歐陽廣斌滕永海易四海

(1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008;2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司,河南省平頂山市,467000;3.煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院,河北省唐山市,063012)

平煤四礦新建井筒抗變形技術(shù)研究＊

歐陽廣斌1,2滕永海3易四海3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇省徐州市,221008;2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司,河南省平頂山市,467000;3.煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院,河北省唐山市,063012)

采用數(shù)值模擬方法,分析了平煤四礦新建進(jìn)風(fēng)井、回風(fēng)井井筒在小保護(hù)煤柱條件下的采動受力、變形規(guī)律;研究了新建井筒的抗變形技術(shù),包括整體規(guī)劃、柔性措施和剛性措施。實踐證明,新建井筒在小煤柱保護(hù)條件下,采用抗變形技術(shù)措施取得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果。

井筒支護(hù) 小保護(hù)煤柱 柔性支護(hù) 剛性支護(hù)

平煤四礦是一座年產(chǎn)300萬t的大型現(xiàn)代化礦井。于1955年11月開始興建,1958年8月投產(chǎn)。井田走向長2～4.2 km,傾向長約5.5 km,面積19 km2,主采煤層共3組8層,為中厚及厚煤層,采煤方法均為走向長壁綜合機(jī)械化采煤,全部陷落法管理頂板。礦井目前生產(chǎn)水平為一、二水平,現(xiàn)正在向深部三水平延伸。由于三水平埋深深、地壓高、瓦斯?jié)舛却?、距離遠(yuǎn),利用原有生產(chǎn)系統(tǒng)通風(fēng)將十分困難(現(xiàn)有一、二水平兩個通風(fēng)系統(tǒng)均為負(fù)壓4000 Pa以上的高阻力通風(fēng)系統(tǒng)),為有效解決礦井深部通風(fēng)難題,決定在三水平深部新建1對進(jìn)、回風(fēng)井。然而,由于新建進(jìn)、回風(fēng)井的深度均在千米以上,若按正常設(shè)計,新建進(jìn)、回風(fēng)井壓煤量將達(dá)2092.7萬t。如此巨大的井筒壓煤量,不僅嚴(yán)重影響采區(qū)工作面的布置和礦井生產(chǎn)的接替,而且也造成了煤炭資源的損失,在很大程度上制約了礦井的可持續(xù)發(fā)展。

為此,研究提出對新建井筒采用小保護(hù)煤柱和抗變形技術(shù)對井筒進(jìn)行保護(hù)。

1 新建井筒小保護(hù)煤柱的留設(shè)

平煤四礦新建進(jìn)、回風(fēng)井位于三水平中部偏下,進(jìn)風(fēng)井深1146 m,井筒直徑6.5 m,考慮留設(shè)小煤柱后,受采動影響可能導(dǎo)致井筒變形,井筒不進(jìn)行永久裝備安裝,保留施工時臨時安裝的柔性罐道提升設(shè)備,做為三水平安全出口及臨時輔助提升系統(tǒng)。回風(fēng)井井深1067 m,井筒直徑6.0 m,作為回風(fēng)專用井,井口設(shè)風(fēng)機(jī)房,安裝兩臺主通風(fēng)機(jī)及配套設(shè)施。

新建進(jìn)、回風(fēng)井筒分別穿過丁5、6、戊8、戊9、10、己15、己16、17等三組八層煤 , 煤層累計厚度14.86 m,煤層傾角平均9°。煤系地層巖層主要由礫巖、砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖等組成,基巖直接出露,整個覆巖巖性以中硬為主。為解放井筒保護(hù)煤柱煤炭資源,在充分研究國內(nèi)外井筒保護(hù)煤柱留設(shè)及開采和井筒變形破壞規(guī)律的基礎(chǔ)上,結(jié)合數(shù)值模擬和實驗室試驗,決定對新建進(jìn)、回風(fēng)井筒采用小煤柱保護(hù)和抗變形設(shè)計。經(jīng)論證計算,丁組煤在井筒周圍留設(shè)445 m×600 m的保護(hù)煤柱,戊組煤在井筒周圍留設(shè)465 m×600 m的保護(hù)煤柱,己組煤在井筒周圍留設(shè)505 m×600 m的保護(hù)煤柱。圖1為井筒小保護(hù)煤柱留設(shè)示意圖。

采用小保護(hù)煤柱后,新建進(jìn)、回風(fēng)井筒僅壓煤577.4萬t(其中新增壓煤343.7萬t,原下山保護(hù)煤柱和礦井邊界煤柱233.7萬t),解放井筒壓煤達(dá)1515.3萬 t。

圖1 新建井筒小保護(hù)煤柱留設(shè)示意圖

2 小保護(hù)煤柱條件下井筒受力與變形分析

新建井筒若不按正常留設(shè)保護(hù)煤柱,今后將不可避免地受到井下的采動影響。采用數(shù)值計算方法模擬了井筒在采用小保護(hù)煤柱條件下,煤層開采后巖層剖面上的豎直受力和變形情況。通過模擬結(jié)果分析,由于煤層的開采,破壞了覆巖原有的平衡條件,引起了采場周圍應(yīng)力重新分布,采空區(qū)上方為低于原始應(yīng)力的卸壓區(qū),靠近采空區(qū)兩側(cè)煤體或煤柱上出現(xiàn)了比原始應(yīng)力大得多的集中應(yīng)力,稱之為支撐壓力區(qū)。采場周圍應(yīng)力的重新分布,必然引起巖層內(nèi)部能量積聚,當(dāng)這種能量積聚到一定程度,必然要通過一定的路徑轉(zhuǎn)移和釋放,移動和變形是巖層釋放能量的最直接方法。采動影響在豎直剖面上的分布狀況是呈現(xiàn)以采空區(qū)為中心,以直接頂、底板巖層及煤壁為起始點(diǎn)向四周擴(kuò)展并逐漸減弱和消失。采動引起的覆巖內(nèi)部下沉的分布特點(diǎn)是距采空區(qū)的距離越近,下沉量越大,而向水平方向波及影響的范圍越小;距采空區(qū)的距離越遠(yuǎn),下沉量越小,而向水平方向波及影響的范圍越大,即巖層采動影響范圍隨著在采空區(qū)以上高度增加而更多地發(fā)展到支撐壓力區(qū),由老頂至地表,各巖層的下沉盆地逐漸加寬而變平。

數(shù)值計算結(jié)果表明,處于小煤柱保護(hù)的井筒位于支撐壓力帶,其上段水平方向拉伸豎向壓縮,其下段雙向壓縮。井壁受采動影響主要產(chǎn)生豎向壓縮變形,豎向壓縮變形主要集中在井壁上部分,其采動影響深度由巖層邊界角確定。

3 新建井筒抗變形技術(shù)措施

現(xiàn)場調(diào)研和實驗室研究表明,井筒受采動影響而發(fā)生變形破壞的主要原因:一是井筒作為一個整體結(jié)構(gòu)在周邊圍巖受采動影響而發(fā)生應(yīng)力重新分布過程中受擠壓、拉伸時,因井壁自身強(qiáng)度不夠而發(fā)生破壞;二是受采動影響后上覆各巖層在縱向?qū)a(chǎn)生擾動和位移,在時間和空間上又是一個逐漸演變的過程,一般井筒結(jié)構(gòu)大多采用混凝土逐段澆筑而成,整體呈剛性而不可縮,這就導(dǎo)致井壁與基巖變形不一致而在井壁與基巖接觸面上發(fā)生相對位移,從而產(chǎn)生巨大的剪切力導(dǎo)致井壁破壞。

基于上述分析,為保證新建井筒受采動影響后仍能滿足使用要求,必須提前采取抗變形技術(shù)措施,盡最大可能使井筒與圍巖在采動影響時位移和變形保持一致。新建井筒抗變形結(jié)構(gòu)技術(shù)措施包括整體規(guī)劃、柔性措施和剛性措施。

3.1 整體規(guī)劃

經(jīng)理論計算,小保護(hù)煤柱條件下井筒地表最終下沉值達(dá)2322mm。為確保井筒的正常安全使用,井筒結(jié)構(gòu)必須能夠吸收采動變形。為此,將受采動影響的井壁段設(shè)計成多段整體可縮結(jié)構(gòu),在井筒過煤層或軟弱巖層處對應(yīng)設(shè)置可縮層,同時將各分段井壁采取一定技術(shù)措施提高其剛度和強(qiáng)度,以使井壁與圍巖的緩沖、變形特性相一致。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》,參考平頂山礦區(qū)的實測巖移參數(shù),平煤四礦巖層邊界角取55°,井筒維護(hù)帶寬度取20 m,計算求得井筒采動影響深度為788.3 m。為安全起見,井筒采動影響深度確定為830 m,即:從地表到丁組煤穿過井筒的位置,見圖2。在井筒深度830 m以上,井筒采用剛?cè)峤Y(jié)合的綜合性抗變形結(jié)構(gòu)措施,在井筒深度830 m以下,基本不受采動影響,井筒只需采用一定的抗變形結(jié)構(gòu)措施。

圖2 井筒采動影響深度計算示意圖

3.2 柔性措施

柔性措施主要是對新建井筒在煤層、巖層軟弱位置加設(shè)可縮性井壁,從而吸收豎直方向的壓縮變形,保證井筒的正常安全使用。

開采實踐表明,凡是在煤層、斷層帶、泥巖等軟弱巖層通過井筒處,易出現(xiàn)豎向受壓破壞。為此,應(yīng)根據(jù)井壁圍巖的特性,對可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的軟弱巖層處設(shè)置可縮層井壁。

平煤四礦新建井筒分別在己組煤、己戊組煤之間,戊組煤、丁組煤、丁丙組煤之間,丙組煤及上方每隔50～60 m軟巖位置設(shè)置一道可縮層?？煽s層采用梯形橡膠磚,每道可縮層厚800mm。其中,進(jìn)風(fēng)井共計設(shè)置了19道可縮層,回風(fēng)井共計設(shè)置了17道可縮層。同時由于在圍巖軟弱層處,圍巖受采動影響,橫向容易出現(xiàn)較大膨脹或流動,在可縮層與巖體之間要預(yù)留不小于300mm的間隙,以防止水平側(cè)壓力對井筒可縮層的擠壓。

3.3 剛性措施

剛性措施主要是增加井壁的剛度,以防止井筒水平斷面的改變和豎向壓縮破壞。主要措施包括:在井筒深度830 m以上,井壁采用雙層配筋混凝土結(jié)構(gòu),混凝土強(qiáng)度等級為 C40,井壁厚度為600mm;在井筒深度830 m以下,井壁采用混凝土結(jié)構(gòu),混凝土強(qiáng)度等級仍為C40,井壁厚度仍為600mm。

由于新建井筒采用小煤柱保護(hù),在丁組煤、戊組煤、己組煤的馬頭門處地壓和應(yīng)力將比較大,為確保井筒出口的安全,要求對馬頭門采用鋼筋混凝土支護(hù),混凝土標(biāo)號不小于C40,支護(hù)厚度不小于500mm。

同時,對地面井架、絞車房、風(fēng)機(jī)房、風(fēng)道等建(構(gòu))筑物及絞車、風(fēng)機(jī)等設(shè)備,也要根據(jù)地表的移動變形值,采取相應(yīng)的抗變形結(jié)構(gòu)技術(shù)措施,以確保其正常安全使用。

3.4 技術(shù)效果

平煤四礦進(jìn)、回風(fēng)井井筒已分別于2008年4月、2010年8月竣工。新風(fēng)井建設(shè)以來,先后在風(fēng)井附近開采了丁56-19190、丁56-32060、丁56-21130、丁56-21090、戊8-19190、戊8-22230等6個工作面(見圖1),累計從原井筒煤柱內(nèi)采出煤炭資源91.5萬t,取得了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

由于采取了有效的抗變形技術(shù)措施,井筒未出現(xiàn)明顯變形和任何破壞,一直保持正常安全使用。

4 結(jié)論

(1)數(shù)值計算結(jié)果表明,在小煤柱保護(hù)條件下井壁主要受豎向壓縮變形,該變形主要集中在井壁上部分,其采動影響深度由巖層邊界角確定。

(2)對平煤四礦新建井筒采取的抗變形技術(shù)、抗變形結(jié)構(gòu)技術(shù)措施包括整體規(guī)劃、柔性措施和剛性措施,剛?cè)峤Y(jié)合用于吸收和抵抗巖層的移動與變形,達(dá)到了保護(hù)井筒的目的。

[1]滕永海,衛(wèi)修君,郭軻軼等.新建風(fēng)井留設(shè)小保護(hù)煤柱與抗變形技術(shù)的研究[J].選煤技術(shù),2006(s1)

[2]何國清,楊倫,凌賡娣等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1991

[3]煤炭科學(xué)研究總院北京開采所.煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1986

[4]周國銓,崔繼憲,劉廣容等.建筑物下采煤[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1983

[5]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000

[6]呂泰和.井筒與工業(yè)廣場煤柱開采[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1990

(責(zé)任編輯 張毅玲)

Study on anti-deformation technology of new shaft in the 4th Colliery of Pingdingshan Coal Mining Group

Ouyang Guangbin1,2,Teng Yonghai3,Yi Sihai3
(1.College of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China;2.Pingdingshan Tianan Coal Mining Co.,Ltd,Pingdingshan,Henan 467000,China;3.Tangshan Branch of China coal Research Institute,Tangshan,Hebei 063012,China)

Combined with two cases of new-built intake and return-air shaft with anti-deformation technology used in the 4th colliery of Pingdingshan coalmining group,force and deformation law of new shaft protected by coal pillar of small size is analyzed by numerical simulation.The anti-deformation technology of new shaft is studied,and comprehensive planning,flexible and rigid measures used to absorb and resist strata deformation are included.It is stated bymining practice that good technical and economical effects on new shaft protected by coal pillar of small size with anti-deformation are achieved.

shaft support,coal pillar of small size,flexible support,rigid bracing

TD321

B

國家自然科學(xué)基金項目(51074089)。

歐陽廣斌(1965-),男,重慶秀山人,高級工程師,現(xiàn)任平煤集團(tuán)公司總工辦主任,中國礦業(yè)大學(xué)在讀研究生,主要從事采礦方面的管理和技術(shù)研究工作。