不同側(cè)壓系數(shù)對(duì)立井穿煤層井筒圍巖穩(wěn)定性影響分析

張 東 訾亞楠 史 鑫

（1.彬縣水簾洞煤炭有限責(zé)任公司，陜西 彬州 713500；2.霍州煤電集團(tuán)沁安煤電有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

在淺部煤炭資源日益殆盡的背景下，越來(lái)越多的礦井開(kāi)始向深部發(fā)展，而立井開(kāi)拓作為其中主要的開(kāi)采方式，未來(lái)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展十分重要。立井施工不僅受到地質(zhì)條件的限制，而且其工作場(chǎng)所狹窄、施工條件較差等因素使得相關(guān)研究必不可少。

本次研究的中峪煤礦為霍州煤電集團(tuán)規(guī)劃設(shè)計(jì)的主力礦井，其副井建設(shè)過(guò)程中開(kāi)鑿深度大且同時(shí)需要穿過(guò)1 號(hào)煤層、2 號(hào)煤層。立井掘進(jìn)過(guò)程中穿煤層期間，由于卸壓等因素導(dǎo)致兩煤層的力學(xué)特性與其他巖層存在一定的梯度差，井筒圍巖變形呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，因此需要進(jìn)行專題研究與分析。

1 試驗(yàn)井筒基本情況

1.1 基本情況

該煤礦地理位置處于山西省長(zhǎng)治市沁源縣地界內(nèi)，是山西省的中心位置，其南北縱向長(zhǎng)達(dá)16 km，東西橫向?qū)挒?5 km。本次研究的立井為工業(yè)廣場(chǎng)位置的副立井。地層平均厚度約為33 m，煤層3～6 層，厚度約為2.26～6.01 m 之間，均厚4.5 m。開(kāi)采煤層情況見(jiàn)表1。

表1 開(kāi)采煤層情況

該井筒井壁的部分參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 井壁部分參數(shù)

1.2 圍巖物理力學(xué)特性測(cè)試

通過(guò)巷道掘進(jìn)過(guò)程中及鄰近礦井開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)巖體，然后對(duì)試件進(jìn)行加工，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)分析各巖層力學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)方法分別為巴西劈裂法、單軸抗壓試驗(yàn)以及變角剪切試驗(yàn)。

1.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

本次試驗(yàn)主要測(cè)試的巖層為1 號(hào)和2 號(hào)煤層相鄰區(qū)域的22 層巖層，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 煤層及頂?shù)装鍘r層測(cè)試結(jié)果

2 煤層圍巖變形模擬分析

通過(guò)使用FLAC3D軟件，分析不同側(cè)壓系數(shù)下煤礦副井穿煤層圍巖的變形特點(diǎn)，并找出側(cè)壓系數(shù)對(duì)塑性區(qū)發(fā)展的影響機(jī)理[1-6]。

2.1 試驗(yàn)方案及模型參數(shù)

本次模擬模型的建立是通過(guò)對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中煤層開(kāi)鑿以及巖體支護(hù)等過(guò)程的模擬，建立模型尺寸為102 m×102 m×90.8 m。此外，因?yàn)槊簩勇裆钶^大，所以對(duì)于地表影響較低，可不予考慮。劃分模型網(wǎng)格內(nèi)圈較細(xì)，外圈逐漸增大。

模型采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，能較好地反映材料在彈塑性階段的受力變形特征，且針對(duì)大模型有較高的計(jì)算效率。構(gòu)建模型示意如圖1。

圖1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格示意

地應(yīng)力是漫長(zhǎng)地質(zhì)時(shí)期形成的巖體內(nèi)生應(yīng)力，成因復(fù)雜，影響因素眾多，是影響深井巷道圍巖穩(wěn)定性的重要因素之。大量的針對(duì)性研究與測(cè)試表明：中峪煤礦所在區(qū)域的地應(yīng)力隨著深度的變化呈現(xiàn)不同的規(guī)律[7]，參考前期霍州礦區(qū)地應(yīng)力參數(shù)尤其是側(cè)壓系數(shù)的變化特點(diǎn)，本次模擬側(cè)壓系數(shù)分別為1.0、1.1、1.3、1.5 時(shí)，井筒穿煤層期間的應(yīng)力、變形及塑性區(qū)發(fā)育特征。

2.2 不同側(cè)壓系數(shù)的影響分析[8-10]

（1）井筒位移變形統(tǒng)計(jì)

在不同數(shù)值的側(cè)壓系數(shù)下，得到了不同的井筒穿煤層位置的應(yīng)力分布，且煤層最大變形量位于煤層周圍，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 煤層最大變形量統(tǒng)計(jì) mm

通過(guò)軟件模擬結(jié)果可以得出：隨著側(cè)壓系數(shù)的逐漸增大，煤層的最大變形量也有不同程度的增加，尤其是軟弱巖層周圍，變形量增加的同時(shí)以?shī)A層現(xiàn)象出現(xiàn)。如圖2。

圖2 井筒最大變形量

表5 最大應(yīng)力分布統(tǒng)計(jì) MPa

圖3 井筒最大應(yīng)力值

（3）塑性區(qū)發(fā)育特性

從軟件結(jié)果分析來(lái)看，煤層周圍的圍巖塑性區(qū)發(fā)育最為明顯，隨著側(cè)壓系數(shù)的升高，煤層塑性區(qū)也有不同程度的增加，如圖4，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 塑性區(qū)發(fā)育程度 m

圖4 井筒塑性區(qū)最大發(fā)育深度

2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工方案改進(jìn)

模擬結(jié)果表明：設(shè)計(jì)層段的井筒雙層鋼筋混凝土（厚度850 mm）可以滿足現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)實(shí)際需求，2煤和1 煤位置的最大應(yīng)力和變形量分別控制在43.7 MPa（40.1 MPa）、156.7 mm（146.2 mm）內(nèi)，但塑性區(qū)發(fā)育最大可達(dá)到5.5 m（5.1 m），對(duì)井筒的長(zhǎng)期穩(wěn)定性會(huì)造成影響。因此，設(shè)計(jì)采用超細(xì)水泥漿（水泥比表面積≥800 m2/kg）對(duì)穿層段煤巖層進(jìn)行加固，按照1.40 的安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，2 煤和1煤位置的注漿深度分別不小于7.70 m、7.14 m。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)FLAC3D軟件測(cè)試，采用了四個(gè)不同數(shù)值的側(cè)壓系數(shù)，其分別為1.0、1.1、1.3、1.5。在不同側(cè)壓系數(shù)下，煤層圍巖的應(yīng)力、變形以及塑性區(qū)呈夾層分布，同時(shí)該部位也是井筒開(kāi)拓支護(hù)難點(diǎn)。

（2）通過(guò)對(duì)模擬的分析可以得出：

① 煤層最大變形量。隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，1 號(hào)煤層和2 號(hào)煤層處的變形量也隨之增加，1 號(hào)煤層由75.1 mm 增加至145.2 mm，2 號(hào)煤層由76.3 mm 增加至156.7 mm，增加幅度分別為94.7%與105.4%，因此側(cè)壓系數(shù)對(duì)于井筒最大變形量控制效果較為顯著。

② 煤層最大應(yīng)力。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)升高時(shí)，1 號(hào)煤井圍巖最大應(yīng)力從25.1 MPa 增至40.1 MPa，2 號(hào)煤井圍巖最大應(yīng)力由26.6 MPa 增加至43.7 MPa，增加幅度分別達(dá)到59.8%、64.3%，控制效果明顯，且最大變形量出現(xiàn)在煤層附近。

③ 塑性區(qū)最大發(fā)育深度。隨著側(cè)壓系數(shù)的升高，1 號(hào)煤層附近圍巖的塑性區(qū)發(fā)育深度由2.3 m 增至5.1 m 左右，增加幅度約為142.9%；2 號(hào)煤層附近圍巖的塑性區(qū)發(fā)育深度自2.5 m 逐漸增加到5.5 m左右，增加幅度約為120.0%?？梢缘贸觯簜?cè)壓系數(shù)越低，則煤層井筒圍巖的穩(wěn)定性越高，開(kāi)采難度適當(dāng)降低，控制效果增強(qiáng)，塑性區(qū)發(fā)育減弱。

（3）模擬分析發(fā)現(xiàn)：設(shè)計(jì)的穿層段井筒雙層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（厚度850 mm）可滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，但為防止塑性區(qū)發(fā)育過(guò)大影響井筒長(zhǎng)期穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)采用超細(xì)水泥漿對(duì)穿層段進(jìn)行加固，2 煤和1 煤位置的注漿深度分別不小于7.70 m、7.14 m。