井筒施工中采空區合理充填參數的確定

楊雙鎖王愛國孫 淼武 劍

(1.太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024; 2.同煤集團技術中心,山西省大同市,037000)

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井筒施工中采空區合理充填參數的確定

楊雙鎖1王愛國2孫 淼1武 劍1

(1.太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024; 2.同煤集團技術中心,山西省大同市,037000)

對井筒穿越采空區時的充填范圍和充填材料力學參數的合理確定等理論技術問題進行了探討。給出了采空區擾動的邊界效應概念,揭示了采空區導致的巖層移動變形的特征規律。認為:大同礦區條件下采空區的合理充填范圍以15～25 m為宜;采空區充填物的力學性質應與采空區頂、底板巖層力學性質接近,通常以單軸抗壓強度20 MPa、彈性模量15000 MPa為宜。

井筒 穿越采空區 采空區處理 充填范圍 參數

AbstractThis paper discusses the theoretical and technical questions concerning the determination of gob filling scope and determination of the rational mechanical parameters of gob filling material when gob filling becomes necessary when mineshaft penetrates coal mine gob area.The concept of gob boundary effect is put forward in this paper,and the regularity of deformation of rock stratum resulting from gob is discussed.It is also proposed in this paper that under the actual conditions in Datong coal mine area,gob filling scope should be in the range of 15 m to 25 m and the mechanical character of gob filling material should be similar to that of the roof and floor rock strata,i.e.its single-axle compressive resistance should be 20 MPa and its elastic modulus should be 15000 MPa.

Key wordsmineshaft,gob area penetration,gob treatment,filling scope,parameter

近年來,隨著淺部可開發煤炭資源的不斷減少,深部煤炭資源的開采已成為今后我國煤炭開采的重要對象。而許多地區深部煤層的開發,面臨著淺部煤層采空區的影響,并帶來了一系列理論和技術問題。對于大同礦區來說,侏羅紀和石炭二疊紀雙系煤田與國內其它礦區所賦存的單系煤層相比有其特殊性,隨著上部侏羅紀煤層儲量的減少,開發下部石炭二疊紀煤層時,井筒穿越采空區施工的局面不可避免,目前,該領域還沒有成熟的理論技術體系,尤其是采空區充填的相關理論研究還很缺乏。本文就井筒穿越采空區時,采空區充填范圍和充填材料力學參數的合理確定問題進行探討。

1 采空區力學效應分析

1.1 采空區圍巖結構特征

采空區的圍巖結構特征可由長壁采場的“三帶”和“三區”來概括。“三帶”即垂直方向的冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶;“三區”即層理方向的煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區。井筒穿過采空區不同的“三帶”時,其穩定性所受的影響也不盡相同;井筒處在采空區中不同的“三區”位置時,其經受的變形破壞過程也具有很大區別。

1.2 采空區力學效應分析

采用數值模擬方法對大同同忻礦井筒所處區域的采空區力學效應進行了研究。巖層分布及其力學參數如表1和表2所示。

表1 大同同忻礦巖層分布

表2 模型材料主要力學參數

圖1 幾何模型

數值模型如圖1所示。模型長150 m,其中,實體煤部分80 m,采空區部分70 m,模型高度150 m,模型中包含8#煤層采空區。采空區采高1.5 m。

邊界條件:模型底部為鉛垂方向0位移約束,兩側為水平方向0位移約束;模型施加重力載荷,上邊界無約束、無載荷作用,巖層材料為非線性大變形模式。

部分模擬結果如圖2～圖4所示。圖中,UX為水平位移,U Y為鉛垂位移,SX為水平正應力, SY為鉛垂正應力,SXY為剪應力。橫坐標為到模型左邊界的距離。

圖2為沿頂板下層面路徑上的位移分布曲線。最大水平位移為13 cm,發生在進入采空區內2 m的位置;最大鉛垂位移為22 cm,發生在進入采空區內70 m的位置。

圖3為沿頂板下層面路徑上的應力分布曲線。各應力分量均在采空區邊界處劇烈變化,最大鉛垂應力接近60 MPa。

圖4為煤層上方10 m沿水平方向路徑上的應力分布。各應力分量的變化趨勢同圖3,但劇烈程度明顯降低。

結合其它結果綜合分析,實體煤內部15 m至采空區內部25 m的范圍內對應的巖層水平位移較明顯。模型中最大水平位移發生在采空區上方的巖層,最大水平位移量達25 cm,最大水平位移點和煤壁的連線與水平線夾角約70°。垂直位移在進入采空區內25 m后達到最大值 (約1.3 m),并趨于穩定。

水平應力分布存在明顯的拉應力區,最大值發生在與煤壁水平距離5～15 m區域內的實體煤上方各巖層的頂部。鉛垂應力均為壓應力,煤壁處應力集中現象明顯,達到自重應力的3倍以上。采空區圍巖中存在著明顯的剪應力,而且分布不均勻,煤壁附近區域剪應力值最大,達15 MPa以上。

綜合分析應力、位移特征可知,采空區與實體煤交接的區域,應力和位移變化劇烈,絕對值也較大。距離采空區較遠 (50 m)的區域,應力和位移變化比較平緩,但存在支承壓力集中現象 (最大縱向應力達15 MPa,高于自重應力約9 MPa)。距離采空區30 m處與50 m處相比,應力、位移及支承壓力集中 (最大縱向應力達19 MPa,高于自重應力約13 MPa)現象更明顯。距離采空區20 m處最大縱向應力達26 MPa,高于自重應力約20 MPa,即應力集中系數達4以上。距離采空區10m處最大縱向應力達34 MPa,高于自重應力約28 MPa,即應力集中系數達5以上。采空區邊界處最大縱向應力達60 MPa以上,高于自重應力約55 MPa,即應力集中系數達10以上。

進入采空區10 m處,縱向位移在采空區對應高度出現臺階狀變化,三個應力分量均出現較大幅度的變化,尤其是水平拉應力明顯增加。進入采空區20 m處,縱向位移在采空區對應高度出現臺階狀變化,三個應力分量均出現較大幅度的變化,水平正應力和剪應力變化明顯增強,采空區上方約15 m處剪應力和水平應力出現峰值。進入采空區50 m處,各應力分量、位移分量趨于穩定。

采空區頂板下層面縱向位移在采空區邊界對應區域出現鋸齒狀變化,實體煤對應區域基本恒定,采空區遠離邊界區域縱向位移達到最大值。水平應力和剪應力在采空區邊界區域略有波動,其余部分均勻分布;鉛垂應力在緊鄰采空區邊界的煤體中有明顯的應力集中現象,進入采空區后有減壓區存在。

采空區上方10 m層位的縱向位移在實體煤對應區域基本恒定,進入采空區后急劇增大。水平應力和剪應力在采空區邊界區有明顯波動;鉛垂應力在緊鄰采空區邊界的煤體中有明顯的應力集中現象,進入采空區后有明顯的減壓區存在。

采空區上方20 m層位的縱向位移在實體煤對應區域基本恒定,進入采空區后急劇增大。水平應力和剪應力在采空區邊界區有明顯波動,且水平應力在采空區邊界兩側也分別有增壓區、減壓區存在;鉛垂應力在緊鄰采空區邊界的煤體中有明顯的應力集中現象,進入采空區后有減壓區存在。

綜上分析,采空區對巖層的擾動具有邊界效應特征,即在采空區與實體煤交界處的區域內,巖層應力變化和位移變化劇烈,處在此區域的井筒穩定性將會受到最劇烈的影響。

2 充填范圍及充填參數的確定

如何對采空區進行合理處理,涉及井筒穿越巖層的力學分析、充填材料選擇、施工工藝的優化等內容。

2.1 不同充填范圍力學效應分析

以下分別對采空區處理范圍為0 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m時的模型進行數值模擬,并進行對比分析。充填物單軸抗壓強度取20 MPa,彈性模量取15000 MPa。

分析模型如圖5所示,井筒直徑為6.5 m,井壁厚度為0.6 m。井壁與圍巖粘結式接觸,井筒中心距離采空區邊界80 m(遠離采空區邊界,無力學效應的不對稱性)。

圖5 1/4幾何模型及單元劃分

邊界條件:模型底部為鉛垂方向0位移約束,井筒內壁為自由邊界,其他各側邊界為水平方向0位移約束;模型施加重力載荷,上邊界無約束、無載荷作用,巖層材料為非線性大變形模式。

數值模擬部分結果見圖6～圖8所示。圖中橫坐標為井筒高度上某一點到模型底部的距離。

圖6 不同充填范圍時井壁縱向應變分布

圖6為不同采空區充填范圍條件下井壁縱向應變沿深度的分布曲線。采空區無充填時,在采空區附近及距離地表30～60 m區間,井壁縱向應變曲線與有充填時的曲線明顯分離,而采空區充填范圍在10～30 m范圍時,井壁縱向應變曲線基本重合,說明采空區充填范圍大于10 m后,井壁縱向變形差別不大。

圖7為采空區不同充填條件下,井壁剪應力曲線。各曲線在采空區附近及距離地表30～60 m的區間相分離,而采空區充填范圍在10～30 m時,井壁剪應力曲線基本重合。

圖7 不同充填范圍時井壁剪應力分布

圖8為不同采空區充填范圍條件下井壁縱向應力分布曲線,與圖6所示的縱向應變曲線特征相似。采空區不處理時縱向附加應力現象明顯:最大縱向應力達15 MPa,明顯高于采空區處理后的4 MPa。

圖8 不同充填范圍時井壁縱向應力分布

綜合分析認為,井筒穿越采空區時應進行充填處理,充填范圍以15～25 m為宜。

2.2 不同充填材料參數力學效應分析

為了掌握采用具有不同力學性能的充填物對采空區進行處理后的巖層力學響應特征,包括應力分布特征、變形分布特征以及位移分布特征,以掌握采用不同充填物處理采空區時對井筒穩定性的影響,以下對不同力學性能的充填材料處理采空區的力學效應進行模擬分析,充填范圍20 m。

模型的幾何特征、采空區狀況、離散情況等見圖5。部分模擬結果見圖9和圖10。

采空區充填物的彈性模量為5000 MPa時,井壁縱向應變在采空區附近區域有明顯突變現象,變化幅度近1000μ ε;采空區充填物的彈性模量為10000～15000 MPa時,井壁縱向應變變化平緩,采空區附近區域無明顯突變現象。

采空區充填物的彈性模量為5000 MPa時,在采空區附近區域井壁有明顯的縱向附加應力,變化幅度近 1.0 MPa;采空區充填物的彈性模量為10000～15000 MPa時,井壁縱向應力變化平緩,采空區附近區域無明顯縱向附加應力。

在采空區附近區域,充填物的彈性模量為5000 MPa時,井壁中的剪應力和剪應變比充填物的彈性模量為10000 MPa～15000 MPa時稍大。

綜合分析認為,采空區充填物的力學性質應與采空區頂、底板巖層力學性質接近,通常以彈性模量15000 MPa為宜。

3 結論

綜合以上關于采空區對巖層移動變形的影響、采空區對井筒力學效應的影響以及不同充填條件下巖層及井筒力學效應的分析可得如下主要結論。

(1)采空區對巖層的力學擾動存在明顯的邊界效應特征,即在煤體與采空區交界處一定范圍內的應力場、位移場與原巖中明顯不同。因此,井筒應盡量布置在采空區邊界效應明顯區之外。

(2)對井筒穿越的采空區應進行充填處理,充填范圍以15～25 m為宜。

(3)采空區充填物的力學性質應與采空區頂、底板巖層力學性質接近,通常以彈性模量15000 MPa為宜。

(責任編輯 張毅玲)

Determination of reasonable gob filling parameters during mineshaft construction

Yang Shuangsuo1,Wang Aiguo2,Sun Miao1,Wu Jian1
(1.College of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi province 030024,China; 2.Technology Center,Datong Coal Mine Group Co Ltd,Datong,Shanxi province 037000,China)

TD 262.6

A

楊雙鎖 (1963-),男,山西省洪洞縣人。太原理工大學博士,教授。長期從事煤礦開采及巖石力學與工程領域的教學及科研工作。