大黄山矿暗立井采动影响分析与治理措施

    摘要　本文以大黄山矿暗立井破坏为例，对采动引起井筒穿过软弱层面处的应力集中这种普遍
现象进行了有限元分析。揭示了井筒变形破坏的力学原因，预测了进一步开采影响及其变形发
展趋势。提出了立足长远、标本兼治的暗井保护措施。
关键词　暗井　软弱面　应力集中　治理措施

　　徐州大黄山矿历经近四十年开采，矿井储量所剩无几，工业广场压煤已成为孤立煤柱。柱
外开采3303、3304工作面上分层时，位于常规移动范围之外的暗立井，却出现了两段井壁脱落、裂缝等破坏现象，虽经挂网锚喷支护，仍未阻止井筒变形；那么，下分层开采对暗井还将
如何影响？这就需从井筒破坏的原因着手分析。

1　地质采矿条件

1.1　地层条件

　　井田属徐州复背斜以东的贾汪向斜，呈一不完整、非对称的狭长煤盆地。向斜轴走向NE60
°，两翼不对称，轴南地层为直立至70°倒转，轴北地层倾角30°左右（图1）。矿区地处黄河
冲积平原，第四纪冲积层厚约15m，地势平缓，地面标高＋33.0m左右。分一号井和二号井两部
分开采。一号井位于轴北，开采倾斜煤层，二号井位于轴南，开采急倾斜煤层。主要开采煤层
为下石盒子组3^＃煤，配采山西组7＃煤和太原组20^＃、21^＃煤。
　　煤系地层由二迭系岩层和第四系冲积层组成，其中下石盒子组下段为含煤（3^＃）地层。3^＃
煤上覆岩层含砂岩、砂质页岩、杂色页岩及砂页岩互层等。以地层结构来看，上覆岩层以页岩
为主体，砂岩次之，此外还含有薄煤和煤页岩夹层。上覆岩层属中硬偏软岩性。

1.2　煤层情况

　　3^＃煤厚4.0m，采用分层冒落开采，分层开采厚度2.0m。7^＃煤位于山西组，厚度0.8m左右，
20^＃、21^＃煤位于太原组，厚度分别为0.68m和0.14m。3^＃与7^＃煤相距115mm，7^＃与20^＃煤相距
160m。3^＃煤单轴抗压强度RC＝8～10MPa，7＃煤RC＝18～23MPa。煤层属软弱型。
1.3　提升系统

图1　地质剖面图

　　一号井区开采轴北倾斜煤层，设一对主、副井和一个暗立井，它们均为料石砌壁，壁厚
0.5m，内径6m。主井为钢罐道，箕斗提升。副井为木质罐梁，罐笼提升。暗井从－320水平至
－500水平，井深180m，罐道梁间距4m，钢丝绳罐道，内设4趟水管及压风管、电缆，担负着
－500水平提人、下料、通风等多种功能。暗立井穿过3＃煤，是连接－320 水 平 和 －500水
平的咽喉要道。图2为暗立井剖面图。

2　暗井采动影响分析与变形预测

2.1　暗井的破坏形态和特点

　　暗井自九十年代初才开始变形，主要有两段，即－345～－350水平（A段）和－400～－410
水平（B段），B段较A段破坏范围大，破坏程度严重。从近期变化来看，井筒变形呈发展之势。
暗井A破坏段，曾采用锚喷措施。B段进行了挂网锚喷支护，近年出现喷层脱落，虽因钢丝绳罐
道有较大活动余地，但仍存在不安全隐患。随着井下煤柱的继续开采，损坏程度还将加剧。
　　从井筒破坏的历史和形态来看，暗井破坏具有如下特点：
　　a　井筒破坏具有集中性，发生于某一个或两个局部区域，所以破坏性更大；

图2　暗立井剖面图

　　b　井筒破坏主要表现为竖向受压引起井壁脱落；
　　c　井筒破坏往往在时间、地段上重复发生，井筒加固性维修难于持久抵抗变形。
　　鉴于以上破坏特点，笔者认为井筒破坏与两个因素有关：
　　a　井筒破坏在其围岩软、硬岩层交替处的软弱面上出现，这已是规律。暗立井破坏就发生
于3＃煤上部两层薄煤和其所夹灰色页岩中。
　　b　一号井工业广场周围老采空区连成一片，工业广场煤柱已成孤立煤柱，使整个煤柱区形
成增压区，最大采深达到577m，所以井巷来压势在必然。而周围工作面开采对岩层软弱面的扰
动，则是导致井筒破坏的直接原因。

2.2　有限元计算与分析

　　暗井的破坏位置在常规的采动范围之外，显然不能适用传统的基于随机介质理论的岩层移
动计算方法。本文采用基于力学理论的平面有限元方法，反映了岩体变形的层状效应。

2.2.1　计算模型
　　首先建立计算模型。图3为计算区域岩层分布图，左边界以向斜轴线为界，右边界以F8为
界，下边界取至3^＃以下30m，各岩层层厚自下而上如附表所列，岩层按岩性分为七类，由于该
矿没有地层岩性资

图3　计算区域岩层分布图

料，故根据其软硬程度分别选取岩性参数。此处采用平面弹性有限元方法，剖分632个等参单
元。3303工作面上分层平均倾角25°，采宽174m，标高－544．4～－493．0m，与暗立井最近平
距162m。与3303面相邻的轴南3304面，采厚2.0m，倾角27°，采宽119m，标高－544．4～－49
2．0m。采动是作为位移边界元加于模型的，3303面、3304面上下分层开采，各形成一类边界
元，这样便构成两个有限元模型：模型Ⅰ（采上分层）和模型Ⅱ（采下分层）。
　　　　　　　　　　　　　　　附　表