1 引言
大同煤田是侏羅紀(jì)和石炭二疊紀(jì)煤系均賦存的雙系煤田。長(zhǎng)期以來，大同煤礦集團(tuán)公司所屬煤礦以及礦區(qū)內(nèi)各小煤礦所開采的煤層均屬侏羅紀(jì)煤層。目前，大同礦區(qū)侏羅紀(jì)可采煤層絕大部分已被開采，礦井開采陸續(xù)向深部石炭二疊紀(jì)煤系轉(zhuǎn)移。
立井是礦山地下工程與地面聯(lián)絡(luò)的咽喉要道，是礦山建設(shè)的首建重大工程，所以立井井筒的穩(wěn)定性是安全生產(chǎn)的前提，立井井筒工程是礦井建設(shè)的關(guān)鍵工程。由于礦區(qū)內(nèi)遍布著不同規(guī)模、不同形態(tài)的采空區(qū)，加之區(qū)內(nèi)地形條件復(fù)雜，可供布置石炭二疊紀(jì)煤層開發(fā)所需井筒的位置十分有限，因此，井筒穿越采空區(qū)實(shí)屬難免。
同忻礦北一回風(fēng)立井井筒凈直徑為φ6.0m，垂深380m，井筒位置存在8#煤層和11#煤層采空區(qū)，8#煤層平均煤厚1.5m，垂深為98.5m；11#煤層平均煤厚6.64m，垂深為148m。該區(qū)侏羅系巖性以中砂巖、粗砂巖為主，二疊系以灰白色砂巖、砂質(zhì)泥巖組成石炭系巖性以粗、細(xì)碎屑巖為主。
2 采空區(qū)探測(cè)
采空區(qū)探測(cè)主要分為遙感、物探、鉆探以及綜合法等方法。大同礦區(qū)井筒延伸宜采用的采空區(qū)探測(cè)方法為混合探測(cè)法，即：根據(jù)區(qū)域開采歷史記錄的詳細(xì)調(diào)查，結(jié)合所掌握的地質(zhì)資料推算，擬布置井筒區(qū)域的采空區(qū)分布概況，采用超前鉆探的方法對(duì)采空區(qū)狀況進(jìn)行精確探測(cè)。
超前探測(cè)按方案1與方案2進(jìn)行，探眼深度均不小于4m。方案1探眼外斜向下，4個(gè)邊孔可緊貼井壁；方案2探眼垂直向下，4個(gè)邊孔距離井壁150mm。超前探測(cè)鉆眼布置如圖1a和圖1b所示（其中1#點(diǎn)按90度垂直向下布置）。
圖1a 井筒超前探測(cè)采空區(qū)鉆眼布置方案1
圖1b 井筒超前探測(cè)采空區(qū)鉆眼布置方案2
鉆機(jī)的固定方法：在鉆架的四個(gè)底角分別用兩根樹脂錨桿固定，每穩(wěn)一次鉆，需用8根樹脂錨桿，每打一個(gè)探眼需穩(wěn)一次鉆，共用樹脂錨桿64根，每根錨桿帶一根樹脂。錨桿規(guī)格：φ18×1700㎜，樹脂規(guī)格：φ35×350㎜。
3 采空區(qū)處理
3.1采空區(qū)巖層移動(dòng)破壞對(duì)井筒穩(wěn)定性的影響
采空區(qū)對(duì)井筒圍巖應(yīng)力及變形分布的影響十分復(fù)雜，這種影響的劇烈程度，與采空區(qū)特征、巖層力學(xué)性質(zhì)特征及其分布特征等因素有關(guān)。
本文根據(jù)同忻礦北一回風(fēng)立井井筒的圍巖地質(zhì)條件，對(duì)采空區(qū)與井筒穩(wěn)定性的相關(guān)性進(jìn)行了模擬分析。其結(jié)果見圖2所示。
圖2中，UX表示距離采空區(qū)煤壁邊緣某處縱向各巖層的水平位移。如UX50表示實(shí)體煤中距離煤壁邊緣50m處縱向各巖層的水平位移曲線。UX-50表示采空區(qū)中距離煤壁邊緣50m處縱向各巖層的水平位移曲線。
b—采空區(qū)中
圖2 不同位置水平位移沿深度分布規(guī)律
分析表明，距離采空區(qū)邊界越近的區(qū)域，受采空區(qū)影響越劇烈。從圖2可以看出，實(shí)體煤中0-15m的范圍以及采空區(qū)中0-25m的范圍水平位移較大，是采空區(qū)影響最為劇烈的范圍。因此，井筒布置應(yīng)盡量避開此區(qū)域。
3.2 采空區(qū)處理范圍的確定
理論上講，對(duì)采空區(qū)的處理范圍越大，越有利于井筒穩(wěn)定性的保持，但同時(shí)帶來的工程量、工程費(fèi)用會(huì)越大，所需工期也會(huì)越長(zhǎng)。因此，確定采空區(qū)處理的合理范圍，是安全、高效、快速、合理地進(jìn)行此項(xiàng)工作的前提。
為搞清采空區(qū)處理范圍不同時(shí)，對(duì)井筒穩(wěn)定性影響的差異，本文結(jié)合同忻礦北一回風(fēng)井的實(shí)際情況，運(yùn)用Ansys軟件，建立了數(shù)值計(jì)算模型。
模擬空間為：水平寬度160m，其中實(shí)體煤部分80m，采空區(qū)部分80m；豎直高度150m（包含8#、11#煤層采空區(qū)）。其中8#采空區(qū)高1.5m，11#采空區(qū)高6m，11#采空區(qū)距離模型底面30m。
模型共劃分199211個(gè)單元，設(shè)置200586個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中井筒直徑為6.5m，井壁厚度為0.6m。井壁與圍巖粘結(jié)式接觸，井筒中心距離采空區(qū)邊界80m（遠(yuǎn)離采空區(qū)邊界，無力學(xué)效應(yīng)的不對(duì)稱性）。頂板巖層已發(fā)生垮落，但巖層移動(dòng)尚未穩(wěn)定。
邊界條件：模型底部邊界條件為鉛垂方向0位移約束，井筒內(nèi)壁為自由邊界，其他各側(cè)面邊界條件為水平方向0位移約束；模型施加重力載荷，上邊界無約束、無載荷作用。
分別模擬了采空區(qū)充填0m、10m、15m、20m、25m、30m時(shí)井壁應(yīng)力分布狀況，其結(jié)果如下圖3和圖4。
圖3a—縱向應(yīng)力
圖3b—剪應(yīng)力
圖3 井壁應(yīng)力與8#層采空區(qū)充填范圍的關(guān)系圖
圖4a—縱向應(yīng)力
圖b—剪應(yīng)力
圖4 井壁應(yīng)力與11#層采空區(qū)充填范圍的關(guān)系圖
由圖3和圖4可知，采空區(qū)無充填時(shí)，井壁應(yīng)力曲線與有充填時(shí)的曲線在采空區(qū)附近及距離地表30-60m的區(qū)間相分離相分離，采空區(qū)有明顯的縱向附加應(yīng)力，最大縱向應(yīng)力達(dá)25MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采空區(qū)處理后的8MPa。也就是說通過對(duì)采空區(qū)的適當(dāng)處理可以消除這種縱向附加應(yīng)力的影響。
采空區(qū)充填范圍在10m到30m不等時(shí)，井壁應(yīng)力曲線基本重合。說明采空區(qū)充填范圍大于10m后，井壁應(yīng)力分布差別不大，采空區(qū)對(duì)井壁應(yīng)力分布的影響主要表現(xiàn)在采空區(qū)附近。
因此，井筒穿越的采空區(qū)應(yīng)進(jìn)行充填處理，充填范圍以15～25m為宜。
3.3采空區(qū)合理填充物力學(xué)特性的分析
不同力學(xué)性能的充填物對(duì)采空區(qū)井筒井壁穩(wěn)定性的影響不同。為了掌握選擇合理的充填物，本文分別就彈性模量為5000MPa、10000MPa和15000MPa的三種充填材料處理采空區(qū)時(shí)井壁的應(yīng)力分布狀況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。其結(jié)果如圖5所示。
圖5a—縱向應(yīng)力分布
圖5b—剪應(yīng)力分布
圖5 采空區(qū)充填物不同性能時(shí)井壁應(yīng)力分布圖
通過模擬知，采空區(qū)充填物力學(xué)性能不同時(shí)，井壁縱向應(yīng)變、縱向應(yīng)力、剪應(yīng)變以及剪應(yīng)力的分布曲線也不同。
1）采空區(qū)充填物的彈性模量為5000MPa時(shí)，井壁縱向應(yīng)力曲線在采空區(qū)附近區(qū)域有明顯縱向附加應(yīng)力現(xiàn)象，變化幅度近1.0MPa；
2）采空區(qū)充填物的彈性模量為10000MPa～15000MPa時(shí)，井壁縱向應(yīng)力變曲線變化平穩(wěn)，采空區(qū)附近區(qū)域無明顯縱向附加應(yīng)力現(xiàn)象。
3）采空區(qū)充填物的彈性模量為5000MPa時(shí)，井壁縱剪力曲線在采空區(qū)附近區(qū)比采空區(qū)充填物的彈性模量為10000MPa～15000MPa時(shí)稍大，差值約0.1MPa。
因此，采空區(qū)充填物的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)與采空區(qū)頂、底板巖層力學(xué)性質(zhì)接近，通常以單軸抗壓強(qiáng)度30MPa，彈性模量15000MPa為宜。
4 井筒過穿采空區(qū)施工技術(shù)措施
1）掘至距煤層10m時(shí)，布置常規(guī)超前探眼進(jìn)行探測(cè)，并遵循長(zhǎng)探短掘的原則；若掘到距煤層5m處時(shí)超前探測(cè)仍沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，則需再增加8個(gè)緊貼井壁外斜45°的向下鉆孔進(jìn)行探測(cè)。
2）鉆孔探見采空區(qū)后就停止鉆進(jìn)，測(cè)量溫度、CO、CH4等，在氣體等不超標(biāo)的情況下，施工下一個(gè)鉆孔，打完一排孔后，并開始注漿。
3）探測(cè)鉆孔直徑為φ155mm，數(shù)量及長(zhǎng)度視情形而定，鉆孔的數(shù)量和長(zhǎng)度不但要探清采空區(qū)范圍，而且要滿足采空區(qū)處理范圍的充填注漿要求，長(zhǎng)度一般不小于10m。注漿泵放在地面,注漿壓力8~10MPa，注漿程度控制注漿必須以返出漿為宜。
4）采用單液漿和混凝土注漿充填；單液漿水灰配比為水：水泥=1.5：1；混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C25，混凝土配比為水泥：水：砂：石子：外加劑 =1：0.65：2.87：3.48：0.05。
5）注漿結(jié)束后，鉆打驗(yàn)證孔驗(yàn)證采空區(qū)充填加固效果，驗(yàn)證孔參數(shù)同注漿孔，確認(rèn)采空區(qū)注漿充填密實(shí)后再進(jìn)行井筒施工。
6）掘進(jìn)作業(yè)方式采用掘砌混合作業(yè)施工方式，兩掘一砌，永久支護(hù)前進(jìn)行錨噴臨時(shí)支護(hù)，并將壁后充填密實(shí)。
7）距采空區(qū)5m掘進(jìn)時(shí)放小炮，距采空區(qū)3m以內(nèi)時(shí)全部用風(fēng)鎬掘進(jìn)，不放炮，并采用超前支護(hù),先小斷面揭露,后刷大成巷的施工方法。
5 結(jié)語
通過對(duì)同忻礦北一風(fēng)井過采空區(qū)施工技術(shù)的探討,可得出井筒穿越采空區(qū)時(shí)，應(yīng)遵循以下主要原則：
①井筒布置應(yīng)盡量避開采空區(qū)邊界效應(yīng)明顯區(qū)；
②對(duì)井筒穿越的采空區(qū)應(yīng)進(jìn)行充填處理，充填范圍以15～25m為宜；
③采空區(qū)充填物的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)與采空區(qū)頂、底板巖層力學(xué)性質(zhì)接近，通常以單軸抗壓強(qiáng)度30MPa、彈性模量15000MPa為宜。
作者簡(jiǎn)介
張學(xué)峰，（1970.11～），男，山西大同人，高級(jí)工程師，現(xiàn)擔(dān)任大同煤礦集團(tuán)公司生產(chǎn)技術(shù)部副主任工程師，一直致力于煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。
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