關(guān)于召開第六屆山西省煤炭總工程師論壇暨山西省煤炭安全綠色智能開采論壇的通知

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。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，并遵循長探短掘的原則；若掘到距煤層5m處時(shí)超前探測仍沒有發(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。

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(gè)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(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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