混凝土强度对立井穿煤层期间井筒围岩稳定性影响分析

史 鑫 王海龙 贾 磊

（1.霍州煤电集团沁安煤电有限责任公司，山西 霍州 031400；2.彬县水帘洞煤炭有限责任公司，陕西 彬州 713500；3.山东能源新汶矿业集团有限责任公司，山东 新泰 271200）

伴随浅部煤炭资源的减少，越来越多的矿区进入深部开采，立井开拓所占比重逐步增大。立井井筒工程是整体建设的关键环节，立井施工技术复杂，作业场所狭窄，工作环境恶劣[1]。特别是立井在穿透煤层期间，由于煤层力学特性与岩层力学参数的差异性较大，极易引起立井的围岩变形加剧，危及立井安全施工。因此，立井在作业过程中需要提供加固和支持，井筒围岩变形控制是深部煤矿前期开拓作业的重中之重，由此研究混凝土强度对立井穿透煤岩的围岩变形控制机理十分必要，能为立井施工支护提供一定的参考[2-3]。本文以中峪煤矿副立井为例，研究其在大埋深条件下穿透1 号、2 号煤层过程中不同强度混凝土对围岩变形控制的影响。

1 试验井筒基本情况

1.1 基本情况

中峪煤矿位于山西省中部，矿区为一不规则的长条形，南北最长达16 km，东西宽为15 km。本次研究的副立井在建设过程中开凿深度大，且需要穿过1 号、2 号煤层。矿井1 号煤层厚度为0～2.3 m之间，平均1.11 m，煤层结构简单，厚度稳定；2号煤层煤厚在0～4.15 m 之间，平均2.34 m。

由于煤层与岩层力学特性差异大，井筒在穿透1、2 号煤层时所面临的围岩稳定性控制挑战巨大。中峪煤矿副立井井深874.5 m，净直径达8.5 m。该井筒井壁的部分参数见表1。

表1 井壁部分参数

1.2 围岩力学性质测试

利用井检孔和掘进过程及临近矿井提取出现场岩性，之后将其加工成标准试件，对各岩层力学特性进行测试。采用单轴抗压试验测量煤及顶底板岩石的抗压强度R、弹性模量E 和泊松比μ，采用巴西劈裂法来测试煤及顶底板岩石的单轴抗拉强度。

1.3 基本参数

考虑本次采深较大，主要对1 号和2 号煤层临近区域岩层进行测试。根据前期及补充测试试验数据，通过换算处理，得到煤岩的抗压强度、抗拉强度及密度等参数。1 号煤层、2 号煤层顶底板及临近岩层的力学参数见表2。

表2 1 号与2 号煤层及顶底板岩层测试结果

2 围岩变形及塑性区发育特征模拟分析

本文确定采用FLAC3D分析中峪煤矿副井穿煤层期间的围岩变形及塑性区发育特性[4-10]，探究井筒壁支护强度对立井穿煤层的影响机制。

2.1 试验方案及模型构建

模型模拟立井掘进过程中开凿、支护、掘进交替进行的过程，模型尺寸为102 m×102 m×90.8 m，共模拟22 层煤岩层，1 号煤层之上7 层，2 号煤层之下9层，井筒荒径10.2 m。由于本次计算埋深较大，且不对地表移动变形做研究，为加快计算速度将距巷道较远的上覆岩层及表土层简化为均布载荷施加于模型上方。模型的网格划分采用内圈较细、外圈逐渐增大的方式进行分布划分。模型采用Mohr-Coulomb 本构模型，构建模型示意如图1。

图1 模型构建及网格示意

按照实际设计掘进速度进行分段掘进、分段支护方式自上向下掘进方式进行。井壁混凝土强度的影响分析，主要分析在不同井壁强度（混凝土标号C30、C40、C45、C50）下围岩的应力分布、塑性区分布特征及变化规律，进行数据采集并绘制图像。

在对钢筋混凝土井壁进行数值模拟时，钢筋混凝土井壁模型（釆用Mohr-Coulomb 模型）的材料参数参照模拟实例，并结合国内外学者的模拟经验，确定不同标号混凝土在模型中参数，见表3。

表3 钢筋混凝土筒壁岩层参数

2.2 模拟结果分析

（1）井筒位移变形统计

在不同井壁混凝土标号（强度）下，井筒穿煤层位置最大变形量出现在煤层附近。井筒过1 号煤层、2 号煤层后，变形量分布呈明细夹层现象，靠近软弱岩层（泥岩、煤层）出现变形增大的趋势。1 号煤层处的井筒最大变形量由21.0 mm 逐渐减少到了5.1 mm，2 号煤层处的井筒最大变形量由21.3 mm 减少到7.6 mm，降幅分别达到75.7%、64.3%，控制效果显著，如图2。

图2 井筒最大变形量

（2）井筒应力分布特征

井筒过1 号煤层、2 号煤层后，应力分布呈现明显夹层现象，即出现应力集中，煤层承载应力较高。如图3，随着混凝土标号的升高，1 号煤井筒位置的最大应力由40.1 MPa 逐渐减到28.7 MPa，2号煤井筒位置的最大应力由43.8 MPa 减少到了27.5 MPa，降幅分别达到28.4%、37.2%，控制效果显著，最大应力出现在煤层附近。

图3 井筒最大应力值

（3）塑性区发育特性

通过分析，靠近煤层区域的井筒围岩为塑性区发育最显著的位置。当混凝土标号自C30 增大到C50 的过程，1 号煤塑性区的最大发育深度自3.2 m逐渐减少到0.7 m 左右，减少约78.1%；2 号煤塑性区的最大发育深度自2.9 m 逐渐减少到0.9 m 左右，减少约69.0%，如图4。

图4 塑性区发育深度

3 结论

（1）采用数值模拟了井壁不同混凝土标号条件下分布特征，发现应力、塑性区、变形量分布存在明显的夹层效应，煤层为支护的难点位置。

（2）在井筒最大变形量方面，混凝土标号C50 较C30、C40、C45 能同比减少约64%～75%、57%～67%、49%～54%；在最大应力方面，混凝土标号C50 较C30、C40、C45 能同比减少约28%～37%、18%～30%、5%～23%；在塑性区最大发育深度方面，混凝土标号C50 较C30、C40、C45能同比减少约68%～78%、52%～70%、30%～59%；C50 能将最大变形量控制在10 mm 以下，最大应力控制在30 MPa 以下，塑性区的最大发育深度控制在1 m 以内，可以有效控制井筒穿煤层期间的围岩变形。