试论煤矿上部开采对下部巷道的安全影响分析

许林岗

摘  要：为了维护良好的矿产资源开发秩序，有效防范和坚决遏制地方小煤矿开采造成的国有大型煤矿生产安全事故，严防地方小煤矿越界开采违法违规行为，原国土资源部、国家安全监管总局、国家煤矿安监局于2017年3月至8月在全国开展煤矿超层越界开采专项检查整治行动。本文以窑煤三矿与红古区炭洞沟煤矿为例，针对采矿权范围内井巷工程重叠进行安全论证分析。

关键词：煤矿;矿权重叠;安全论证

1引言

根据《矿产资源开采登记管理办法》（1998年）采矿权申请人在申请采矿许可证时，需向登记管理机关提交矿区范围图。矿区范围，是指经登记管理机关依法划定的可供开采矿产资源的范围、井巷工程设施分布范围或者露天剥离范围的立体空间区域，矿山企业的矿区范围是一个立体范围，由三维坐标构成。

2概況

由于历史原因，窑街煤电集团三矿1650车场、1650回风大巷、改造回风、1650北大巷、1610车场、二号轨下、二号行人下山等井巷工程与兰州炭洞沟矿业有限公司二采区重叠（属上下关系）。在1995年前这些井巷工程均在三矿皮带斜井采矿许可证范围之内，为了支援地方经济发展，解决兰州炭洞沟煤矿职工生活出路及社会稳定问题，将三矿巷道重叠部分以上资源划归炭洞沟煤矿开采。

3地质概况、开采技术条件

3.1地层、构造及煤层

窑煤三矿与炭洞沟煤矿同属一个地层有：元古界（Pt）、侏罗系下统炭洞沟组（J1t）、中统窑街组（J2y）、上统享堂组（J3x）、白垩系下统河口群（k1hk）及第四系（Q）。

图1 炭洞沟煤矿二采区下三矿巷道布置图

地质构造：炭洞沟煤矿总的构造形态为向西北倾斜不规则的单斜层，F6断层从中间切断，形成了一采区、二采区两个煤层不相连接的采区，内部展布8条断层，断层延伸方向基本一致，多数为北西—南东向（正断层3条，逆断层5条）;

炭洞沟煤矿区内含七层煤，分别为煤一层至煤七层，煤层西部煤层厚度大，平均厚度35.33m;东部煤层厚度薄，平均厚度18.77m。三矿与炭洞沟煤矿煤层主要为井巷保护煤柱，产状与炭洞沟煤矿煤层一致。

3.2煤层底板岩性

炭洞沟煤矿煤夹有薄层炭质泥岩及煤线，厚度0～6.8m，平均厚度4.0m，抗压强度24.5～78.4MPa，内摩擦角为39～50°。该层底板下以石英为主，分选性差，砾岩呈半棱角状，含炭屑和变质岩屑，泥质胶结，较为致密坚硬，裂隙间有方解石脉充填具有斜层里，与下伏岩层呈假整合接触。

4.开采影响分析

4.1 开采安全性影响分析

4.1.1 工作面底板岩体最大破坏深度

工作面底板岩体最大破坏深度计算方法有统计公式法和理论计算法，下面分别用两种方法计算，取最大值。

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》，工作面底板最大破坏深度有以下几种：

（1）仅考虑工作面斜长时，h可按下式计算

工作面长度为L=44m，则h为5.45m。

（2）考虑采深、倾角、和工作面斜长时，h可按下式计算

式中：H—开采深度，352m;α—煤层倾角，取最大倾角57°;

则h=12.87m。

根据统计公式法计算底板最大破坏深度为12.87m。

2、理论计算法

（1）根据断裂力学公式，h可按下式计算

式中： 一采场上覆岩层的平均容重，20kN/m3;

R—岩体抗压强度，取岩石单轴抗压强度的0.15倍，70×0.15=10.5MPa;

则h=7.76m。

（2）根据塑性力学公式，h可按下式计算

式中：φ—底板岩体内摩擦角，45°;

则h=15.83m。

工作面回采后，在工作面前方的底板岩体上作用着工作面的超前支承压力，当作用区域内底板岩体（主动区）所承受的应力超过其极限强度载荷时，底板岩体将产生塑性变形，由于这部分岩体在垂直方向上受压缩，则在水平方向上岩体必然会膨胀，膨胀的岩体挤压过渡区内（过渡区）的岩体，并将应力传递到过渡区内。而过渡区内的岩体继续挤压被动区（被动区）内的岩体，由于该区为采空区临空面，使得过渡区及被动区的岩体在主动区传递的力的作用下向采空区内膨胀，形成底板采动裂隙带。

最大破坏深度

底板岩层最大屈服破坏深度 即采场底板损伤深度 为

式中：  M一煤层开采厚度; —煤体的内摩擦角;

K一应力集中系数; 一采场上覆岩层的平均容重;

H—煤层埋藏深度;C 一煤体的内聚力;

Px—支架对煤帮的阻力; 一煤层与顶底板接触面积的摩擦系数;

L一煤壁塑性区宽度; 一三轴应力系数;

结合炭洞沟煤矿煤7层开采工作面的具体地质条件，开采厚度M=4.5m，7层煤较软，煤体内摩擦角取15°，底板岩体内摩擦角为45°， =20kN/m3，K=2，C=0.8MPa， =0.1MPa， =tan15°，采深H取352m，按照上式计算得到工作面底板最大破坏深度 为17.52m。

根据理论计算得到工作面底板最大破坏深度为17.52m，作为煤7层开采后工作面底板最大破坏深度。

4.1.2 工作面两侧底板破坏深度

倾斜煤层工作面开采后，在工作面两侧产生侧向支承压力（方向竖直向下），利用弹性力学中空间半无限理论可求得沿煤层倾斜方向工作面侧向煤柱下方底板岩体最大破坏深度表达式为：

式中：

H为倾斜煤层工作面上顺槽处煤层的埋深，m;

α为煤层倾角，°;M 为采出煤层厚度，m;

λ为冒落带碎胀系数; 为岩层容重，kN/m3;

C及φ0分别为底板岩体内聚力及内摩擦角;

根据上述公式，倾斜煤层工作面侧向底板岩体最大破坏深度随着工作面侧向支承压力系数k的增大而增大，随着煤层埋深的增加而增大，结合炭洞沟煤矿煤7层开采工作面的具体地质条件，开采厚度M=4.5m，底板岩体内摩擦角为45°， =20kN/m3，底板巖体内聚力C=7.7MPa，冒落带碎胀系数λ取1.2，煤层倾角取57°，采深H取352m，工作面下侧侧向支承压力集中系数k1取2.22，上侧侧向支承压力集中系数k2取2.18，按照上式计算得到工作面工作面下侧、上侧底板最大破坏深度h1为21.08m，h2为17.16m。

4.2 煤层底板岩体破坏分析

工作面底板破坏区，该区域底板岩体的破坏主要是由于工作面前方动态的超前支承压力在采前对其进行压破坏，在采后卸压导致底板岩体膨胀，形成底板采动破坏裂隙带;

工作面两侧煤体下方底板破坏区，该区域底板岩体的破坏主要是由于受到工作面两侧的静态的侧向支承压力的作用而导致其下方底板岩体产生破坏，由于工作面上下顺槽埋深的不同，使得工作面下侧煤体下方的底板比工作面上侧煤体下方的底板破坏深度更深、破坏范围更大。为此，分析出煤7层开采后工作面底板岩体的最大破坏深度为h为17.52m， 工作面下侧煤体下方底板岩体的最大破坏深度h1为21.08m，工作面上侧煤体下方底板岩体的最大破坏深度h2为17.16m。

5.安全可行性论证结论

本次论证通过对三矿、炭洞沟煤矿的采掘工程布置分析，根据统计公式法和理论计算法得出炭洞沟煤矿二采区开采后煤层工作面底板岩体的破坏深度及工作面两侧底板岩体的破坏深度，并根据三个破坏深度大致确定开采后底板的破坏范围，在此基础上对炭洞沟煤矿二采区下方井巷的安全性进行分析，得出结论如下：

经安全性分析和计算，炭洞沟煤矿二采区开采后煤7层底板破坏最大深度为21.08m，开采下限标高为1700m，最大破坏深度在工作面煤柱下侧，其破坏范围距三矿巷道1800边下的最近距离为9.55m时对下方三矿井巷工程没有影响，能够保证三矿井巷工程的安全。

图2  炭洞沟煤矿煤7层底板破坏范围与三矿巷道关系图

参考文献

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