試論煤礦上部開采對下部巷道的安全影響分析

許林崗

摘 ?要：為了維護良好的礦產資源開發秩序，有效防范和堅決遏制地方小煤礦開采造成的國有大型煤礦生產安全事故，嚴防地方小煤礦越界開采違法違規行為，原國土資源部、國家安全監管總局、國家煤礦安監局于2017年3月至8月在全國開展煤礦超層越界開采專項檢查整治行動。本文以窯煤三礦與紅古區炭洞溝煤礦為例，針對采礦權范圍內井巷工程重疊進行安全論證分析。

關鍵詞：煤礦;礦權重疊;安全論證

1引言

根據《礦產資源開采登記管理辦法》（1998年）采礦權申請人在申請采礦許可證時，需向登記管理機關提交礦區范圍圖。礦區范圍，是指經登記管理機關依法劃定的可供開采礦產資源的范圍、井巷工程設施分布范圍或者露天剝離范圍的立體空間區域，礦山企業的礦區范圍是一個立體范圍，由三維坐標構成。

2概況

由于歷史原因，窯街煤電集團三礦1650車場、1650回風大巷、改造回風、1650北大巷、1610車場、二號軌下、二號行人下山等井巷工程與蘭州炭洞溝礦業有限公司二采區重疊（屬上下關系）。在1995年前這些井巷工程均在三礦皮帶斜井采礦許可證范圍之內，為了支援地方經濟發展，解決蘭州炭洞溝煤礦職工生活出路及社會穩定問題，將三礦巷道重疊部分以上資源劃歸炭洞溝煤礦開采。

3地質概況、開采技術條件

3.1地層、構造及煤層

窯煤三礦與炭洞溝煤礦同屬一個地層有：元古界（Pt）、侏羅系下統炭洞溝組（J1t）、中統窯街組（J2y）、上統享堂組（J3x）、白堊系下統河口群（k1hk）及第四系（Q）。

圖1 炭洞溝煤礦二采區下三礦巷道布置圖

地質構造：炭洞溝煤礦總的構造形態為向西北傾斜不規則的單斜層，F6斷層從中間切斷，形成了一采區、二采區兩個煤層不相連接的采區，內部展布8條斷層，斷層延伸方向基本一致，多數為北西—南東向（正斷層3條，逆斷層5條）;

炭洞溝煤礦區內含七層煤，分別為煤一層至煤七層，煤層西部煤層厚度大，平均厚度35.33m;東部煤層厚度薄，平均厚度18.77m。三礦與炭洞溝煤礦煤層主要為井巷保護煤柱，產狀與炭洞溝煤礦煤層一致。

3.2煤層底板巖性

炭洞溝煤礦煤夾有薄層炭質泥巖及煤線，厚度0～6.8m，平均厚度4.0m，抗壓強度24.5～78.4MPa，內摩擦角為39～50°。該層底板下以石英為主，分選性差，礫巖呈半棱角狀，含炭屑和變質巖屑，泥質膠結，較為致密堅硬，裂隙間有方解石脈充填具有斜層里，與下伏巖層呈假整合接觸。

4.開采影響分析

4.1 開采安全性影響分析

4.1.1 工作面底板巖體最大破壞深度

工作面底板巖體最大破壞深度計算方法有統計公式法和理論計算法，下面分別用兩種方法計算，取最大值。

1、統計公式法

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，工作面底板最大破壞深度有以下幾種：

（1）僅考慮工作面斜長時，h可按下式計算

工作面長度為L=44m，則h為5.45m。

（2）考慮采深、傾角、和工作面斜長時，h可按下式計算

式中：H—開采深度，352m;α—煤層傾角，取最大傾角57°;

則h=12.87m。

根據統計公式法計算底板最大破壞深度為12.87m。

2、理論計算法

（1）根據斷裂力學公式，h可按下式計算

式中： 一采場上覆巖層的平均容重，20kN/m3;

R—巖體抗壓強度，取巖石單軸抗壓強度的0.15倍，70×0.15=10.5MPa;

則h=7.76m。

（2）根據塑性力學公式，h可按下式計算

式中：φ—底板巖體內摩擦角，45°;

則h=15.83m。

工作面回采后，在工作面前方的底板巖體上作用著工作面的超前支承壓力，當作用區域內底板巖體（主動區）所承受的應力超過其極限強度載荷時，底板巖體將產生塑性變形，由于這部分巖體在垂直方向上受壓縮，則在水平方向上巖體必然會膨脹，膨脹的巖體擠壓過渡區內（過渡區）的巖體，并將應力傳遞到過渡區內。而過渡區內的巖體繼續擠壓被動區（被動區）內的巖體，由于該區為采空區臨空面，使得過渡區及被動區的巖體在主動區傳遞的力的作用下向采空區內膨脹，形成底板采動裂隙帶。

最大破壞深度

底板巖層最大屈服破壞深度 即采場底板損傷深度 為

式中： ?M一煤層開采厚度; —煤體的內摩擦角;

K一應力集中系數; 一采場上覆巖層的平均容重;

H—煤層埋藏深度;C 一煤體的內聚力;

Px—支架對煤幫的阻力; 一煤層與頂底板接觸面積的摩擦系數;

L一煤壁塑性區寬度; 一三軸應力系數;

結合炭洞溝煤礦煤7層開采工作面的具體地質條件，開采厚度M=4.5m，7層煤較軟，煤體內摩擦角取15°，底板巖體內摩擦角為45°， =20kN/m3，K=2，C=0.8MPa， =0.1MPa， =tan15°，采深H取352m，按照上式計算得到工作面底板最大破壞深度 為17.52m。

根據理論計算得到工作面底板最大破壞深度為17.52m，作為煤7層開采后工作面底板最大破壞深度。

4.1.2 工作面兩側底板破壞深度

傾斜煤層工作面開采后，在工作面兩側產生側向支承壓力（方向豎直向下），利用彈性力學中空間半無限理論可求得沿煤層傾斜方向工作面側向煤柱下方底板巖體最大破壞深度表達式為：

式中：

H為傾斜煤層工作面上順槽處煤層的埋深，m;

α為煤層傾角，°;M 為采出煤層厚度，m;

λ為冒落帶碎脹系數; 為巖層容重，kN/m3;

C及φ0分別為底板巖體內聚力及內摩擦角;

根據上述公式，傾斜煤層工作面側向底板巖體最大破壞深度隨著工作面側向支承壓力系數k的增大而增大，隨著煤層埋深的增加而增大，結合炭洞溝煤礦煤7層開采工作面的具體地質條件，開采厚度M=4.5m，底板巖體內摩擦角為45°， =20kN/m3，底板巖體內聚力C=7.7MPa，冒落帶碎脹系數λ取1.2，煤層傾角取57°，采深H取352m，工作面下側側向支承壓力集中系數k1取2.22，上側側向支承壓力集中系數k2取2.18，按照上式計算得到工作面工作面下側、上側底板最大破壞深度h1為21.08m，h2為17.16m。

4.2 煤層底板巖體破壞分析

工作面底板破壞區，該區域底板巖體的破壞主要是由于工作面前方動態的超前支承壓力在采前對其進行壓破壞，在采后卸壓導致底板巖體膨脹，形成底板采動破壞裂隙帶;

工作面兩側煤體下方底板破壞區，該區域底板巖體的破壞主要是由于受到工作面兩側的靜態的側向支承壓力的作用而導致其下方底板巖體產生破壞，由于工作面上下順槽埋深的不同，使得工作面下側煤體下方的底板比工作面上側煤體下方的底板破壞深度更深、破壞范圍更大。為此，分析出煤7層開采后工作面底板巖體的最大破壞深度為h為17.52m， 工作面下側煤體下方底板巖體的最大破壞深度h1為21.08m，工作面上側煤體下方底板巖體的最大破壞深度h2為17.16m。

5.安全可行性論證結論

本次論證通過對三礦、炭洞溝煤礦的采掘工程布置分析，根據統計公式法和理論計算法得出炭洞溝煤礦二采區開采后煤層工作面底板巖體的破壞深度及工作面兩側底板巖體的破壞深度，并根據三個破壞深度大致確定開采后底板的破壞范圍，在此基礎上對炭洞溝煤礦二采區下方井巷的安全性進行分析，得出結論如下：

經安全性分析和計算，炭洞溝煤礦二采區開采后煤7層底板破壞最大深度為21.08m，開采下限標高為1700m，最大破壞深度在工作面煤柱下側，其破壞范圍距三礦巷道1800邊下的最近距離為9.55m時對下方三礦井巷工程沒有影響，能夠保證三礦井巷工程的安全。

圖2 ?炭洞溝煤礦煤7層底板破壞范圍與三礦巷道關系圖

參考文獻

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