地堑、地垒或阶梯状断块难以回采，降低了资源回收率。

3) 断裂构造发育地段，煤层顶底板的抗压和抗张强度减弱导致顶底板的稳定性大幅降低，增加了采掘过程中的工作面和巷道支护难度。

4) 在井田区域内，煤层底板导水裂隙带的地下水资源丰富，在该区域带压采掘过程中，断裂构造容易诱发底板突水与涌水。

2 井筒变形破坏的预计

2.1 矿技改井井筒概况

该矿的技改井为竖立井，其井筒的各项参数如下：井口标高为+149.44 m，井筒深度为570 m，井筒净直径为4 m，井筒主要采用钢筋混凝土复合井壁砌筑，基岩段采用混凝土砌碹加固，壁厚为400 mm，井筒内装备有提升设备，主要负责矿井生产的提升任务。

2.2 井筒煤柱的开采方案分析

在选择井筒煤柱开采设计方案时，在尽量多地开采地下煤炭资源的同时，主要考虑地面建筑物、构筑物和井筒的保护[1-2]。

保护井筒的技术措施，从根本上讲有两个方面，首要是选择合理的井下开采技术措施，其次是根据所选择的开采方法，井壁周围的岩层特性和地质构造等主要影响因素，制定有效的应对井筒移动变形的维修加固措施。

技改井井筒保护煤柱东西长约380 m，南北长约300 m，井筒基本上处于保护煤柱的中间位置。根据对井筒保护煤柱的基本情况，由于煤柱与井筒的距离比较近，又要考虑煤柱采出量，在此给出两种可行开采方案来进行比较研究。

方案一：在技改井井筒北布置一个41051工作面，这个工作面开采宽度为100 m，长度为330 m，所留煤柱距井筒100 m。如图2a)所示。

方案二：在技改井井筒南、北两侧各布置一个工作面，41051工作面和41053工作面，这两个工作面开采宽度均为100 m，长度为330 m，所留煤柱距井筒均为100 m。如图2b)所示。

图2 开采方案示意图

2.3 开采方案对井筒产生变形破坏的预计参数

岩层与地表移动及变形的预计结果准确与否，一是看选用的方法和预计公式是否恰当；二是看选用的岩层与地表移动参数是否准确[3-4]。为了尽量使参数选取符合实际岩层地质情况，在对有关预计参数定值时参考了“三下”规程关于矿区岩层移动观测资料。

针对该矿技改井煤柱开采引起的地表移动预计的参数为：

地表下沉系数：q=0.92；地表水平移动系数：b=0.34；主要影响角正切：tgβ=1.45；拐点偏移距：S=0.02H；开采影响传播角：θ=88°。

根据矿区的煤层条件和综合柱状图的基本情况平均采深H=483 m，平均采厚h=3.5 m。

2.4 井筒变形破坏的预计结果

对井筒变形破坏进行预计主要考虑井筒的位移及其变形，因此，根据确定的预计参数及该矿的具体地质情况，采用概率积分法对开采方案进行预计[5]。

1) 方案一

由于方案一是在井筒一侧设置工作面进行煤柱开采，因此井筒下沉值不大，但是开采造成水平移动相对明显，不过井筒的水平变形不大，井筒的倾斜和曲率均在允许变形值范围内。

根据概率积分法得出该方案的井筒最大移动变形值见表1。

表1 井筒的最大移动变形值

2) 方案二

根据矿井井筒位移预计曲线图可知，该开采方案对井筒产生的竖向下沉比方案一要大，但是因为方案二是在井筒两侧布置工作面进行开采，所以对井筒在水平方向的移动影响很小，可以忽略，但是,井筒在水平方向的变形偏大，应防止其水平方向的拉伸破坏；井筒的倾斜和曲率均在允许变形值范围内。

根据概率积分法得出该方案的井筒最大移动变形值见表2。

表2 井筒的最大移动变形值

对比分析，方案一由于是在井筒一侧布置工作面进行开采，因此对井筒在水平方向的拉应力较大，产生的变形也较大；由于方案二是两个工作面对称开采且距离井筒较远，对井筒的水平变形影响比较小。因此,仅从井筒和覆岩的水平移动方面考虑，方案二要优于方案一。

3 立井保护煤柱留设

立井防滑煤柱[5](如图3所示)的下边界应根据埋藏条件按式(1)计算确定。

(1)

当立井穿过煤层群时，第一煤层防滑煤柱按上述原则确定留设深度。其余各煤层的防滑煤柱下边界设计方法是：过上层煤防滑煤柱下边界点(在煤层倾斜剖面上)，以角作直线，该直线与各煤层底板的交线即为防滑煤柱的下边界。

立井保护煤柱附近有落差大于20 m～30 m断层穿过时，或立井井筒受断层切割时，应考虑采煤引起断层滑移的可能性。此时，应根据断层的具体情况考虑适当加大煤柱的留设尺寸，使断层两翼均包括在保护煤柱范围内，如图4所示。

技改井煤柱留设参数如表3所示。

图3 立井防滑煤柱设计方法

图4 受断层影响时立井井筒煤柱设计方法

井筒深度/m煤层厚度/m煤层倾角/(°)冲积层移动角/(°)上山移动角/(°)下山移动角/(°)走向移动角/(°)表土层厚度/m5703.8645705764360

井筒煤柱设计方法如第155页图5所示。

4 结论

本文介绍了技改井井筒保护煤柱的具体情况，为理论预计提供了现场资料和数据。确定了技改井井筒移动变形预计参数：地表下沉系数q=0.92；地表水平移动系数b=0.34；主要影响角正切tanβ=1.45；拐点偏移距s=0.02H；开采影响传播角θ=88°。

本文根据矿井的具体情况，结合工作面与技改井位置以及井筒保护煤柱的具体情况，采用较为准确的预计方法——概率积分法对所开采的工作面进行采后移动变形预计，得出移动变形的预计结果，为

图5 立井保护煤柱留设示意图

确定立井保护煤柱留设提供依据。