井筒施工中采空區(qū)合理充填參數(shù)的確定

楊雙鎖王愛國孫 淼武 劍

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024; 2.同煤集團(tuán)技術(shù)中心,山西省大同市,037000)

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井筒施工中采空區(qū)合理充填參數(shù)的確定

楊雙鎖1王愛國2孫 淼1武 劍1

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024; 2.同煤集團(tuán)技術(shù)中心,山西省大同市,037000)

對井筒穿越采空區(qū)時的充填范圍和充填材料力學(xué)參數(shù)的合理確定等理論技術(shù)問題進(jìn)行了探討。給出了采空區(qū)擾動的邊界效應(yīng)概念,揭示了采空區(qū)導(dǎo)致的巖層移動變形的特征規(guī)律。認(rèn)為:大同礦區(qū)條件下采空區(qū)的合理充填范圍以15～25 m為宜;采空區(qū)充填物的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)與采空區(qū)頂、底板巖層力學(xué)性質(zhì)接近,通常以單軸抗壓強(qiáng)度20 MPa、彈性模量15000 MPa為宜。

井筒 穿越采空區(qū) 采空區(qū)處理 充填范圍 參數(shù)

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(fā)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(qū)深部煤層的開發(fā),面臨著淺部煤層采空區(qū)的影響,并帶來了一系列理論和技術(shù)問題。對于大同礦區(qū)來說,侏羅紀(jì)和石炭二疊紀(jì)雙系煤田與國內(nèi)其它礦區(qū)所賦存的單系煤層相比有其特殊性,隨著上部侏羅紀(jì)煤層儲量的減少,開發(fā)下部石炭二疊紀(jì)煤層時,井筒穿越采空區(qū)施工的局面不可避免,目前,該領(lǐng)域還沒有成熟的理論技術(shù)體系,尤其是采空區(qū)充填的相關(guān)理論研究還很缺乏。本文就井筒穿越采空區(qū)時,采空區(qū)充填范圍和充填材料力學(xué)參數(shù)的合理確定問題進(jìn)行探討。

1 采空區(qū)力學(xué)效應(yīng)分析

1.1 采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)特征

采空區(qū)的圍巖結(jié)構(gòu)特征可由長壁采場的“三帶”和“三區(qū)”來概括?！叭龓А奔创怪狈较虻拿奥鋷А⒘严稁Ш蛷澢鲁翈?“三區(qū)”即層理方向的煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)。井筒穿過采空區(qū)不同的“三帶”時,其穩(wěn)定性所受的影響也不盡相同;井筒處在采空區(qū)中不同的“三區(qū)”位置時,其經(jīng)受的變形破壞過程也具有很大區(qū)別。

1.2 采空區(qū)力學(xué)效應(yīng)分析

采用數(shù)值模擬方法對大同同忻礦井筒所處區(qū)域的采空區(qū)力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了研究。巖層分布及其力學(xué)參數(shù)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(xué)參數(shù)

圖1 幾何模型

數(shù)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(qū)部分70 m,模型高度150 m,模型中包含8#煤層采空區(qū)。采空區(qū)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(cè)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(jié)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(yīng)力, SY為鉛垂正應(yīng)力,SXY為剪應(yīng)力。橫坐標(biāo)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(fā)生在進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)2 m的位置;最大鉛垂位移為22 cm,發(fā)生在進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)70 m的位置。

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

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

結(jié)合其它結(jié)果綜合分析,實體煤內(nèi)部15 m至采空區(qū)內(nèi)部25 m的范圍內(nèi)對應(yīng)的巖層水平位移較明顯。模型中最大水平位移發(fā)生在采空區(qū)上方的巖層,最大水平位移量達(dá)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(jìn)入采空區(qū)內(nèi)25 m后達(dá)到最大值 (約1.3 m),并趨于穩(wěn)定。

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

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

進(jìn)入采空區(qū)10 m處,縱向位移在采空區(qū)對應(yīng)高度出現(xiàn)臺階狀變化,三個應(yīng)力分量均出現(xiàn)較大幅度的變化,尤其是水平拉應(yīng)力明顯增加。進(jìn)入采空區(qū)20 m處,縱向位移在采空區(qū)對應(yīng)高度出現(xiàn)臺階狀變化,三個應(yīng)力分量均出現(xiàn)較大幅度的變化,水平正應(yīng)力和剪應(yīng)力變化明顯增強(qiáng),采空區(qū)上方約15 m處剪應(yīng)力和水平應(yīng)力出現(xiàn)峰值。進(jìn)入采空區(qū)50 m處,各應(yīng)力分量、位移分量趨于穩(wěn)定。

采空區(qū)頂板下層面縱向位移在采空區(qū)邊界對應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)鋸齒狀變化,實體煤對應(yīng)區(qū)域基本恒定,采空區(qū)遠(yuǎn)離邊界區(qū)域縱向位移達(dá)到最大值。水平應(yīng)力和剪應(yīng)力在采空區(qū)邊界區(qū)域略有波動,其余部分均勻分布;鉛垂應(yīng)力在緊鄰采空區(qū)邊界的煤體中有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,進(jìn)入采空區(qū)后有減壓區(qū)存在。

采空區(qū)上方10 m層位的縱向位移在實體煤對應(yīng)區(qū)域基本恒定,進(jìn)入采空區(qū)后急劇增大。水平應(yīng)力和剪應(yīng)力在采空區(qū)邊界區(qū)有明顯波動;鉛垂應(yīng)力在緊鄰采空區(qū)邊界的煤體中有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,進(jìn)入采空區(qū)后有明顯的減壓區(qū)存在。

采空區(qū)上方20 m層位的縱向位移在實體煤對應(yīng)區(qū)域基本恒定,進(jìn)入采空區(qū)后急劇增大。水平應(yīng)力和剪應(yīng)力在采空區(qū)邊界區(qū)有明顯波動,且水平應(yīng)力在采空區(qū)邊界兩側(cè)也分別有增壓區(qū)、減壓區(qū)存在;鉛垂應(yīng)力在緊鄰采空區(qū)邊界的煤體中有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,進(jìn)入采空區(qū)后有減壓區(qū)存在。

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

2 充填范圍及充填參數(shù)的確定

如何對采空區(qū)進(jìn)行合理處理,涉及井筒穿越巖層的力學(xué)分析、充填材料選擇、施工工藝的優(yōu)化等內(nèi)容。

2.1 不同充填范圍力學(xué)效應(yīng)分析

以下分別對采空區(qū)處理范圍為0 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m時的模型進(jìn)行數(shù)值模擬,并進(jìn)行對比分析。充填物單軸抗壓強(qiáng)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(jié)式接觸,井筒中心距離采空區(qū)邊界80 m(遠(yuǎn)離采空區(qū)邊界,無力學(xué)效應(yīng)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(nèi)壁為自由邊界,其他各側(cè)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(shù)值模擬部分結(jié)果見圖6～圖8所示。圖中橫坐標(biāo)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(yīng)變分布

圖6為不同采空區(qū)充填范圍條件下井壁縱向應(yīng)變沿深度的分布曲線。采空區(qū)無充填時,在采空區(qū)附近及距離地表30～60 m區(qū)間,井壁縱向應(yīng)變曲線與有充填時的曲線明顯分離,而采空區(qū)充填范圍在10～30 m范圍時,井壁縱向應(yīng)變曲線基本重合,說明采空區(qū)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(qū)不同充填條件下,井壁剪應(yīng)力曲線。各曲線在采空區(qū)附近及距離地表30～60 m的區(qū)間相分離,而采空區(qū)充填范圍在10～30 m時,井壁剪應(yīng)力曲線基本重合。

圖7 不同充填范圍時井壁剪應(yīng)力分布

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

圖8 不同充填范圍時井壁縱向應(yīng)力分布

綜合分析認(rèn)為,井筒穿越采空區(qū)時應(yīng)進(jìn)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(shù)力學(xué)效應(yīng)分析

為了掌握采用具有不同力學(xué)性能的充填物對采空區(qū)進(jìn)行處理后的巖層力學(xué)響應(yīng)特征,包括應(yīng)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(qū)時對井筒穩(wěn)定性的影響,以下對不同力學(xué)性能的充填材料處理采空區(qū)的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行模擬分析,充填范圍20 m。

模型的幾何特征、采空區(qū)狀況、離散情況等見圖5。部分模擬結(jié)果見圖9和圖10。

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

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

在采空區(qū)附近區(qū)域,充填物的彈性模量為5000 MPa時,井壁中的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變比充填物的彈性模量為10000 MPa～15000 MPa時稍大。

綜合分析認(rèn)為,采空區(qū)充填物的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)與采空區(qū)頂、底板巖層力學(xué)性質(zhì)接近,通常以彈性模量15000 MPa為宜。

3 結(jié)論

綜合以上關(guān)于采空區(qū)對巖層移動變形的影響、采空區(qū)對井筒力學(xué)效應(yīng)的影響以及不同充填條件下巖層及井筒力學(xué)效應(yīng)的分析可得如下主要結(jié)論。

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

(2)對井筒穿越的采空區(qū)應(yīng)進(jìn)行充填處理,充填范圍以15～25 m為宜。

(3)采空區(qū)充填物的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)與采空區(qū)頂、底板巖層力學(xué)性質(zhì)接近,通常以彈性模量15000 MPa為宜。

(責(zé)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(xué)博士,教授。長期從事煤礦開采及巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域的教學(xué)及科研工作。