斜沟煤矿煤层开采对下覆铝土矿影响评价

＊刘志伟

（山西古县西山登福康煤业有限公司 山西 030000）

1.引言

煤系共伴生矿产资源是指在煤系地层中与煤炭共生或伴生的其他矿产和元素。我国煤系地层分布广、厚度大。多数煤系地层不仅赋存有大量的煤炭资源，还共生或伴生有丰富的非金属矿产和一些有益元素，它们与煤一样，也是不可再生的资源。其中不少共伴生矿产储量大、品位高、有开采价值，因此煤炭企业不能因采煤活动随意破坏共伴生资源的开采条件，造成不可逆转的损失。

2.井田铝土矿赋存状况

井田内勘探工作目的层为石炭、二叠系煤层，区内铝土矿矿体赋存于石炭系中统本溪组底部，埋深较大，因此勘探报告未对铝土矿进行采样测试工作。2018年，山西地科勘察有限公司在井田内施工了一个钻孔，孔深470.53m，取了15个样品进行化验，铝土矿单样厚度0.60-0.68m，单工程厚度4.28m；单样品位46.74%-61.50%，单工程品位为54.28；A/S为3.97-9.69，单工程A/S为7.0。

斜沟煤矿井田范围内有铝土矿赋存，矿体赋存于石炭系中统本溪组底部，层位较稳定，矿体形态随古地理呈波状，起伏变化较大。根据钻孔资料统计，井田内铝土矿距离最下层可采煤层13号煤层31.56-71.95m。根据斜沟井田内施工的补23钻孔资料结合周边的黄辉头铝土矿区、赵家焉铝土矿区、苏家吉铝土矿区资料，井田内铝土矿矿体厚度0.30-5.97m，平均2.81m，矿体厚度较大，品位较好，有开采价值。根据《山西省河东煤田兴县斜沟井田勘探地质报告》采用结果，斜沟煤矿划定矿区范围内共求得铝土矿（D+E）级储量2602万吨，对应新规范分类为推断和预测的资源量（333）（334）。

综上可知，井田内下覆的铝土矿有开采价值，井田内煤层开采后将不可避免对底板产生扰动影响，因此需对斜沟煤矿煤层开采对下覆铝土矿造成影响进行评价。

3.煤层开采对下覆铝土矿影响分析

顶板随煤层开采垮落的过程中，由于垮落矸石不能完全充满采空区，上覆岩层大部分呈悬空状态，采空区上覆未垮落岩层的重量将通过梁或板的形式通过采空区周围煤体或煤柱传递到煤层底板，即在采场四周形成支承压力区，当支承压力达到部分岩体破坏的最大载荷时，煤层底板发生破坏。煤层底板变形扰动深度为底板岩体剧烈扰动变形距煤层的最大深度，其扰动深度直接关系到下覆资源的开采条件。

斜沟煤矿共7层全区可采或局部可采煤层，井田内铝土矿位于各可采煤层下方，其中13号煤层为井田内最下层可采煤层，13号煤层埋深为14.78-817.84m，煤层厚度5.95-16.68m，平均厚度13.88m，属厚煤层。因此对于下覆铝土矿而言，其直接影响因素为最下层13号煤层开采后引起的底板扰动是否已到达铝土矿层。

国内外学者主要利用线性回归或非线性回归、理论分析、相似模拟、数值模拟以及现场实测对煤层底板扰动深度进行研究，得出煤层底板扰动程度主要取决于工作面的矿压作用和煤层底板的抗破坏能力，其主要影响因素有采深H、煤层倾角α、工作面斜长L、煤层采高M、底板岩层的抗破坏强度、构造（主要为断层）等，计算方法主要有经验公式、断裂力学公式和塑性力学公式。

(1)统计公式法

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》推荐的全国统计公式计算井田内13号煤层开采后底板扰动深度：

式中：h-底板采动扰动深度，m；H-开采深度，m；α-煤层倾角，（°）；L-壁式工作面斜长，m。

该统计公式大部分数据主要集中于煤层埋藏深度小于400m，采高小于4.0m以下的条件，而且根据实测结果研究显示，当埋深在400m以上的浅部基本不受采高的影响。且根据2013年5月由中国煤炭工业协会组织、山西西山晋兴能源有限责任公司和华北科技学院共同完成的《山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿8号煤层顶底板三带观测及规律性研究》结果表明，本矿8号煤层采用该公式计算工作面底板扰动深度是安全可靠的。

当随着埋藏深度的增加，大埋深条件下岩体受力状态发生改变，煤层开采后开始向塑性变形阶段过渡，支承压力的改变会较大程度地影响岩体的变形，故在深部条件下采高对底板扰动的影响比在浅部的影响更大，底板扰动深度会发生较大的变化，因此需要对大埋深的底板扰动深度的计算公式重新统计分析。

中国矿业大学教授许延春在“大埋深煤层底板破坏深度统计公式及适用性分析”中[1]，通过对国内21个埋深超出400m的煤层工作面实测数据进行回归计算，得出回归方程：

式中：h-底板采动扰动深度，m；H-开采深度，m；α-煤层倾角，（°）；L-壁式工作面斜长，m；M-采高，m。

与此同时，在对国内典型矿井实测数据的基础上对大埋深条件下受断层影响、大采高一次采全高和特厚煤层分层开采时工作面底板扰动深度计算进行了分析，得出了对应的修正计算公式：

式中：Ad、Aq、Af-修正系数，其中Ad取值1.0～1.6，Aq取值1.5，Af取值0.57。

综上所述，依据西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿13号煤层埋深差异较大的情况，对13号煤层开采对底板扰动深度的计算以埋深400m为分界进行分类处理。同时，13号煤层厚度为5.95-16.68m，平均厚度13.88m，采用综采放顶煤的采煤方法，考虑采深、煤层倾角以及工作面斜长时，煤层开采后底板扰动深度计算公式为：

当煤层埋深H＜400m时：

当煤层埋深H＞400m时：

式中：h-底板采动扰动深度，m；H-开采深度，m；根据13号煤各钻孔埋藏深度取值。α-煤层倾角，（°），根据《山西省河东煤田斜沟井田勘探地质报告》，井田内煤层倾角9-12°，本次计算13号煤层倾角按照最大12°取值。L-壁式工作面斜长，m；根据矿井初步设计，13号煤层采煤工作面斜长确定为245m。M-采高，m；根据13号煤各钻孔实际煤层厚度取值。△M-采高增量，m。当煤层埋藏深度超过400m时，煤层采高13号煤层最小厚度5.95m选取，采高增量为各钻孔煤层厚度与最小厚度5.95m差值。

根据统计公式法计算得，13号煤开采后底板扰动深度21.02-36.40m。

(2)理论计算法

考虑到回归分析得出的煤层底板扰动深度计算公式未能充分反映出煤层底板扰动机理，因此，国内专家运用弹塑性理论、损伤断裂理论等方法对煤层底板扰动机理进行研究。随着工作面向前推进，当底板岩体所承受的支承压力达到其临界强度时，岩体便会产生塑性变形区，当塑性区逐渐扩大到岩体自身最大破断长度时开始向采空区一侧移动，并会形成一片连续的滑移面，此时底板扰动最为严重，扰动深度最大[2-3]。塑性扩展区由三个部分组成，分别为：主动极限区oab、被动极限区ocd、过渡极限区obc。主动区和被动区的滑移曲线都是由两条直线组成，而过渡区则由一条以o为地点的两条直线和一部分对数螺旋形组成。

开采扰动深度可以由以下公式计算：

式中：H-开采深度，m；φ-底板岩体内摩擦角，（°）。

根据上述公式可知，底板扰动深度与煤层埋深成正比，当埋深一定时，底板扰动深度随岩体内摩擦角的增大成线性增长。由地质资料可知，13号煤层底板为泥岩砂质泥岩，部分为粉砂岩或泥灰岩，内摩擦角选取煤层底板岩体内摩擦角最大值45°，根据理论计算法对13号煤层开采后底板扰动深度计算，13号煤开采后底板扰动深度0.85-29.87m。

(3)计算结果分析

根据以上计算可知，采用统计公式法计算得出13号煤层开采后对煤层底板的扰动深度为21.02-36.40m；采用理论计算法计算得出13号煤层开采后对煤层底板的扰动深度为0.85-29.87m。经数据分析，当煤层埋藏深度较小时，计算结果差异较大；随煤层埋藏深度的增加，两种计算结果差异逐渐减小。

铝土矿矿体赋存于石炭系中统本溪组底部，矿体厚度0.30-5.97m。上覆煤层开采对铝土矿的影响取决于煤层开采后底板扰动深度是否已进入铝土矿层。13号煤层与铝土矿层层间距由钻孔数据计算，为保险起见，铝土矿层厚度按照最大值5.97m计算。3号煤层底板采动扰动深度未进入铝土矿，也就是说，斜沟煤矿划界批复范围内煤层开采不会对下覆铝土矿造成影响和破坏。

4.结论

斜沟煤矿划界批复开采矿种为煤，不涉及铝土矿资源开发利用。采用统计公式法与理论计算法分别计算了13号煤层开采底板扰动深度，分别为21.02-36.40m、0.85-29.87m，本报告采用计算值较大的统计公式法数值，计算的底板扰动深度均小于对应钻孔的13号煤层底板到铝土矿顶板距离，13号煤层开采底板扰动深度没有进入铝土矿，故斜沟煤矿划定矿区范围内煤层开采对下覆铝土矿体不造成影响和破坏。