平朔公司井工二矿地表沉陷与控制研究

文/孟璋 何兴华

平朔公司井工二矿地表沉陷与控制研究

文/孟璋 何兴华

中煤平朔公司井工二矿在倾向长壁式开采遇到煤柱开采稳定性等技术问题，通过应用数值模拟和理论分析等研究方法，对煤柱应力分布规律及煤柱稳定性等问题进行探索和研究。通过数值计算，得到合理的地表沉陷控制理论，既提高了资源回收率，又取得了显著的经济效益和社会效益。

一、井工二矿地质概况

1. 地质赋存条件、储量及开采层数

井工二矿井田位于宁武煤田北端，由6个拐点圈定，原井田面积4.26km2，可采储量9491万吨。井田主要可采煤层为4#、9#、11#，赋存稳定，构造简单，倾角为0°～5°，局部地段大于12°。

2. 开采深度、煤层顶底板条件

4#煤老顶以粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩为主，部分为中粗砂岩与含砾石粗砂岩，厚度为2.30～26.96m，一般为4～16m。伪顶零星分布于井田内，岩性主要为泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩，其次为细砂岩、高岭质泥岩，厚度为0.03～0.75m。底板主要为砂质泥岩、炭质泥岩、高岭质泥岩、粉砂岩、细砂岩，厚度为0.15～4.71m，一般为0.50～3.00m。

9#煤煤层埋藏深度约170m；煤层结构复杂，含夹矸2～5层，夹矸厚度0.03～2.8m，一般厚0.4m；煤层硬度系数f=2.7；煤层顶、底板岩性：直接顶厚0.6～8.4m，岩性为泥岩或砂泥岩，老顶厚4～10m，岩性为中粗砂岩，直接底厚0.7～6.54m，岩性为砂质泥岩和炭质泥岩；煤层倾角2°～5°。

二、倾向长壁式采煤法开采围岩变形特性及矿压规律

1.岩石在三向压缩应力作用下的变形特性和机理

多数情况下，岩石的三向压缩应力是通过σ2＝σ3的围压加载来实施的，通常被称为“假三轴”实验。在这一加载条件下，岩石的变形特性将受到围压的影响。具有以下基本特性：

（1）随着围压的增加，岩石的强度随之提高；

（2）总体来说，岩石的弹性模量有随围压增大而增大的趋势，但增幅不大；

（3）随着围压的增加，峰值应力所对应的应变值有所增大。其变形特性表现出低围压下的脆性向高围压的塑性转换的规律。

当作用的外荷载较小时，体积应变主要表现为线性特征，且岩石的体积随荷载的增大而减小。然而，当外荷载达到一定的值之后，体积应变经过了保持不变的阶段，开始发生膨胀现象。

2. 壁式开采矿山压力规律

（1）岩梁承受的载荷

根据平朔井工二矿顶板特点，顶板在多层岩梁复合作用下，载荷q的确定应该考虑顶板各层之间的互相影响。顶板由一层以上的岩层所组成，因此在计算第一层岩层的极限强度跨距时所应考虑的载荷大小，应根据顶板各层之间的互相影响来确定。第n层对第一层综合影响形成的载荷：

当计算到时，即以作为施加于第一层岩层上的载荷，而第n+1层以上岩层的重量将不对第一层施加影响。此时即可利用上式的结果作为岩梁所受载荷来计算煤房的极限跨度。

根据平朔二号井工矿岩层的厚度、容重及弹性模量等指标参数，从第一个顶板分层开始计算顶板岩层载荷值。

计算结果可得：(q3)1< (q2)1，所以下部的顶板将与其第三层顶板发生分离，只有下部两个分层的重量加于第一分层上，成为第一分层的载荷。

（2）煤柱尺寸的确定

根据岩梁承受的载荷，按极限强度理论，煤柱上方支撑的总载荷为：

令煤柱允许的抗压强度为，则煤柱能支撑的最大载荷P为：

故理论计算所得的合理的煤柱宽度为10～15m。

三、倾向长壁式采煤法对地表沉陷的影响

通过对不同宽度煤柱尺寸模型的计算，12m、13m、14m、15m、16m宽度煤柱及不同推进距条件下深度为119m、159m、173m等关键岩层下沉规律分析得出以下规律：

1．159m岩层的下沉与地表下沉同步；下沉量连续，即没有出现断裂和冒落现象；当达到充分采动时，采空区中央两边的岩体下沉量基本相同。

2．173m关键层的破裂将导致上覆岩层的同步断裂和地表的快速下沉；当煤柱宽度为12m、13m时，岩层在重力作用下发生分离、弯曲。当煤柱宽度为14m时，同样岩层在重力作用下发生分离、弯曲。当煤柱宽度为15m、16m时，煤柱的支撑能力较大，关键层弯曲程度较小，控制了采场的冒落和地表沉陷。

3．留设煤柱越宽，关键岩层下沉量越小。

四、地表沉陷的控制理论

1.在采动过程中首先引起其周围岩层中的原始应力的重新分布——附加应力。当附加应力大于原始应力时，形成高应力区或集中应力区，该区域是井巷煤层开采的最不利位置；当附加应力小于原始应力时，形成低应力区或卸压区，该区域有利于井巷煤层开采。

2.煤柱宽度为12m或13m时，煤柱承载能力较低或基本不承载，在支承压力作用下，煤柱整体进入破碎状态，造成关键层的破断和老顶大面积的冒落，从而引起地表的快速沉陷；底板岩层在煤帮高应力的作用下也向巷道和采空区方向移动，引起底板底鼓，造成工作面的大面积损坏。

3.煤柱宽度为14m或15m时，煤柱承载能力较强，在支承压力作用下，煤柱基本处于弹塑性应力状态，只有小面积的直接顶垮落和微小的底板底鼓，确保了关键层的托板作用，得以控制地表沉陷，保证了工作面的安全生产。

4.煤柱宽度为16m时，煤柱承载能力明显增大，随工作面的推进，煤柱几乎完好无损，且均匀地承担上覆岩体的压力，完全可以有效控制地表沉陷，减少底板的底鼓量，保证工作面的安全生产。

中国矿业大学安全工程学院）

李元）