煤礦礦井井筒穿越采空區的治理方法

李 實

(煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030001)

1 工程概況

某礦井位于山西省懷仁縣、左云縣交界處，占地17 km2。該礦井生產建設管理經驗豐富，在規模、資產及技術方面有較強的綜合實力，為簡化工藝環節，力求以最少的工程量增加、盡可能低的建設投資和短期的工期，在少影響或不影響現有生產的前提下對礦井各個環節能力進行優化改造。

礦井環節能力改造后采用斜井開拓方式，新建主井、副井及風井場地。其中新建的緩坡副斜井傾角7°，斜長1 182.39 m(其中含50 m平段)，凈寬5.6 m，凈斷面20.72 m2，擔負礦井含人員運輸在內的全部輔助運輸任務，兼作礦井進風井及安全出口。根據勘察資料顯示，副斜井井筒需要穿越煤層采空區，為保證副斜井井筒的安全，研究副斜井井筒在煤層采空區地段的治理至關重要，這也是本文研究的核心問題。

2 地層情況

勘察資料顯示，井筒最深至石炭系中統本溪組與太原組底界面附近，即井筒處于石炭系中統本溪組至地表的第四系地層之間。擬建井筒穿越地層由老到新為：石炭系、二疊系、侏羅系及新生界第四系。井筒穿越的煤層采空區主要為位于3號煤層以下10 m～30 m、太原組中上方的5號煤層，該煤層屬穩定型煤層，平均厚度10 m，該煤層具有層位穩定，復雜結構、大厚度的特點，其頂板、底板及夾矸主要成分為砂質泥巖、粉砂巖與高嶺質泥巖。

現場勘察顯示：上述區域巖體完整性遭到破壞，主要表現為巖塊呈碎石狀、層間結合程度不高、圍巖穩定性差強人意，采空區正是導致上述現象發生的元兇。這樣的地質條件下建設井筒極易出現塌陷現象，為工程質量、作業人員安全造成極大隱患。

3 井筒對采空區地段圍巖變形的影響及采空區危害性評價

采空區地段圍巖的類型分兩大類，一類為以泥巖、粉砂巖為代表的軟弱層狀結構；另一類則是以采空區塌陷冒落區為代表的散體結構巖體。這兩類圍巖的主要變形破壞形式包括膨脹內鼓、重力坍塌與塑性擠出。井筒建設將對采空區地段圍巖的穩定性產生不利影響，影響方式與采空區和井筒的上下相對位置有關，若井筒高于采空區，煤層的開采會導致采空區覆巖垮落；若井筒低于采空區，煤層的開采可能使地板產生裂縫、裂隙。

根據勘察資料，本地段采空區變形尚未結束，井筒在開挖過程中，極易塌陷，因此，本地段采空區必須進行治理。

4 井筒穿越采空區時的處理原則

4.1 根據煤層的賦存條件采用相應的處理措施

受煤層的厚度、傾角以及傾向的影響，采空區位于井筒斷面內的位置不同，井筒建設對圍巖穩定性的影響程度、影響方式亦有不同，故有必要根據煤層的賦存條件及采空區的狀態采用對應處理措施。

4.2 根據井筒開挖應力重新分布提出處理方法

井筒周邊巖體的應力狀態受到井筒開挖的影響，若圍巖某處巖體強度不足以抵抗井筒圍巖壓力，井筒周邊的部分巖體便可能發生松動,并發展成為塑性區。為防止隧道因發生大變形而破壞，有必要對塑性區內的圍巖加強支護。因此，確定塑性區的范圍至關重要。塑性區范圍的確定主要有現場量測和經驗公式兩大類，塑性區半徑R0可通過下式計算。

(1)

式中：a——井筒開挖半徑，m；

p——原巖體應力，kPa；

pi——支護對井筒圍巖反力，kPa；

c——井筒圍巖的粘聚力，kPa；

φ——井筒圍巖內摩擦角，(°)。

4.3 適當加大預留量

由于煤層較軟，煤采出后的煤系地層可能出現較大變形。因此，在井筒斷面設計時，應適當增加預留量[3,4]。

5 井筒穿越采空區的治理方法

5.1 采空區位于井筒底板以下

若采空區位于井筒底板以下且未在井筒斷面內出露，但距井筒底部較近，可在井筒內鉆孔注入水泥砂漿，提高采空區原充填料的強度，以防止井筒下沉。

在工程中，使用閥管雙液壓力注漿法對采空區進行加固。注漿孔孔徑65 mm，孔間距1.2 m，孔深根據采空區埋深確定。采用水泥漿水玻璃混合雙液灌注，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.9，水玻璃模數為3.2，濃度為40°Be。水泥漿與水玻璃體積比為1.3∶1。注漿壓力控制在0.6 MPa～1.0 MPa。注漿量根據地層變化及現場確定。單孔每米注入量不少于400 kg。

5.2 采空區位于井筒洞身上方

當采空區位于洞身上方，特別是近水平、緩傾斜的采空區且距井筒頂部較近時，可采用U型鋼棚支撐加強支護。本工程煤層頂板主要為泥巖、砂巖，平均重度22.0 kN/m3，綜合內摩擦角60°，設計井筒的開挖半徑為2.8 m，井筒的最大埋深為130 m。根據本文式(1)可求得井筒的塑性區半徑R0=2.4 m；井筒上的均布荷載最大值可根據式(2)計算，為618.2 kPa。

(2)

式中：γ——巖體的重度,kN/m3；

H——上覆巖層的厚度，m；

a——井筒的開挖半徑，m；

λ——側壓力系數；

θ——滑面摩擦角，(°)。

對于井筒開挖引起的塑性變形，設計采用錨桿、錨索加固，其中錨桿采用φ22×2 400 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，每根錨桿配一支CK2335型超快速藥卷、一支K2360型快速藥卷，錨桿托板選用拱形預應力鐵托板，托板規格為100 mm×100 mm×16 mm；錨索采用17.8×7 300 mm鋼絞線，間排距為2 000 mm×2 400 mm，每根錨索配一支CK2335型超快速藥卷、兩支K2360型快速藥卷，錨索托板采用300 mm×300 mm×16 mm的方形鐵托板，施工時錨索須錨至頂板穩定巖層中，其長度應根據頂板巖層情況合理調整。

采用29U型鋼支護抵抗巖體作用在井筒上的荷載，U型鋼底部使用尺寸為200 mm×200 mm×8 mm×12 mm的H型鋼與其焊接，二者水平間距800 mm。井筒筒壁噴射200 mm厚的C20混凝土面層，混凝土面層內鋪設由直徑為8 mm的鋼筋加工而成的雙層鋼筋網片，網格間距為100 mm×100 mm，兩網片之間搭接長度不小于100 mm，采用雙股16號鐵絲連接。

6 結語

本文聯系工程實際，闡明了采空區對井筒建設影響的類型和機理，從井筒和采空區的相對位置出發對井筒穿越采空區的處理方法做出具體闡述，主要結論如下：

1)若井筒的位置高于采空區，煤層的開采會導致采空區覆巖垮落；若井筒位置低于采空區，煤層的開采可能使地板產生裂縫、裂隙；

2)討論了井筒建設遭遇采空區時的處理原則,即治理采空區、支護和加大預留量；

3)闡明井筒建設遭遇采空區時的處理方法。采空區和井筒的相對位置不同，采空區治理方式亦有不同。當采空區低于井筒時可采取注漿的方式處理采空區；當采空區高于井筒時可采用U型鋼棚支撐加強支護。