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，但同時帶來的工程量、工程費(fèi)用會越大，所需工期也會越長。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，對井筒穩(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個單元，設(shè)置200586個節(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)的不對稱性）。頂板巖層已發(fā)生垮落，但巖層移動尚未穩(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，井壁應(yīng)力曲線與有充填時的曲線在采空區(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，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，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，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，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，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，布置常規(guī)超前探眼進(jìn)行探測，并遵循長探短掘的原則；若掘到距煤層5m處時超前探測仍沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，則需再增加8個緊貼井壁外斜45°的向下鉆孔進(jìn)行探測。

2）鉆孔探見采空區(qū)后就停止鉆進(jìn)，測量溫度、CO、CH4等，在氣體等不超標(biāo)的情況下，施工下一個鉆孔，打完一排孔后，并開始注漿。

3）探測鉆孔直徑為φ155mm，數(shù)量及長度視情形而定，鉆孔的數(shù)量和長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)行錨噴臨時支護(hù)，并將壁后充填密實(shí)。

7）距采空區(qū)5m掘進(jìn)時放小炮，距采空區(qū)3m以內(nèi)時全部用風(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，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。

 

作者簡介

     張學(xué)峰，（1970.11～），男，山西大同人，高級工程師，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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