综放工作面开采对井筒破坏影响的研究分析

韩红兵

（冀中能源峰峰集团 辛安矿，河北 邯郸 056200）

1 概 况

辛安矿南副井建于2012 年，承担大型设备提升及矿井人员的升降，并作为进风井和安全出口。井筒位于辛安南风井工业广场北部，距辛安南风井73 m，井筒中心坐标为X＝23050、Y＝13058，井筒直径6.5 m，断面积33.18 m2，井口标高＋188.5 m，井底标高－275.5 m，井筒深度494 m。辛安南副井装备有JKMD－3.5×4Z（Ⅲ） 型落地式多绳摩擦式矿井提升机1 台，配备一宽罐笼与一窄罐笼，用作提升使用[1]。

辛安南风井建于2010 年，主要用于矿井-500水平回风，并作为矿井深部安全出口。井筒中心坐标为X＝22 979、Y＝13 020，井筒直径6.0 m，断面积28.27 m2，井筒深度498 m[1]。

112811 工作面位于辛安南副井北部，1128 地区下部，工作面北部至1128 采区上山，西部为11289 工作面采空区，南部为-500 进风下山、辛安南副井井底车场，东部为-500 上部皮带机道、11210 轨道下山。工作面构造简单，工作面内发现1 条F1 断层，位于工作面中部，周边地质构造对回采基本无影响，无褶曲、陷落柱、火成岩、冲击地压等。112811 工作面整体水文地质条件简单，瓦斯绝对涌出量3.0 m3/min，相对涌出量6.0 m3/t。工作面开采煤层属二迭系下统山西组的2 号煤，厚度3.9～4.1 m，平均4.0 m，赋存稳定，结构简单，普遍可采。112811 工作面采用走向长壁后退式采煤法，综合机械化放顶煤采煤工艺，顶板管理方式为全部垮落法。112811 工作面四邻关系及采掘布置如图1 所示。

图1 112811 工作面四邻关系及采掘布置示意Fig.1 Four-neighbor relationship and mining layout of No.112811 Face

2 地表移动变形参数及预测方法

地表移动概率积分法是指把岩层移动看作服从统计规律的随机过程，从而将开采引起的地表下移剖面表示成概率密度函数积分公式的预计方法[2]。通过对峰峰矿区相关资料的了解，该方法适用于分析该矿区工作面开采对井筒产生的影响。

通过实测数据可得，峰峰矿区辛安矿初次采动的地表下移系数约为0.78，重复采动下移系数约为0.85，由此可得计算参数：下移系数q=0.78（0.85重复采动），主要影响角正切值tanβ=2.0（3.0 重复采动），水平移动系数b=0.3，开采影响传播角取θ=84°，拐点偏移距离S=0。

现有资料条件下，通过经验确定不同井壁轴向允许变形值见表1。

当岩体强度大于等于井筒壁时，虽然受到工作面回采的采动影响，但是其所产生的竖向挤压变形，一般小于等于井筒壁变形值，不会出现比井筒壁大的挤压变形，即使是岩体处于竖向压缩的状态。岩体重量不会转移到到井筒壁上，井筒壁不会产生应力集中现象，因此井筒壁处于稳定状态，也就不会产生受压破坏。当岩体强度小于井筒壁时，同样受到工作面回采的采动影响，在岩体处于竖向压缩状态时，岩体产生的竖向压缩变形大于井筒壁，岩体重量转移至井筒壁，井筒壁负担重量后，产生竖向压应力集中现象，最终导致井筒壁受压破坏[5]。

表1 井筒轴向压缩允许值Table 1 Allowable axial compression value of shaft

辛安矿井筒特征见表2。

表2 辛安矿井筒特征Table 2 Shaft characteristic of Xin’an Mine

表2描述了辛安矿南副、风井井筒的主要特性，其抵抗压缩变形的能力，理论上应该和表1 中的钢筋水泥丘宾筒类似。通过将井筒的已使用年数与现场实际结合，选择下移200 mm，竖向压缩变形1.50 mm/m，作为井筒允许变形的参考值。需要说明的是，由于缺乏类似井筒抗变形能力的实测数据，该变形指标仅为参考。

3 对南副、风井开采影响分析

为分析112811 工作面开采后南副井及南风井井筒的受影响区段，分别过副井和风井沿A-A’、B-B’做2 条剖线，根据峰峰矿区的实测资料，松散层移动角取45°，岩层移动角取60°，井筒位置与工作面在剖线上的相对关系如图2 所示。可知，南副井及南风井井筒受规划工作面开采影响的最大深度分别为250 m 和130 m。

根据112811 工作面的开采情况，利用前文所述的预测方法及所列参数，对其进行开采后的预测计算，可了解到该工作面开采后的地表倾斜、下移、水平移动等值线的分布情况。南副、风井井筒位置各变形指标的具体情况见表3。

图2 井筒位置与112811 工作面在剖线上的相对位置关系及影响深度示意Fig.2 Relationship between wellbore position and relative position of No.112811 Face on section line and indication of influence depth

表3 112811 工作面开采后南副、风井各影响点的累积移动变形值Table 3 Cumulative deformation values of the affected points of the south auxiliary shaft and the air shaft after mining of No.112811 Face

分析表3 可知，叠加112811 工作面开采影响后，南副、风井井筒位置地面累积下移值达到117 mm 和61 mm；累计最大水平偏移量分别为49 mm和28 mm，偏移方位角分别约为202.9°和319.4°。

根据井筒受影响深度（250 m 和130 m），得到水平偏移致使南副井井筒产生的倾斜约为0.20 mm/m（较当前情况增加66.7%），致使南风井井筒产生的倾斜约为0.22 mm/m（较当前情况增加22.2%）。

南副井井筒于距离地表100 m 处最大压缩变形达到最大，最大压缩变形值为0.57 mm/m（较现有竖向压缩变形增加约128%）；南风井井筒的最大压缩变形也位于距地表100 m 处，最大压缩变形值为0.31 mm/m（较现有竖向压缩变形增加约34.8%）。

4 结 论

（1） 分析并选用了适用于辛安矿井筒的允许变形指标：井筒的下移量小于等于200 mm，竖向压缩变形值小于等于1.50 mm/m。

（2） 南副井井筒位置承受的累计最大下移值为117 mm，累计最大水平偏移量为49 mm，偏移方位角为202.9°，水平移动致使井筒产生的倾斜约为0.20 mm/m（较现有情况增加约66.7%），井筒承受的最大压缩变形为0.57 mm/m（较现有情况增加128%）。

（3） 南风井井筒位置承受的累计最大下移值为61 mm，最大水平偏移量为28 mm，偏移方位角分别约为319.4°，水平移动致使井筒产生的倾斜约为0.22 mm/m（较现有情况增加约22.2%），井筒承受最大压缩变形为0.31 mm/m（较现有情况增加约34.8%）。

（4） 南副、风井井筒受工作面112811 开采影响，但两井筒承受的累计最大下移值和最大压缩变形未超过选用的井筒允许变形指标，故井筒在规划开采情况下可安全运营。