平煤四礦新建井筒抗變形技術研究＊

歐陽廣斌滕永海易四海

(1.中國礦業大學安全工程學院,江蘇省徐州市,221008;2.平頂山天安煤業股份有限公司,河南省平頂山市,467000;3.煤炭科學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研究＊

歐陽廣斌1,2滕永海3易四海3

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

采用數值模擬方法,分析了平煤四礦新建進風井、回風井井筒在小保護煤柱條件下的采動受力、變形規律;研究了新建井筒的抗變形技術,包括整體規劃、柔性措施和剛性措施。實踐證明,新建井筒在小煤柱保護條件下,采用抗變形技術措施取得了良好的技術、經濟效果。

井筒支護 小保護煤柱 柔性支護 剛性支護

平煤四礦是一座年產300萬t的大型現代化礦井。于1955年11月開始興建,1958年8月投產。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械化采煤,全部陷落法管理頂板。礦井目前生產水平為一、二水平,現正在向深部三水平延伸。由于三水平埋深深、地壓高、瓦斯濃度大、距離遠,利用原有生產系統通風將十分困難(現有一、二水平兩個通風系統均為負壓4000 Pa以上的高阻力通風系統),為有效解決礦井深部通風難題,決定在三水平深部新建1對進、回風井。然而,由于新建進、回風井的深度均在千米以上,若按正常設計,新建進、回風井壓煤量將達2092.7萬t。如此巨大的井筒壓煤量,不僅嚴重影響采區工作面的布置和礦井生產的接替,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發展。

為此,研究提出對新建井筒采用小保護煤柱和抗變形技術對井筒進行保護。

1 新建井筒小保護煤柱的留設

平煤四礦新建進、回風井位于三水平中部偏下,進風井深1146 m,井筒直徑6.5 m,考慮留設小煤柱后,受采動影響可能導致井筒變形,井筒不進行永久裝備安裝,保留施工時臨時安裝的柔性罐道提升設備,做為三水平安全出口及臨時輔助提升系統。回風井井深1067 m,井筒直徑6.0 m,作為回風專用井,井口設風機房,安裝兩臺主通風機及配套設施。

新建進、回風井筒分別穿過丁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、砂質泥巖和炭質泥巖等組成,基巖直接出露,整個覆巖巖性以中硬為主。為解放井筒保護煤柱煤炭資源,在充分研究國內外井筒保護煤柱留設及開采和井筒變形破壞規律的基礎上,結合數值模擬和實驗室試驗,決定對新建進、回風井筒采用小煤柱保護和抗變形設計。經論證計算,丁組煤在井筒周圍留設445 m×600 m的保護煤柱,戊組煤在井筒周圍留設465 m×600 m的保護煤柱,己組煤在井筒周圍留設505 m×600 m的保護煤柱。圖1為井筒小保護煤柱留設示意圖。

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

圖1 新建井筒小保護煤柱留設示意圖

2 小保護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保護煤柱,今后將不可避免地受到井下的采動影響。采用數值計算方法模擬了井筒在采用小保護煤柱條件下,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,引起了采場周圍應力重新分布,采空區上方為低于原始應力的卸壓區,靠近采空區兩側煤體或煤柱上出現了比原始應力大得多的集中應力,稱之為支撐壓力區。采場周圍應力的重新分布,必然引起巖層內部能量積聚,當這種能量積聚到一定程度,必然要通過一定的路徑轉移和釋放,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以采空區為中心,以直接頂、底板巖層及煤壁為起始點向四周擴展并逐漸減弱和消失。采動引起的覆巖內部下沉的分布特點是距采空區的距離越近,下沉量越大,而向水平方向波及影響的范圍越小;距采空區的距離越遠,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以上高度增加而更多地發展到支撐壓力區,由老頂至地表,各巖層的下沉盆地逐漸加寬而變平。

數值計算結果表明,處于小煤柱保護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措施

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

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。新建井筒抗變形結構技術措施包括整體規劃、柔性措施和剛性措施。

3.1 整體規劃

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

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》,參考平頂山礦區的實測巖移參數,平煤四礦巖層邊界角取55°,井筒維護帶寬度取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,井筒采用剛柔結合的綜合性抗變形結構措施,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構措施。

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,易出現豎向受壓破壞。為此,應根據井壁圍巖的特性,對可能出現應力集中的軟弱巖層處設置可縮層井壁。

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,進風井共計設置了19道可縮層,回風井共計設置了17道可縮層。同時由于在圍巖軟弱層處,圍巖受采動影響,橫向容易出現較大膨脹或流動,在可縮層與巖體之間要預留不小于300mm的間隙,以防止水平側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構,混凝土強度等級為 C40,井壁厚度為600mm;在井筒深度830 m以下,井壁采用混凝土結構,混凝土強度等級仍為C40,井壁厚度仍為600mm。

由于新建井筒采用小煤柱保護,在丁組煤、戊組煤、己組煤的馬頭門處地壓和應力將比較大,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,混凝土標號不小于C40,支護厚度不小于500mm。

同時,對地面井架、絞車房、風機房、風道等建(構)筑物及絞車、風機等設備,也要根據地表的移動變形值,采取相應的抗變形結構技術措施,以確保其正常安全使用。

3.4 技術效果

平煤四礦進、回風井井筒已分別于2008年4月、2010年8月竣工。新風井建設以來,先后在風井附近開采了丁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采出煤炭資源91.5萬t,取得了十分顯著的經濟效益和社會效益。

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

4 結論

(1)數值計算結果表明,在小煤柱保護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、抗變形結構技術措施包括整體規劃、柔性措施和剛性措施,剛柔結合用于吸收和抵抗巖層的移動與變形,達到了保護井筒的目的。

[1]滕永海,衛修君,郭軻軼等.新建風井留設小保護煤柱與抗變形技術的研究[J].選煤技術,2006(s1)

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

[3]煤炭科學研究總院北京開采所.煤礦地表移動與覆巖破壞規律及其應用[M].北京:煤炭工業出版社,1986

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

[5]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京:煤炭工業出版社,2000

[6]呂泰和.井筒與工業廣場煤柱開采[M].北京:煤炭工業出版社,1990

(責任編輯 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

國家自然科學基金項目(51074089)。

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