平煤四矿新建井筒抗变形技术研究＊

欧阳广斌滕永海易四海

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221008;2.平顶山天安煤业股份有限公司,河南省平顶山市,467000;3.煤炭科学研究总院唐山研究院,河北省唐山市,063012)

平煤四矿新建井筒抗变形技术研究＊

欧阳广斌1,2滕永海3易四海3

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,221008;2.平顶山天安煤业股份有限公司,河南省平顶山市,467000;3.煤炭科学研究总院唐山研究院,河北省唐山市,063012)

采用数值模拟方法,分析了平煤四矿新建进风井、回风井井筒在小保护煤柱条件下的采动受力、变形规律;研究了新建井筒的抗变形技术,包括整体规划、柔性措施和刚性措施。实践证明,新建井筒在小煤柱保护条件下,采用抗变形技术措施取得了良好的技术、经济效果。

井筒支护 小保护煤柱 柔性支护 刚性支护

平煤四矿是一座年产300万t的大型现代化矿井。于1955年11月开始兴建,1958年8月投产。井田走向长2～4.2 km,倾向长约5.5 km,面积19 km2,主采煤层共3组8层,为中厚及厚煤层,采煤方法均为走向长壁综合机械化采煤,全部陷落法管理顶板。矿井目前生产水平为一、二水平,现正在向深部三水平延伸。由于三水平埋深深、地压高、瓦斯浓度大、距离远,利用原有生产系统通风将十分困难(现有一、二水平两个通风系统均为负压4000 Pa以上的高阻力通风系统),为有效解决矿井深部通风难题,决定在三水平深部新建1对进、回风井。然而,由于新建进、回风井的深度均在千米以上,若按正常设计,新建进、回风井压煤量将达2092.7万t。如此巨大的井筒压煤量,不仅严重影响采区工作面的布置和矿井生产的接替,而且也造成了煤炭资源的损失,在很大程度上制约了矿井的可持续发展。

为此,研究提出对新建井筒采用小保护煤柱和抗变形技术对井筒进行保护。

1 新建井筒小保护煤柱的留设

平煤四矿新建进、回风井位于三水平中部偏下,进风井深1146 m,井筒直径6.5 m,考虑留设小煤柱后,受采动影响可能导致井筒变形,井筒不进行永久装备安装,保留施工时临时安装的柔性罐道提升设备,做为三水平安全出口及临时辅助提升系统。回风井井深1067 m,井筒直径6.0 m,作为回风专用井,井口设风机房,安装两台主通风机及配套设施。

新建进、回风井筒分别穿过丁5、6、戊8、戊9、10、己15、己16、17等三组八层煤 , 煤层累计厚度14.86 m,煤层倾角平均9°。煤系地层岩层主要由砾岩、砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和炭质泥岩等组成,基岩直接出露,整个覆岩岩性以中硬为主。为解放井筒保护煤柱煤炭资源,在充分研究国内外井筒保护煤柱留设及开采和井筒变形破坏规律的基础上,结合数值模拟和实验室试验,决定对新建进、回风井筒采用小煤柱保护和抗变形设计。经论证计算,丁组煤在井筒周围留设445 m×600 m的保护煤柱,戊组煤在井筒周围留设465 m×600 m的保护煤柱,己组煤在井筒周围留设505 m×600 m的保护煤柱。图1为井筒小保护煤柱留设示意图。

采用小保护煤柱后,新建进、回风井筒仅压煤577.4万t(其中新增压煤343.7万t,原下山保护煤柱和矿井边界煤柱233.7万t),解放井筒压煤达1515.3万 t。

图1 新建井筒小保护煤柱留设示意图

2 小保护煤柱条件下井筒受力与变形分析

新建井筒若不按正常留设保护煤柱,今后将不可避免地受到井下的采动影响。采用数值计算方法模拟了井筒在采用小保护煤柱条件下,煤层开采后岩层剖面上的竖直受力和变形情况。通过模拟结果分析,由于煤层的开采,破坏了覆岩原有的平衡条件,引起了采场周围应力重新分布,采空区上方为低于原始应力的卸压区,靠近采空区两侧煤体或煤柱上出现了比原始应力大得多的集中应力,称之为支撑压力区。采场周围应力的重新分布,必然引起岩层内部能量积聚,当这种能量积聚到一定程度,必然要通过一定的路径转移和释放,移动和变形是岩层释放能量的最直接方法。采动影响在竖直剖面上的分布状况是呈现以采空区为中心,以直接顶、底板岩层及煤壁为起始点向四周扩展并逐渐减弱和消失。采动引起的覆岩内部下沉的分布特点是距采空区的距离越近,下沉量越大,而向水平方向波及影响的范围越小;距采空区的距离越远,下沉量越小,而向水平方向波及影响的范围越大,即岩层采动影响范围随着在采空区以上高度增加而更多地发展到支撑压力区,由老顶至地表,各岩层的下沉盆地逐渐加宽而变平。

数值计算结果表明,处于小煤柱保护的井筒位于支撑压力带,其上段水平方向拉伸竖向压缩,其下段双向压缩。井壁受采动影响主要产生竖向压缩变形,竖向压缩变形主要集中在井壁上部分,其采动影响深度由岩层边界角确定。

3 新建井筒抗变形技术措施

现场调研和实验室研究表明,井筒受采动影响而发生变形破坏的主要原因:一是井筒作为一个整体结构在周边围岩受采动影响而发生应力重新分布过程中受挤压、拉伸时,因井壁自身强度不够而发生破坏;二是受采动影响后上覆各岩层在纵向将产生扰动和位移,在时间和空间上又是一个逐渐演变的过程,一般井筒结构大多采用混凝土逐段浇筑而成,整体呈刚性而不可缩,这就导致井壁与基岩变形不一致而在井壁与基岩接触面上发生相对位移,从而产生巨大的剪切力导致井壁破坏。

基于上述分析,为保证新建井筒受采动影响后仍能满足使用要求,必须提前采取抗变形技术措施,尽最大可能使井筒与围岩在采动影响时位移和变形保持一致。新建井筒抗变形结构技术措施包括整体规划、柔性措施和刚性措施。

3.1 整体规划

经理论计算,小保护煤柱条件下井筒地表最终下沉值达2322mm。为确保井筒的正常安全使用,井筒结构必须能够吸收采动变形。为此,将受采动影响的井壁段设计成多段整体可缩结构,在井筒过煤层或软弱岩层处对应设置可缩层,同时将各分段井壁采取一定技术措施提高其刚度和强度,以使井壁与围岩的缓冲、变形特性相一致。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》,参考平顶山矿区的实测岩移参数,平煤四矿岩层边界角取55°,井筒维护带宽度取20 m,计算求得井筒采动影响深度为788.3 m。为安全起见,井筒采动影响深度确定为830 m,即:从地表到丁组煤穿过井筒的位置,见图2。在井筒深度830 m以上,井筒采用刚柔结合的综合性抗变形结构措施,在井筒深度830 m以下,基本不受采动影响,井筒只需采用一定的抗变形结构措施。

图2 井筒采动影响深度计算示意图

3.2 柔性措施

柔性措施主要是对新建井筒在煤层、岩层软弱位置加设可缩性井壁,从而吸收竖直方向的压缩变形,保证井筒的正常安全使用。

开采实践表明,凡是在煤层、断层带、泥岩等软弱岩层通过井筒处,易出现竖向受压破坏。为此,应根据井壁围岩的特性,对可能出现应力集中的软弱岩层处设置可缩层井壁。

平煤四矿新建井筒分别在己组煤、己戊组煤之间,戊组煤、丁组煤、丁丙组煤之间,丙组煤及上方每隔50～60 m软岩位置设置一道可缩层。可缩层采用梯形橡胶砖,每道可缩层厚800mm。其中,进风井共计设置了19道可缩层,回风井共计设置了17道可缩层。同时由于在围岩软弱层处,围岩受采动影响,横向容易出现较大膨胀或流动,在可缩层与岩体之间要预留不小于300mm的间隙,以防止水平侧压力对井筒可缩层的挤压。

3.3 刚性措施

刚性措施主要是增加井壁的刚度,以防止井筒水平断面的改变和竖向压缩破坏。主要措施包括:在井筒深度830 m以上,井壁采用双层配筋混凝土结构,混凝土强度等级为 C40,井壁厚度为600mm;在井筒深度830 m以下,井壁采用混凝土结构,混凝土强度等级仍为C40,井壁厚度仍为600mm。

由于新建井筒采用小煤柱保护,在丁组煤、戊组煤、己组煤的马头门处地压和应力将比较大,为确保井筒出口的安全,要求对马头门采用钢筋混凝土支护,混凝土标号不小于C40,支护厚度不小于500mm。

同时,对地面井架、绞车房、风机房、风道等建(构)筑物及绞车、风机等设备,也要根据地表的移动变形值,采取相应的抗变形结构技术措施,以确保其正常安全使用。

3.4 技术效果

平煤四矿进、回风井井筒已分别于2008年4月、2010年8月竣工。新风井建设以来,先后在风井附近开采了丁56-19190、丁56-32060、丁56-21130、丁56-21090、戊8-19190、戊8-22230等6个工作面(见图1),累计从原井筒煤柱内采出煤炭资源91.5万t,取得了十分显著的经济效益和社会效益。

由于采取了有效的抗变形技术措施,井筒未出现明显变形和任何破坏,一直保持正常安全使用。

4 结论

(1)数值计算结果表明,在小煤柱保护条件下井壁主要受竖向压缩变形,该变形主要集中在井壁上部分,其采动影响深度由岩层边界角确定。

(2)对平煤四矿新建井筒采取的抗变形技术、抗变形结构技术措施包括整体规划、柔性措施和刚性措施,刚柔结合用于吸收和抵抗岩层的移动与变形,达到了保护井筒的目的。

[1]滕永海,卫修君,郭轲轶等.新建风井留设小保护煤柱与抗变形技术的研究[J].选煤技术,2006(s1)

[2]何国清,杨伦,凌赓娣等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1991

[3]煤炭科学研究总院北京开采所.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京:煤炭工业出版社,1986

[4]周国铨,崔继宪,刘广容等.建筑物下采煤[M].北京:煤炭工业出版社,1983

[5]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2000

[6]吕泰和.井筒与工业广场煤柱开采[M].北京:煤炭工业出版社,1990

(责任编辑 张毅玲)

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

国家自然科学基金项目(51074089)。

欧阳广斌(1965-),男,重庆秀山人,高级工程师,现任平煤集团公司总工办主任,中国矿业大学在读研究生,主要从事采矿方面的管理和技术研究工作。