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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