大黄山矿暗立井采动影响分析与治理措施.pdf

筘 1期 1 999车2 月 矿 山测量 M l E SU RV EYI NG NO 1 Feb 19 99 ／ ／ 大 黄 山矿 暗 立 井 采 动 影 响 分 析 与 治 理 措 施 墨 兰 里 滕采海 吕 彝和 煤炭圭 } 学 研究 恩院 唐山 分院 中 国地 质 大 学 ≯ - 摘 要本 J t 土 黄 山旷 暗立 井 破坏 为州 ， 对 采 曲 引起 井 简 宁过 轭 弱屉 面灶 的应 力 集 中选 种 普 遄 现 象 进 行 7有 限 元 分析 。 揭 示 7井 筒 变彤破 坏 的 力学 原 因 ， 顿 剥 T进 一 步开 采 罩 ； 响 盟其 殳彤 发展 趋 势 提 街 7 U,- 关 键 词 暗 井 软 弱 面 应 力 集 中 治 理 措 施 拜订 ’ f匀 7L ／ 一 ， 一 一 ‘J f ／ 0 ／ 棣 l州太 黄 山矿 历经 近 四 十年 开 采 ． ／ 矿 井 储 量 所 煤 层 属 软弱 型 。 ’ 、 【 f ， ； 一一 的 暗 立 井 ．却 出 现 了 两 段 井 瞵 落 、型 胄量 等 破 坏 现 lf ， - ／ 丹层开采对暗井还将如何影响，这就需从井筒破坏 I ＼ ＼＼． 。 ＼ ／／ ，l ／ ／ l 的原因着手分析 。寸 一 l， 7 纠 l 地 质采 矿 条 件 1 ． 1 地 层条 件 井 田属 掰 州 复 背 斜 东 的 贾 任 向斜 ， 呈 一 不 完 整 、 非 对 称 的狭 长 煤 盆 地 向斜 轴 走 向 NE6 0 。 ． 两 翼 不 对 称 ， 轴 南 地 层 为 直 立 至 7 0 。 倒 转 ． 轴北 地 层 倾 角 3 0 。 左 右 图 1 矿 区地 处 黄河 冲 积平 原 ， 第 四纪 冲 积 层 厚 约 1 5 m， 地势 平 缓 地 面标 高 3 3 0 m 左 右 。分 一 号井 和 二 号 井两 部 分 开采 。一号 井 位于 轴北 ， 开 采 颉 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 山西组 7 煤 和 太 原 组 2 0 、 2 1 煤 堞 系 地 层 由二 造 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 。s 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 吉 有 薄 煤 和煤 页 岩 央层 上覆 岩 层 属 中硬 偏 软 岩性 。 1 ． 2煤层 情 3 煤 厚 4 ， O m， 采 用 分层 冒落 开 采 ． 分 层 开 采 厚 度 2 ． 。7 煤 位 于 山西 组 ． 厚 度 0 ． 8 m 左 右 ， 2 0 ； 、 2 l 煤 位 于太 原 组 ， 厚度 分 别 为 0 ． 6 8 m 和 0 ． 1 4 m。 3 与 7 煤 相 距 1 1 5 ram， 7 与 2 O 煤相 距 1 6 0 m。 3 i 某单 轴 抗压 强 度 R c 8 ～1 0 MP a ． 7 煤 R c 一1 8 ～2 3 MP a 。 5 l地 屉 目 一 号 井 区开 采 轴 北 顿斜 煤 层 世 一对 主 、 副 井 和 一 十 晴 宅 井 ， 它 们 均 为 抖 石 砌 壁 ， 壁 厚 m 5 m 内 径 6 m 主井 为铜 罐 道 ． 箕 斗 提升 。副 并 为木 质 罐裂 罐 笼 提 升 。 暗 井 从 一 3 2 0水 平 至 一 5 0 0水 平 ， 井 揉 1 8 0 m． 罐 遭粱 问 距 4 m 钢 丝绳 罐 道 ， 内设 I 趟 水 管 及 压 风 管 、 电缆 ， 担 负着 一5 0 0水 平 提 』 、 、 下科 、 通 风 等 多种 耽 能 。赔 立 井穿 过 3 煤 是连 接 一3 2 0水 平 和 一 5 0 0承平 的 咽 喉要 道 。图 2为 暗 立 井剖 面图 。 暗井 采 动 | 睁 响 舟析 与 变形 预 测 2 l 暗 井 的磕 茸形 态和 特 点 暗 井 自九 十年 代 韧才 开 空 旨 变 形 ． 主要 有 两 段 ． 叩 ⋯ 3 4 5 ’ 3 5 5水 平 A 段 和 一 4 O O ～ 一 4 1 0践 平 段 t B段 较 A 段 破 坏 范 围太 ， 破 坏 程度 严 重 从 近 期 变 化 束 看 ． 并 简 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 同锚 喷 支 护 ． 近 年 出现 疃 层 脱蓓 ， 虽因 钢 丝 蝇罐 道 有 较 大 活 动采 地 ． 照 仍 存 在 不 安全 隐 患 随 着井 下煤 柱 的继 续 开采 ， 损 坏 程度 证 将 加剧 从 井 筒 破坏 的历 史 和 形 态 来 看 ． 暗 井 破 坏 具 有 维普资讯 1 0 矿 山 测 量 l 9 9 9年 2月 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 J 破坏 性 更 大 蓁 卡 二] i螭 _ 哿 藿 二 。 等 f上 嚣 圜 2蚌 工 井 瓤 面 圉 b井 筒 破 坏 主 要 表 现 为竖 向 受 压 『 起 井 壁 脱 落 ； c井 茼破 坏 往 往 在 时 间 、 地段 上 重 复 发 生 ， 井 茼加 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 茼破 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 5 7 7 m， 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 简 破坏 的 直接 原 因 。 2 ． 2有 限元 甘 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 舟质 理 论 的岩 层 移动 计 算 方 法 。 率 文采 用 基于 力 学理 论 的平 面 有限 元 方法 ， 反 映 丁 岩体 变 形 的屠状 效 应 一 2 2 ． 1计 算 楗 型 首 先 建 立 计 算模 型 。图 3为计 算 区 域岩 层 分 布 图 ， 左 边 舁 以 向斜 轴 线 为 界 ． 右 边 界 以 F 为界 ， 下 边 界取 至 3 下 3 0 m． 各 岩 层 层厚 自下 而上 如 附 表所 列 ． 岩 层按 岩性 廿 为七 类 ， 由于该 矿 没 有地 层 岩 性 资 围 3计 算 区 城 岩 县 丰 圈 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 6 3 2个 等参 单 元 。 3 3 0 3工 作 面 上 分 层 平 均 倾 角 2 5 。 ， 采 宽 f 7 4 m， 标 高 一 5 4 4 ． 4 4 9 3 0 m， 与暗 立井 最 近平 臣 1 6 2 m 与 3 3 0 3面相 邻 的轴 南 3 3 0 4面 ， 采 厚 2 ． 0 m ． 倾 角 2 7 。 ， 采 宽 l 1 9 m． 标 高-- 5 4 4 ． 4 4 9 2 0 m 采 动 是作 为 位移 边 界 元加 于模 型 的 ， 3 3 0 3面 3 3 0 4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 l 采 上 分层 和模 型 I 采 下 分 层 。 附表 { g 1 砂页 岩互层 3 0 ． 0 1 0 砂 岩 1 6 ． 3 2 3 蠼 4 ． 0 l 1 藏 黑色 页岩3 1 ． 9 3 砂质 页 岩8 ． 2 1 2 灰 黑色 砂岩1 3 ． 8 4 薄攥 、 页岩 3 ． o 1 3 杂 色页 岩 9 ． 5 5 砂质 页 岩 2 1 5 1 4 杂 色砂 岩 2 7 ． t 6 灰 白 色砂 岩 “ ． 6 1 5 砂页 岩 互晨3 4 ． 2 7 杂色 页 岩 4 1 ． 7 l 6 杂 色 页岩 3 3 ． 0 8 细砂 岩 2 8 ． O 1 7 表 土 层 1 7 ． 6 9 灰 绿 色 页 岩 3 3 8 模型 l 采 3 3 0 3面 、 3 3 0 4面 上分层 ， 采 厚 2 ． 0 m； 模 型 I 采 3 3 0 3面 3 3 0 4面下 分层 ， 采 厚 2 ． 0 m 。 2 ． 2． 2应 力 、 垃 移 分 析 图 4 、 匿 5分剐 为模 型 l 水 平方 向和 竖直 方 向的 正 应 力 分 布 阴 影 图 ， 它 们 明显 地 反 映 丁 应 力 的 层 状 分 布特 性 ， 是 岩 层 力学 性 质 的正 确体 现 ．在暗 立井 经 过 岩层 ， 3 顶 板 砂 质 页 岩 第 3 层 和 砂 岩 第 6层 中竖 向正 应 力很 小 色 浅 ． 而 它 们 所 夹 的 煤 页岩 层 维普资讯 蒂 1期 华 阳 等 大 黄 山矿 暗 立 井 采 曲 影 响 分 析 -5治 理 措 施 1 】 则 出现 应 力 集 中 色深 。模 型 【 于 采 场 附近 ， 向上 山方 向 有发 展 碱 到 很 小 。 的 剪应 力集 中 分 布 际 井 简 的 破 坏 特 性 相 吻 合 |兑明 建 立 的 模 型 台 手 宴 但到 暗井 位 置 已衰 际 条 陴 t 算结 果可 用 丁预 删 下讣 屠 的 栗 功影 响 平 正 应 蕈 {图 圈5橇 型l竖 由 正 应 力 图 模 型 1应 力 分 布形 态与 模 型 I十 分 相 似 ． 但 影 响范 围 有所 扩 展 ， 应 力大 小有 所 增 加 ； 从 血 移分 布 形 态 来 看 ． 它 有 从 采 空 区沿 岩 层 面 向上 山方 向发 展 的趋 势 囤 6 固 7为两 模 型 的 位 移 等 值 线 图 ． 至 地 表 时 ． 模 型 I最 大 下 沉 值 W、 一 2 2 0 ram． 模 型 I的 W 4 1 2 mm 岩层 与 地 表 穆 动 主 要 是 竖 向 移 动 。在 暗 井 破 坏 处 ． 摸 型 I的 位 移 为 0 ． 1 5 m． 摸 型 I的 位移 为 0 3 m， 而 且是 等 值 线相 对 密 集 区 压 缩 变 形较 大 t 所 以井 壁 容 易破坏 。 2 3暗 井破 司 碌 日 和发 展趋 势 预 测 2 3 ． 1暗井 破 坏 原 因 根 据 有限 元 法 分 析 ． 暗 立 井 发 生 于 煤 页岩 巾 的 变 形 破 坏 ， 是 由 于孤 立 煤 柱 下 山 3 3 0 3 、 3 3 0 4工 作 面 上 分 层 的 开 采 ， 在 软 弱 岩层 中产 生 了 集 中 压 应 力 使 岩 层 发 生 较 大 压 缩 变 形所 致 ； 井 筒 料 石 砌 壁 具 有 均 匀 的 力学 强 度 ， 它 ， F能与 其 围 岩 同步 变 形 ， 固而 显 现 出 压 力集 中 t 使井 壁 发 生脱 落 、 裂缝 等 破 坏 现 象 。模 型 【 计 算 所 反 映 的岩 体变 形性 态 和地 表 穆 动 量与 实 圈 6模 型 It 上 千 值 找 图 图 7挺 型 J { 王 移 千 值 2 ． 3 ． 2井 简破 坏 发 展 趋 势 预 刹 3 3 0 3 3 3 0 4工 作面 下 丹层 开 采影 响 t 从 采 动 碰 力 的分 布 形 态和 位 移特 点 来看 ． 均 与上 分层 相似 ； 但 从 应 力 大 小 和 立移 量 上 来 看 ． 下 分 层 开 采 将 有 较 大 幅 度 的增 加 。 根 据采 动 应力 与 位移 分析 - 可对 井筒 的破 坏 发 展 趋 势 有 如 下 预 测 暗 井在 煤 页 岩 l兜层 处还 将 产 生 较 大压 缩 变形 ． 压缩 量 可 达 0 ． 3 m。暗 井 上段 井 壁 损 坏 处将 进 一 步遭 受变 形 。另外 还 应 注意 ， 由 于采 动 应 力 向上 扩 展 ， 暗 井 车房 有 可 能 来 压 发 生 片 帮 等 现 象 3暗 井 的治 理 保护措 施 3 1制定 保护 措施 曲 原则 对 井筒 破 坏 的 原 因分析 和 发 展 趋 势 预测 是 我 们 制 定 井筒 保 护措 施 的重 要 依据 。 除 此之 外 ． 还应 遵 循 以下 原 则 a 、 经 济有 教 ， 实际 可 行 ． b 、 立 足长 远 ， 标 本 兼 治 。 这 就 是 t 保 护 措施 既要 考虑 减 小簏 工 量 和经 济 投 入 ． 叉要 力争 措施 收 到 良好 的 敛 果 ． 同 时 还 要 考 虑 将 来工 业 广 场堞 柱 回采 时 对 井筒 的影 响 为此 ， 应 采 取 井筒 的补 强措 施和 柔 性 措施 ⋯一≯ 一 ～ 纛 一 ，一 维普资讯