綜放工作面開采對(duì)井筒破壞影響的研究分析

韓紅兵

（冀中能源峰峰集團(tuán) 辛安礦，河北 邯鄲 056200）

1 概 況

辛安礦南副井建于2012 年，承擔(dān)大型設(shè)備提升及礦井人員的升降，并作為進(jìn)風(fēng)井和安全出口。井筒位于辛安南風(fēng)井工業(yè)廣場(chǎng)北部，距辛安南風(fēng)井73 m，井筒中心坐標(biāo)為X＝23050、Y＝13058，井筒直徑6.5 m，斷面積33.18 m2，井口標(biāo)高＋188.5 m，井底標(biāo)高－275.5 m，井筒深度494 m。辛安南副井裝備有JKMD－3.5×4Z（Ⅲ） 型落地式多繩摩擦式礦井提升機(jī)1 臺(tái)，配備一寬罐籠與一窄罐籠，用作提升使用[1]。

辛安南風(fēng)井建于2010 年，主要用于礦井-500水平回風(fēng)，并作為礦井深部安全出口。井筒中心坐標(biāo)為X＝22 979、Y＝13 020，井筒直徑6.0 m，斷面積28.27 m2，井筒深度498 m[1]。

112811 工作面位于辛安南副井北部，1128 地區(qū)下部，工作面北部至1128 采區(qū)上山，西部為11289 工作面采空區(qū)，南部為-500 進(jìn)風(fēng)下山、辛安南副井井底車場(chǎng)，東部為-500 上部皮帶機(jī)道、11210 軌道下山。工作面構(gòu)造簡(jiǎn)單，工作面內(nèi)發(fā)現(xiàn)1 條F1 斷層，位于工作面中部，周邊地質(zhì)構(gòu)造對(duì)回采基本無影響，無褶曲、陷落柱、火成巖、沖擊地壓等。112811 工作面整體水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，瓦斯絕對(duì)涌出量3.0 m3/min，相對(duì)涌出量6.0 m3/t。工作面開采煤層屬二迭系下統(tǒng)山西組的2 號(hào)煤，厚度3.9～4.1 m，平均4.0 m，賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，普遍可采。112811 工作面采用走向長壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，頂板管理方式為全部垮落法。112811 工作面四鄰關(guān)系及采掘布置如圖1 所示。

圖1 112811 工作面四鄰關(guān)系及采掘布置示意Fig.1 Four-neighbor relationship and mining layout of No.112811 Face

2 地表移動(dòng)變形參數(shù)及預(yù)測(cè)方法

地表移動(dòng)概率積分法是指把巖層移動(dòng)看作服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)過程，從而將開采引起的地表下移剖面表示成概率密度函數(shù)積分公式的預(yù)計(jì)方法[2]。通過對(duì)峰峰礦區(qū)相關(guān)資料的了解，該方法適用于分析該礦區(qū)工作面開采對(duì)井筒產(chǎn)生的影響。

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得，峰峰礦區(qū)辛安礦初次采動(dòng)的地表下移系數(shù)約為0.78，重復(fù)采動(dòng)下移系數(shù)約為0.85，由此可得計(jì)算參數(shù)：下移系數(shù)q=0.78（0.85重復(fù)采動(dòng)），主要影響角正切值tanβ=2.0（3.0 重復(fù)采動(dòng)），水平移動(dòng)系數(shù)b=0.3，開采影響傳播角取θ=84°，拐點(diǎn)偏移距離S=0。

現(xiàn)有資料條件下，通過經(jīng)驗(yàn)確定不同井壁軸向允許變形值見表1。

當(dāng)巖體強(qiáng)度大于等于井筒壁時(shí)，雖然受到工作面回采的采動(dòng)影響，但是其所產(chǎn)生的豎向擠壓變形，一般小于等于井筒壁變形值，不會(huì)出現(xiàn)比井筒壁大的擠壓變形，即使是巖體處于豎向壓縮的狀態(tài)。巖體重量不會(huì)轉(zhuǎn)移到到井筒壁上，井筒壁不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此井筒壁處于穩(wěn)定狀態(tài)，也就不會(huì)產(chǎn)生受壓破壞。當(dāng)巖體強(qiáng)度小于井筒壁時(shí)，同樣受到工作面回采的采動(dòng)影響，在巖體處于豎向壓縮狀態(tài)時(shí)，巖體產(chǎn)生的豎向壓縮變形大于井筒壁，巖體重量轉(zhuǎn)移至井筒壁，井筒壁負(fù)擔(dān)重量后，產(chǎn)生豎向壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，最終導(dǎo)致井筒壁受壓破壞[5]。

表1 井筒軸向壓縮允許值Table 1 Allowable axial compression value of shaft

辛安礦井筒特征見表2。

表2 辛安礦井筒特征Table 2 Shaft characteristic of Xin’an Mine

表2描述了辛安礦南副、風(fēng)井井筒的主要特性，其抵抗壓縮變形的能力，理論上應(yīng)該和表1 中的鋼筋水泥丘賓筒類似。通過將井筒的已使用年數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)合，選擇下移200 mm，豎向壓縮變形1.50 mm/m，作為井筒允許變形的參考值。需要說明的是，由于缺乏類似井筒抗變形能力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該變形指標(biāo)僅為參考。

3 對(duì)南副、風(fēng)井開采影響分析

為分析112811 工作面開采后南副井及南風(fēng)井井筒的受影響區(qū)段，分別過副井和風(fēng)井沿A-A’、B-B’做2 條剖線，根據(jù)峰峰礦區(qū)的實(shí)測(cè)資料，松散層移動(dòng)角取45°，巖層移動(dòng)角取60°，井筒位置與工作面在剖線上的相對(duì)關(guān)系如圖2 所示。可知，南副井及南風(fēng)井井筒受規(guī)劃工作面開采影響的最大深度分別為250 m 和130 m。

根據(jù)112811 工作面的開采情況，利用前文所述的預(yù)測(cè)方法及所列參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行開采后的預(yù)測(cè)計(jì)算，可了解到該工作面開采后的地表傾斜、下移、水平移動(dòng)等值線的分布情況。南副、風(fēng)井井筒位置各變形指標(biāo)的具體情況見表3。

圖2 井筒位置與112811 工作面在剖線上的相對(duì)位置關(guān)系及影響深度示意Fig.2 Relationship between wellbore position and relative position of No.112811 Face on section line and indication of influence depth

表3 112811 工作面開采后南副、風(fēng)井各影響點(diǎn)的累積移動(dòng)變形值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，疊加112811 工作面開采影響后，南副、風(fēng)井井筒位置地面累積下移值達(dá)到117 mm 和61 mm；累計(jì)最大水平偏移量分別為49 mm和28 mm，偏移方位角分別約為202.9°和319.4°。

根據(jù)井筒受影響深度（250 m 和130 m），得到水平偏移致使南副井井筒產(chǎn)生的傾斜約為0.20 mm/m（較當(dāng)前情況增加66.7%），致使南風(fēng)井井筒產(chǎn)生的傾斜約為0.22 mm/m（較當(dāng)前情況增加22.2%）。

南副井井筒于距離地表100 m 處最大壓縮變形達(dá)到最大，最大壓縮變形值為0.57 mm/m（較現(xiàn)有豎向壓縮變形增加約128%）；南風(fēng)井井筒的最大壓縮變形也位于距地表100 m 處，最大壓縮變形值為0.31 mm/m（較現(xiàn)有豎向壓縮變形增加約34.8%）。

4 結(jié) 論

（1） 分析并選用了適用于辛安礦井筒的允許變形指標(biāo)：井筒的下移量小于等于200 mm，豎向壓縮變形值小于等于1.50 mm/m。

（2） 南副井井筒位置承受的累計(jì)最大下移值為117 mm，累計(jì)最大水平偏移量為49 mm，偏移方位角為202.9°，水平移動(dòng)致使井筒產(chǎn)生的傾斜約為0.20 mm/m（較現(xiàn)有情況增加約66.7%），井筒承受的最大壓縮變形為0.57 mm/m（較現(xiàn)有情況增加128%）。

（3） 南風(fēng)井井筒位置承受的累計(jì)最大下移值為61 mm，最大水平偏移量為28 mm，偏移方位角分別約為319.4°，水平移動(dòng)致使井筒產(chǎn)生的傾斜約為0.22 mm/m（較現(xiàn)有情況增加約22.2%），井筒承受最大壓縮變形為0.31 mm/m（較現(xiàn)有情況增加約34.8%）。

（4） 南副、風(fēng)井井筒受工作面112811 開采影響，但兩井筒承受的累計(jì)最大下移值和最大壓縮變形未超過選用的井筒允許變形指標(biāo)，故井筒在規(guī)劃開采情況下可安全運(yùn)營。