綜放工作面開采對井筒破壞影響的研究分析

韓紅兵

（冀中能源峰峰集團 辛安礦，河北 邯鄲 056200）

1 概 況

辛安礦南副井建于2012 年，承擔大型設備提升及礦井人員的升降，并作為進風井和安全出口。井筒位于辛安南風井工業(yè)廣場北部，距辛安南風井73 m，井筒中心坐標為X＝23050、Y＝13058，井筒直徑6.5 m，斷面積33.18 m2，井口標高＋188.5 m，井底標高－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1 臺，配備一寬罐籠與一窄罐籠，用作提升使用[1]。

辛安南風井建于2010 年，主要用于礦井-500水平回風，并作為礦井深部安全出口。井筒中心坐標為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 進風下山、辛安南副井井底車場，東部為-500 上部皮帶機道、11210 軌道下山。工作面構造簡單，工作面內發(fā)現(xiàn)1 條F1 斷層，位于工作面中部，周邊地質構造對回采基本無影響，無褶曲、陷落柱、火成巖、沖擊地壓等。112811 工作面整體水文地質條件簡單，瓦斯絕對涌出量3.0 m3/min，相對涌出量6.0 m3/t。工作面開采煤層屬二迭系下統(tǒng)山西組的2 號煤，厚度3.9～4.1 m，平均4.0 m，賦存穩(wěn)定，結構簡單，普遍可采。112811 工作面采用走向長壁后退式采煤法，綜合機械化放頂煤采煤工藝，頂板管理方式為全部垮落法。112811 工作面四鄰關系及采掘布置如圖1 所示。

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

2 地表移動變形參數(shù)及預測方法

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

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

現(xiàn)有資料條件下，通過經驗確定不同井壁軸向允許變形值見表1。

當巖體強度大于等于井筒壁時，雖然受到工作面回采的采動影響，但是其所產生的豎向擠壓變形，一般小于等于井筒壁變形值，不會出現(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)。巖體重量不會轉移到到井筒壁上，井筒壁不會產生應力集中現(xiàn)象，因此井筒壁處于穩(wěn)定狀態(tài)，也就不會產生受壓破壞。當巖體強度小于井筒壁時，同樣受到工作面回采的采動影響，在巖體處于豎向壓縮狀態(tài)時，巖體產生的豎向壓縮變形大于井筒壁，巖體重量轉移至井筒壁，井筒壁負擔重量后，產生豎向壓應力集中現(xiàn)象，最終導致井筒壁受壓破壞[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、風井井筒的主要特性，其抵抗壓縮變形的能力，理論上應該和表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)場實際結合，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測數(shù)據(jù)，該變形指標僅為參考。

3 對南副、風井開采影響分析

為分析112811 工作面開采后南副井及南風井井筒的受影響區(qū)段，分別過副井和風井沿A-A’、B-B’做2 條剖線，根據(jù)峰峰礦區(qū)的實測資料，松散層移動角取45°，巖層移動角取60°，井筒位置與工作面在剖線上的相對關系如圖2 所示?？芍?，南副井及南風井井筒受規(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，利用前文所述的預測方法及所列參數(shù)，對其進行開采后的預測計算，可了解到該工作面開采后的地表傾斜、下移、水平移動等值線的分布情況。南副、風井井筒位置各變形指標的具體情況見表3。

圖2 井筒位置與112811 工作面在剖線上的相對位置關系及影響深度示意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、風井各影響點的累積移動變形值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、風井井筒位置地面累積下移值達到117 mm 和61 mm；累計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生的傾斜約為0.20 mm/m（較當前情況增加66.7%），致使南風井井筒產生的傾斜約為0.22 mm/m（較當前情況增加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 論

（1） 分析并選用了適用于辛安礦井筒的允許變形指標：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最大下移值為117 mm，累計最大水平偏移量為49 mm，偏移方位角為202.9°，水平移動致使井筒產生的傾斜約為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） 南風井井筒位置承受的累計最大下移值為61 mm，最大水平偏移量為28 mm，偏移方位角分別約為319.4°，水平移動致使井筒產生的傾斜約為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、風井井筒受工作面112811 開采影響，但兩井筒承受的累計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，故井筒在規(guī)劃開采情況下可安全運營。