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正高級工程師
山 西 省 煤 炭
優(yōu) 秀 學 術(shù) 論 文 評 審 表
論文題目 大同礦區(qū)井筒穿越采空區(qū)施工技術(shù)研究
申報學科組煤炭技術(shù)工程與礦山工程 學科組代碼 13
作者姓名 張學峰 職稱 高級工程師 年齡41
工作單位 （詳細）同煤集團生產(chǎn)技術(shù)部 職務副總工程師
通訊地址 同煤集團生產(chǎn)技術(shù)部開拓 郵編037003
聯(lián)系電話 0352-7868360
推薦單位 大同煤礦集團公司
2011 年12月 20 日
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表一 論文摘要（由作者本人填寫） 本文根據(jù)大同礦區(qū)煤層開采的實際狀況，結(jié)合同忻礦北一風井穿越采空區(qū)的工程實例，采用數(shù)值模擬和實踐探索相結(jié)合的分析方法，對井筒穿越采空區(qū)的理論技術(shù)作了有益的探討，并提出了井筒穿越采空區(qū)時，應遵循的一些主要原則。
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表二 申報單位初評意
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表三 省學會評委會專家意見
審閱人簽字 年 月 日 |
大同礦區(qū)井筒穿越采空區(qū)施工技術(shù)研究
張學峰1,2
( 1.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221008；2 大同煤礦集團公司，山西 大同 037003)
摘要：本文根據(jù)大同礦區(qū)煤層開采的實際狀況，結(jié)合同忻礦北一風井穿越采空區(qū)的工程實例，采用數(shù)值模擬和實踐探索相結(jié)合的分析方法，對井筒穿越采空區(qū)的理論技術(shù)作了有益的探討，并提出了井筒穿越采空區(qū)時，應遵循的一些主要原則。
關(guān)鍵詞：大同礦區(qū) 井筒 采空區(qū)
1 引言
大同煤田是侏羅紀和石炭二疊紀煤系均賦存的雙系煤田。長期以來，大同煤礦集團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煤層。目前，大同礦區(qū)侏羅紀可采煤層絕大部分已被開采，礦井開采陸續(xù)向深部石炭二疊紀煤系轉(zhuǎn)移。
立井是礦山地下工程與地面聯(lián)絡的咽喉要道，是礦山建設的首建重大工程，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)地形條件復雜，可供布置石炭二疊紀煤層開發(fā)所需井筒的位置十分有限，因此，井筒穿越采空區(qū)實屬難免。
同忻礦北一回風立井井筒凈直徑為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、細碎屑巖為主。
2 采空區(qū)探測
采空區(qū)探測主要分為遙感、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)探測方法為混合探測法，即：根據(jù)區(qū)域開采歷史記錄的詳細調(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采空區(qū)狀況進行精確探測。
超前探測按方案1與方案2進行，探眼深度均不小于4m。方案1探眼外斜向下，4個邊孔可緊貼井壁；方案2探眼垂直向下，4個邊孔距離井壁150mm。超前探測鉆眼布置如圖1a和圖1b所示（其中1#點按90度垂直向下布置）。
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圖1a 井筒超前探測采空區(qū)鉆眼布置方案1
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圖1b 井筒超前探測采空區(qū)鉆眼布置方案2
鉆機的固定方法：在鉆架的四個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)巖層移動破壞對井筒穩(wěn)定性的影響
采空區(qū)對井筒圍巖應力及變形分布的影響十分復雜，這種影響的劇烈程度，與采空區(qū)特征、巖層力學性質(zhì)特征及其分布特征等因素有關(guān)。
本文根據(jù)同忻礦北一回風立井井筒的圍巖地質(zhì)條件，對采空區(qū)與井筒穩(wěn)定性的相關(guān)性進行了模擬分析。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。
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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、合理地進行此項工作的前提。
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)合同忻礦北一回風井的實際情況，運用Ansys軟件，建立了數(shù)值計算模型。
模擬空間為：水平寬度160m，其中實體煤部分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，設置200586個節(jié)點。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（遠離采空區(qū)邊界，無力學效應的不對稱性）。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時井壁應力分布狀況，其結(jié)果如下圖3和圖4。
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圖3a—縱向應力
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圖3b—剪應力
圖3 井壁應力與8#層采空區(qū)充填范圍的關(guān)系圖
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圖4a—縱向應力
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圖b—剪應力
圖4 井壁應力與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力，最大縱向應力達25MPa，遠遠高于采空區(qū)處理后的8MPa。也就是說通過對采空區(qū)的適當處理可以消除這種縱向附加應力的影響。
采空區(qū)充填范圍在10m到30m不等時，井壁應力曲線基本重合。說明采空區(qū)充填范圍大于10m后，井壁應力分布差別不大，采空區(qū)對井壁應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)應進行充填處理，充填范圍以15～25m為宜。
3.3采空區(qū)合理填充物力學特性的分析
不同力學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)時井壁的應力分布狀況進行數(shù)值模擬分析。其結(jié)果如圖5所示。
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圖5a—縱向應力分布
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圖5b—剪應力分布
圖5 采空區(qū)充填物不同性能時井壁應力分布圖
通過模擬知，采空區(qū)充填物力學性能不同時，井壁縱向應變、縱向應力、剪應變以及剪應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，井壁縱向應力曲線在采空區(qū)附近區(qū)域有明顯縱向附加應力現(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)充填物的力學性質(zhì)應與采空區(qū)頂、底板巖層力學性質(zhì)接近，通常以單軸抗壓強度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°的向下鉆孔進行探測。
2）鉆孔探見采空區(qū)后就停止鉆進，測量溫度、CO、CH4等，在氣體等不超標的情況下，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，鉆打驗證孔驗證采空區(qū)充填加固效果，驗證孔參數(shù)同注漿孔，確認采空區(qū)注漿充填密實后再進行井筒施工。
6）掘進作業(yè)方式采用掘砌混合作業(yè)施工方式，兩掘一砌，永久支護前進行錨噴臨時支護，并將壁后充填密實。
7）距采空區(qū)5m掘進時放小炮，距采空區(qū)3m以內(nèi)時全部用風鎬掘進，不放炮，并采用超前支護,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，應遵循以下主要原則：
①井筒布置應盡量避開采空區(qū)邊界效應明顯區(qū)；
②對井筒穿越的采空區(qū)應進行充填處理，充填范圍以15～25m為宜；
③采空區(qū)充填物的力學性質(zhì)應與采空區(qū)頂、底板巖層力學性質(zhì)接近，通常以單軸抗壓強度30MPa、彈性模量15000MPa為宜。
作者簡介
張學峰，（1970.11～），男，山西大同人，高級工程師，現(xiàn)擔任大同煤礦集團公司生產(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。
參考文獻
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