山 西 省 煤 炭
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论文题目 大同矿区井筒穿越采空区施工技术研究
申报学科组煤炭技术工程与矿山工程 学科组代码 13
作者姓名 张学峰 职称 高级工程师 年龄41
工作单位 （详细）同煤集团生产技术部 职务副总工程师
通讯地址 同煤集团生产技术部开拓 邮编037003
联系电话 0352-7868360
推荐单位 大同煤矿集团公司
2011 年12月 20 日
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表一 论文摘要（由作者本人填写） 本文根据大同矿区煤层开采的实际状况，结合同忻矿北一风井穿越采空区的工程实例，采用数值模拟和实践探索相结合的分析方法，对井筒穿越采空区的理论技术作了有益的探讨，并提出了井筒穿越采空区时，应遵循的一些主要原则。
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表二 申报单位初评意
申报单位负责人签字 申报单位盖章 年 月 日 |
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表三 省学会评委会专家意见
审阅人签字 年 月 日 |
大同矿区井筒穿越采空区施工技术研究
张学峰1,2
( 1.中国矿业大学，江苏 徐州 221008；2 大同煤矿集团公司，山西 大同 037003)
摘要：本文根据大同矿区煤层开采的实际状况，结合同忻矿北一风井穿越采空区的工程实例，采用数值模拟和实践探索相结合的分析方法，对井筒穿越采空区的理论技术作了有益的探讨，并提出了井筒穿越采空区时，应遵循的一些主要原则。
关键词：大同矿区 井筒 采空区
1 引言
大同煤田是侏罗纪和石炭二叠纪煤系均赋存的双系煤田。长期以来，大同煤矿集团公司所属煤矿以及矿区内各小煤矿所开采的煤层均属侏罗纪煤层。目前，大同矿区侏罗纪可采煤层绝大部分已被开采，矿井开采陆续向深部石炭二叠纪煤系转移。
立井是矿山地下工程与地面联络的咽喉要道，是矿山建设的首建重大工程，所以立井井筒的稳定性是安全生产的前提，立井井筒工程是矿井建设的关键工程。由于矿区内遍布着不同规模、不同形态的采空区，加之区内地形条件复杂，可供布置石炭二叠纪煤层开发所需井筒的位置十分有限，因此，井筒穿越采空区实属难免。
同忻矿北一回风立井井筒净直径为φ6.0m，垂深380m，井筒位置存在8#煤层和11#煤层采空区，8#煤层平均煤厚1.5m，垂深为98.5m；11#煤层平均煤厚6.64m，垂深为148m。该区侏罗系岩性以中砂岩、粗砂岩为主，二叠系以灰白色砂岩、砂质泥岩组成石炭系岩性以粗、细碎屑岩为主。
2 采空区探测
采空区探测主要分为遥感、物探、钻探以及综合法等方法。大同矿区井筒延伸宜采用的采空区探测方法为混合探测法，即：根据区域开采历史记录的详细调查，结合所掌握的地质资料推算，拟布置井筒区域的采空区分布概况，采用超前钻探的方法对采空区状况进行精确探测。
超前探测按方案1与方案2进行，探眼深度均不小于4m。方案1探眼外斜向下，4个边孔可紧贴井壁；方案2探眼垂直向下，4个边孔距离井壁150mm。超前探测钻眼布置如图1a和图1b所示（其中1#点按90度垂直向下布置）。
图1a 井筒超前探测采空区钻眼布置方案1
图1b 井筒超前探测采空区钻眼布置方案2
钻机的固定方法：在钻架的四个底角分别用两根树脂锚杆固定，每稳一次钻，需用8根树脂锚杆，每打一个探眼需稳一次钻，共用树脂锚杆64根，每根锚杆带一根树脂。锚杆规格：φ18×1700㎜，树脂规格：φ35×350㎜。
3 采空区处理
3.1采空区岩层移动破坏对井筒稳定性的影响
采空区对井筒围岩应力及变形分布的影响十分复杂，这种影响的剧烈程度，与采空区特征、岩层力学性质特征及其分布特征等因素有关。
本文根据同忻矿北一回风立井井筒的围岩地质条件，对采空区与井筒稳定性的相关性进行了模拟分析。其结果见图2所示。
图2中，UX表示距离采空区煤壁边缘某处纵向各岩层的水平位移。如UX50表示实体煤中距离煤壁边缘50m处纵向各岩层的水平位移曲线。UX-50表示采空区中距离煤壁边缘50m处纵向各岩层的水平位移曲线。
b—采空区中
图2 不同位置水平位移沿深度分布规律
分析表明，距离采空区边界越近的区域，受采空区影响越剧烈。从图2可以看出，实体煤中0-15m的范围以及采空区中0-25m的范围水平位移较大，是采空区影响最为剧烈的范围。因此，井筒布置应尽量避开此区域。
3.2 采空区处理范围的确定
理论上讲，对采空区的处理范围越大，越有利于井筒稳定性的保持，但同时带来的工程量、工程费用会越大，所需工期也会越长。因此，确定采空区处理的合理范围，是安全、高效、快速、合理地进行此项工作的前提。
为搞清采空区处理范围不同时，对井筒稳定性影响的差异，本文结合同忻矿北一回风井的实际情况，运用Ansys软件，建立了数值计算模型。
模拟空间为：水平宽度160m，其中实体煤部分80m，采空区部分80m；竖直高度150m（包含8#、11#煤层采空区）。其中8#采空区高1.5m，11#采空区高6m，11#采空区距离模型底面30m。
模型共划分199211个单元，设置200586个节点。模型中井筒直径为6.5m，井壁厚度为0.6m。井壁与围岩粘结式接触，井筒中心距离采空区边界80m（远离采空区边界，无力学效应的不对称性）。顶板岩层已发生垮落，但岩层移动尚未稳定。
边界条件：模型底部边界条件为铅垂方向0位移约束，井筒内壁为自由边界，其他各侧面边界条件为水平方向0位移约束；模型施加重力载荷，上边界无约束、无载荷作用。
分别模拟了采空区充填0m、10m、15m、20m、25m、30m时井壁应力分布状况，其结果如下图3和图4。
图3a—纵向应力
图3b—剪应力
图3 井壁应力与8#层采空区充填范围的关系图
图4a—纵向应力
图b—剪应力
图4 井壁应力与11#层采空区充填范围的关系图
由图3和图4可知，采空区无充填时，井壁应力曲线与有充填时的曲线在采空区附近及距离地表30-60m的区间相分离相分离，采空区有明显的纵向附加应力，最大纵向应力达25MPa，远远高于采空区处理后的8MPa。也就是说通过对采空区的适当处理可以消除这种纵向附加应力的影响。
采空区充填范围在10m到30m不等时，井壁应力曲线基本重合。说明采空区充填范围大于10m后，井壁应力分布差别不大，采空区对井壁应力分布的影响主要表现在采空区附近。
因此，井筒穿越的采空区应进行充填处理，充填范围以15～25m为宜。
3.3采空区合理填充物力学特性的分析
不同力学性能的充填物对采空区井筒井壁稳定性的影响不同。为了掌握选择合理的充填物，本文分别就弹性模量为5000MPa、10000MPa和15000MPa的三种充填材料处理采空区时井壁的应力分布状况进行数值模拟分析。其结果如图5所示。
图5a—纵向应力分布
图5b—剪应力分布
图5 采空区充填物不同性能时井壁应力分布图
通过模拟知，采空区充填物力学性能不同时，井壁纵向应变、纵向应力、剪应变以及剪应力的分布曲线也不同。
1）采空区充填物的弹性模量为5000MPa时，井壁纵向应力曲线在采空区附近区域有明显纵向附加应力现象，变化幅度近1.0MPa；
2）采空区充填物的弹性模量为10000MPa～15000MPa时，井壁纵向应力变曲线变化平稳，采空区附近区域无明显纵向附加应力现象。
3）采空区充填物的弹性模量为5000MPa时，井壁纵剪力曲线在采空区附近区比采空区充填物的弹性模量为10000MPa～15000MPa时稍大，差值约0.1MPa。
因此，采空区充填物的力学性质应与采空区顶、底板岩层力学性质接近，通常以单轴抗压强度30MPa，弹性模量15000MPa为宜。
4 井筒过穿采空区施工技术措施
1）掘至距煤层10m时，布置常规超前探眼进行探测，并遵循长探短掘的原则；若掘到距煤层5m处时超前探测仍没有发现异常情况，则需再增加8个紧贴井壁外斜45°的向下钻孔进行探测。
2）钻孔探见采空区后就停止钻进，测量温度、CO、CH4等，在气体等不超标的情况下，施工下一个钻孔，打完一排孔后，并开始注浆。
3）探测钻孔直径为φ155mm，数量及长度视情形而定，钻孔的数量和长度不但要探清采空区范围，而且要满足采空区处理范围的充填注浆要求，长度一般不小于10m。注浆泵放在地面,注浆压力8~10MPa，注浆程度控制注浆必须以返出浆为宜。
4）采用单液浆和混凝土注浆充填；单液浆水灰配比为水：水泥=1.5：1；混凝土的强度等级为C25，混凝土配比为水泥：水：砂：石子：外加剂 =1：0.65：2.87：3.48：0.05。
5）注浆结束后，钻打验证孔验证采空区充填加固效果，验证孔参数同注浆孔，确认采空区注浆充填密实后再进行井筒施工。
6）掘进作业方式采用掘砌混合作业施工方式，两掘一砌，永久支护前进行锚喷临时支护，并将壁后充填密实。
7）距采空区5m掘进时放小炮，距采空区3m以内时全部用风镐掘进，不放炮，并采用超前支护,先小断面揭露,后刷大成巷的施工方法。
5 结语
通过对同忻矿北一风井过采空区施工技术的探讨,可得出井筒穿越采空区时，应遵循以下主要原则：
①井筒布置应尽量避开采空区边界效应明显区；
②对井筒穿越的采空区应进行充填处理，充填范围以15～25m为宜；
③采空区充填物的力学性质应与采空区顶、底板岩层力学性质接近，通常以单轴抗压强度30MPa、弹性模量15000MPa为宜。
作者简介
张学峰，（1970.11～），男，山西大同人，高级工程师，现担任大同煤矿集团公司生产技术部副主任工程师，一直致力于煤矿生产技术管理工作。
参考文献
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