闭坑煤矿立井煤柱开采方法研究

乃勤

【摘 要】文中设计了小块段条式采煤法,在走向条带的基础上增加留设小块段煤柱,可以47％的井筒煤柱资源,对于多次扰动维修的立井井筒,基本无需维修可以保持安全运行,该方法为闭坑井筒煤柱回收以及复杂条件下“三下”开采提供了技术参考.

【期刊名称】《矿山测量》 【年(卷),期】2019(047)003 【总页数】4页(P10-13)

【关键词】立井;煤柱;开采方法;小块段 【作 者】乃勤

【作者单位】中煤科工集团唐山研究院有限公司,河北唐山063012;天地(唐山)矿业科技有限公司,河北唐山063012 【正文语种】中 文

【中图分类】TD823;TD325

斗米山煤矿位于湖南邵东牛马司矿区西南部，1958年建井，1960年投产，设计生产能力15万t/a，实际生产能力4万t/a，主采的2煤层属特低～低灰、低硫、特低磷、特高热值、以高熔型灰分为主的主焦煤。经过近60年开采，矿井资源已经枯竭，闭坑前井筒煤柱尚有地质储量约20万t，充分回收煤柱资源，对煤矿企

业及职工居民，经济和社会意义重大。 1 矿井概况

1.1 工广及建筑物情况

矿区地貌为丘陵谷地，水系较发育，地层结构呈不对称向斜构造，地层倾角20°～45°。井筒煤柱地表为农田、旱土、鱼塘，地面标高为+252.4～+284.4 m，工业广场建筑物及相关生产设施均为上世纪50年代建造，一般为一层，高度4～8 m，多数为砖木结构，部分为钢结构房顶。工广周围分散有民房、砖厂及乡村公路，建筑物多为2000年以后建造，一般2～3层，高度7～10 m，砖混结构，乡村公路宽4 m，为混凝土结构。 1.2 立井井筒参数

矿井采用单一立井开拓，边界通风，主井井筒位于井田中部，1959年12月建成，井口标高为+258.9 m，落底标高为-56.21 m，井筒垂深320 m(含原水窝高度)，井筒断面为椭圆形，长径宽5.04 m，短径宽3.67 m；井壁采用料石砌碹，碹体厚度350 mm；罐道梁为钢木混合梁，层间距为2 m，罐道为木罐道；罐笼尺寸为1.15×2.24 m，提升绞车为2JK3×1.5A-20，提升水平从-60 m到地面，具体见图1。井筒与井底车场连接处及马头门由混凝土捣固而成。 图1 立井井筒结构断面图

井筒穿过的岩层主要有表土层(1.4 m)、大冶灰岩(83.6 m)、长兴灰岩(142 m)、斗岭含煤层(83 m)。井筒在标高-42 m左右穿过主采的2煤，在标高+23 m～-60 m段(即斗岭含煤层段)，地层破碎变化较大，且多为砂页岩，易于风化膨胀。 1.3 地质采矿条件

井筒煤柱内无大的断层，但小断层发育，水文地质条件中等，断层含水性和导水性都比较差。

井筒煤柱压覆的2煤，煤厚1.87～2.57 m，平均1.93 m，倾角20°，煤层直接顶

为砂质泥岩，厚度4～6 m。老顶为中粒砂岩，厚度4～14 m，顶底板稳定条件较好。煤柱内可采资源以标高-60 m为界，标高-60 m以上地质构造较简单，区域内无断层，煤层赋存稳定，资源储量8.4万t；标高-60 m以下地质构造复杂，局部煤层倒转，有三条7～10 m的断层，且小煤窑侵入盗采严重，资源储量约11.6万t。

2 开采条件分析 2.1 井筒煤柱已采情况

1959年至1990年期间，斗米山煤矿在井筒煤柱的东南和北部边缘开采时，井筒及工业广场部分建筑物受到影响，之后矿井再未进入井筒煤柱内开采。但是井田周围小煤窑开采历史悠久，数量较多，进入井筒煤柱内开采的小煤窑有3家，第一家位于井筒西南部，开采标高-80 m以下的煤层；第二家位于井筒东南角，在煤层上山方向开采标高-10 m以上的部分煤层；第三家位于井筒东北部，在保护煤柱内开采的范围较小，具体见图2。 2.2 井筒维修情况

1961年～1966年、1981年，井筒经历了两次大修及多次反复修理。2005年5月测量检查井筒变形时发现，井筒井壁整体移动180～480 mm，移动方向大致为东、南两个方向，井壁向井筒内压，井壁距西罐笼两角最小仅120 mm，危及罐笼运行；罐道整体自上而下逐步向东南偏移，提升中心线不呈垂线而呈曲线，最大偏移量为225 mm；罐笼运行过程不平稳，摆幅较大，要靠罐道强制维持罐笼的曲线提升。

图2 井筒保护煤柱开采情况分布图

根据《煤矿安全规程》提升容器最小间隙要求，煤矿维修了井壁，加固了井筒及马头门，通过采取硬性保护措施，强制保障井筒和罐笼安全运行。

2.3 安全开采可行性

煤层与井筒的位置关系大致分为三种类型，即井筒穿过开采煤层、井筒位于开采煤层上方和井筒位于开采煤层一侧。对于井筒位于开采煤层一侧，由于煤柱开采必然引起井筒产生偏斜变形，为防止井筒结构产生较大的扭曲变形，通常宜采用对称开采的方法。闭坑矿井最后回收井筒煤柱时，考虑到经济效益，一般不充填而直接垮落管理顶板[1]。

在开采实践中，井筒损害的形式主要为偏斜和垂直变形(垂直方向拉伸和压缩)，垂直变形是指井筒在竖向方向因下沉不均匀所引起的长度变化，单位mm/m。垂直变形是导致井壁破坏的主要因素，另外还会对罐道、排水及压风管道产生影响，而竖井的均匀下沉则对井筒危害性很小。由于井筒要通过多个岩层，各岩层的物理力学性质不同，开采对井筒不同位置的影响也有所差异。井壁竖向受压破坏，基本出现在围岩软弱层或断层破碎带位置[2]。

斗米山井筒由于受过多次开采扰动，且位于开采煤柱的一侧，故开采不宜影响井筒标高+23～-60 m的地层破碎带，并应按照“先远后近、先易后难”的顺序开采。根据国内外井筒煤柱开采经验，井筒比普通建筑物具有承受更大开采变形的能力，当开采的煤层单一，结构稳定，工作面布置比较规整时，开采对井筒的影响较有规律，有利于井筒维修和保护[3-4]。

另外，该公司自上世纪七十年代起，长期研究并成功实施了湘黔铁路娄邵支线及跨线立交桥、办公楼、大会堂、学校、地方粮油仓库等建筑物密集区下压煤开采，“三下”采煤和井筒加固维修经验丰富，技术上可以保障井筒安全运行。 3 采煤方法及安全措施 3.1 开采方案设计

由于煤层赋存条件、小煤窑采空区和井筒落底标高的，采区只能布置在井底车场的东南侧，可采标高+10～-50 m，资源储量约7.1万t，其中采区下标高-50

m距离井筒最近58 m，上标高+10 m距离井筒最近134 m。考虑到井筒在标高+23～-60 m穿过地层破碎带，为避免开采扰动破碎带引起井筒大变形，采区下标高-50 m距井筒较近的区域不宜开采[5]，具体见图3、图4。 图3 开采煤层与井筒位置关系图

通过计算对比长壁垮落开采、常规条带开采、小块段条式开采等多种开采方案，最终确定采用小块段条式开采，小块段开采曾成功应用于该地区立交桥下采煤，保护建(构)筑物效果很好。小块段条式开采，就是在走向条带直接开采的基础上增加留设小块段煤柱，其中采出条带的走向长度控制在40 m以内，倾向宽度控制在10 m以内，保留条带的倾向宽度不小于4 m，小块段煤柱的尺寸不小于5 m×5 m[6-7]，具体见图4。 图4 采区划分及小块段布置图

开采范围以标高±0 m为上限，标高-50 m为下限，标高+10～±0 m作为区间安全煤柱，可采出煤量约为3.36万t，采出率约为47%。采区划分为A、B、C三个块段，先采标高±0～-20 m的A块段，后采标高-20～-50 m的B、C块段，B、C块段采用同时对称开采[8-9]。 3.2 安全技术措施

为保障矿井生产和井筒安全，采前必须成立专项检查和测量维修小组，每大班必须检查维护井筒；提升时执行限速规定：提人最大速度4.0 m/s，提物最大速度5.68 m/s；设计避灾路线并组织教育演练；工作面保持连续推进，不得长期停顿，减少临时开采边界，避免产生变形叠加影响[10-11]。 4 采动影响分析

根据本矿区实测的岩层移动参数，预计开采对井筒的影响情况详见表1。

预计井筒最大下沉172 mm，最大倾斜2.68 mm/m，最大竖向压缩1.4 mm/m，最大水平移动138 mm，最大水平拉伸1.77 mm/m，最大水平压缩0.82 mm/m。

井筒最大偏移约159 mm，位于标高+180～+120 m区域，而在标高+23～-60m地层破碎带，井筒基本不受开采影响。

表1 预计井筒最大移动与变形值位置表井深/m井筒标高/m下沉/mm倾斜/(mm/m)垂直变形/(mm/m)水平移动/mm水平拉伸/(mm/m)水平压缩/(mm/m)井口+2601681.09—103—-0.8220+2301721.450.2118—-0.6570+1901582.40-0.61380.66—100+1601302.68-1.11281.43—130+130902.47-1.4991.77—230以下+23～-606—————

整体来看，开采主要影响井筒标高+130 m以上部位，井筒水平方向产生的变形值很小，井壁基本可以吸收，竖直方向只要保持巡检观测，简单维修即可保持井筒安全运行。井口地表倾斜只有1.00 mm/m，井架与绞车需要调整的变形量极小，在煤柱开采过程中，整个提升系统可以保持安全运行[12]。 5 结 论

小块段条式采煤法，能够有效立井煤柱资源，且井筒在开采过程中基本无需维修可以保持安全运行，该方法地质条件适用范围广、生产布置灵活、开采扰动小，对于闭坑井筒的煤柱回收以及复杂条件下的“三下”开采具有指导意义。 参考文献：

【相关文献】

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[3] 刘明.工业广场煤柱开采对井筒影响分析[J].矿山测量,2016,44(4):81-84.

[4] 魏跃东.荆各庄矿工业场地煤柱开采对井筒变形影响研究[J].煤炭技术,2014,33(12):37-39. [5] 高均海,乃勤,王遗南.双曲分布函数地表移动与变形预计[J].矿山测量,2014(5):60-62.

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[12] 孟凡森,孔素丽,高金辉.立井变形测量及损害原因分析[J].水力采煤与管道运输,2013(1):69-71.