煤礦礦井井筒穿越采空區(qū)的治理方法

李 實

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院集團有限公司，山西 太原 030001)

1 工程概況

某礦井位于山西省懷仁縣、左云縣交界處，占地17 km2。該礦井生產(chǎn)建設(shè)管理經(jīng)驗豐富，在規(guī)模、資產(chǎn)及技術(shù)方面有較強的綜合實力，為簡化工藝環(huán)節(jié)，力求以最少的工程量增加、盡可能低的建設(shè)投資和短期的工期，在少影響或不影響現(xiàn)有生產(chǎn)的前提下對礦井各個環(huán)節(jié)能力進行優(yōu)化改造。

礦井環(huán)節(jié)能力改造后采用斜井開拓方式，新建主井、副井及風(fēng)井場地。其中新建的緩坡副斜井傾角7°，斜長1 182.39 m(其中含50 m平段)，凈寬5.6 m，凈斷面20.72 m2，擔(dān)負礦井含人員運輸在內(nèi)的全部輔助運輸任務(wù)，兼作礦井進風(fēng)井及安全出口。根據(jù)勘察資料顯示，副斜井井筒需要穿越煤層采空區(qū)，為保證副斜井井筒的安全，研究副斜井井筒在煤層采空區(qū)地段的治理至關(guān)重要，這也是本文研究的核心問題。

2 地層情況

勘察資料顯示，井筒最深至石炭系中統(tǒng)本溪組與太原組底界面附近，即井筒處于石炭系中統(tǒng)本溪組至地表的第四系地層之間。擬建井筒穿越地層由老到新為：石炭系、二疊系、侏羅系及新生界第四系。井筒穿越的煤層采空區(qū)主要為位于3號煤層以下10 m～30 m、太原組中上方的5號煤層，該煤層屬穩(wěn)定型煤層，平均厚度10 m，該煤層具有層位穩(wěn)定，復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大厚度的特點，其頂板、底板及夾矸主要成分為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖與高嶺質(zhì)泥巖。

現(xiàn)場勘察顯示：上述區(qū)域巖體完整性遭到破壞，主要表現(xiàn)為巖塊呈碎石狀、層間結(jié)合程度不高、圍巖穩(wěn)定性差強人意，采空區(qū)正是導(dǎo)致上述現(xiàn)象發(fā)生的元兇。這樣的地質(zhì)條件下建設(shè)井筒極易出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，為工程質(zhì)量、作業(yè)人員安全造成極大隱患。

3 井筒對采空區(qū)地段圍巖變形的影響及采空區(qū)危害性評價

采空區(qū)地段圍巖的類型分兩大類，一類為以泥巖、粉砂巖為代表的軟弱層狀結(jié)構(gòu)；另一類則是以采空區(qū)塌陷冒落區(qū)為代表的散體結(jié)構(gòu)巖體。這兩類圍巖的主要變形破壞形式包括膨脹內(nèi)鼓、重力坍塌與塑性擠出。井筒建設(shè)將對采空區(qū)地段圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，影響方式與采空區(qū)和井筒的上下相對位置有關(guān)，若井筒高于采空區(qū)，煤層的開采會導(dǎo)致采空區(qū)覆巖垮落；若井筒低于采空區(qū)，煤層的開采可能使地板產(chǎn)生裂縫、裂隙。

根據(jù)勘察資料，本地段采空區(qū)變形尚未結(jié)束，井筒在開挖過程中，極易塌陷，因此，本地段采空區(qū)必須進行治理。

4 井筒穿越采空區(qū)時的處理原則

4.1 根據(jù)煤層的賦存條件采用相應(yīng)的處理措施

受煤層的厚度、傾角以及傾向的影響，采空區(qū)位于井筒斷面內(nèi)的位置不同，井筒建設(shè)對圍巖穩(wěn)定性的影響程度、影響方式亦有不同，故有必要根據(jù)煤層的賦存條件及采空區(qū)的狀態(tài)采用對應(yīng)處理措施。

4.2 根據(jù)井筒開挖應(yīng)力重新分布提出處理方法

井筒周邊巖體的應(yīng)力狀態(tài)受到井筒開挖的影響，若圍巖某處巖體強度不足以抵抗井筒圍巖壓力，井筒周邊的部分巖體便可能發(fā)生松動,并發(fā)展成為塑性區(qū)。為防止隧道因發(fā)生大變形而破壞，有必要對塑性區(qū)內(nèi)的圍巖加強支護。因此，確定塑性區(qū)的范圍至關(guān)重要。塑性區(qū)范圍的確定主要有現(xiàn)場量測和經(jīng)驗公式兩大類，塑性區(qū)半徑R0可通過下式計算。

(1)

式中：a——井筒開挖半徑，m；

p——原巖體應(yīng)力，kPa；

pi——支護對井筒圍巖反力，kPa；

c——井筒圍巖的粘聚力，kPa；

φ——井筒圍巖內(nèi)摩擦角，(°)。

4.3 適當(dāng)加大預(yù)留量

由于煤層較軟，煤采出后的煤系地層可能出現(xiàn)較大變形。因此，在井筒斷面設(shè)計時，應(yīng)適當(dāng)增加預(yù)留量[3,4]。

5 井筒穿越采空區(qū)的治理方法

5.1 采空區(qū)位于井筒底板以下

若采空區(qū)位于井筒底板以下且未在井筒斷面內(nèi)出露，但距井筒底部較近，可在井筒內(nèi)鉆孔注入水泥砂漿，提高采空區(qū)原充填料的強度，以防止井筒下沉。

在工程中，使用閥管雙液壓力注漿法對采空區(qū)進行加固。注漿孔孔徑65 mm，孔間距1.2 m，孔深根據(jù)采空區(qū)埋深確定。采用水泥漿水玻璃混合雙液灌注，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.9，水玻璃模數(shù)為3.2，濃度為40°Be。水泥漿與水玻璃體積比為1.3∶1。注漿壓力控制在0.6 MPa～1.0 MPa。注漿量根據(jù)地層變化及現(xiàn)場確定。單孔每米注入量不少于400 kg。

5.2 采空區(qū)位于井筒洞身上方

當(dāng)采空區(qū)位于洞身上方，特別是近水平、緩傾斜的采空區(qū)且距井筒頂部較近時，可采用U型鋼棚支撐加強支護。本工程煤層頂板主要為泥巖、砂巖，平均重度22.0 kN/m3，綜合內(nèi)摩擦角60°，設(shè)計井筒的開挖半徑為2.8 m，井筒的最大埋深為130 m。根據(jù)本文式(1)可求得井筒的塑性區(qū)半徑R0=2.4 m；井筒上的均布荷載最大值可根據(jù)式(2)計算，為618.2 kPa。

(2)

式中：γ——巖體的重度,kN/m3；

H——上覆巖層的厚度，m；

a——井筒的開挖半徑，m；

λ——側(cè)壓力系數(shù)；

θ——滑面摩擦角，(°)。

對于井筒開挖引起的塑性變形，設(shè)計采用錨桿、錨索加固，其中錨桿采用φ22×2 400 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，每根錨桿配一支CK2335型超快速藥卷、一支K2360型快速藥卷，錨桿托板選用拱形預(yù)應(yīng)力鐵托板，托板規(guī)格為100 mm×100 mm×16 mm；錨索采用17.8×7 300 mm鋼絞線，間排距為2 000 mm×2 400 mm，每根錨索配一支CK2335型超快速藥卷、兩支K2360型快速藥卷，錨索托板采用300 mm×300 mm×16 mm的方形鐵托板，施工時錨索須錨至頂板穩(wěn)定巖層中，其長度應(yīng)根據(jù)頂板巖層情況合理調(diào)整。

采用29U型鋼支護抵抗巖體作用在井筒上的荷載，U型鋼底部使用尺寸為200 mm×200 mm×8 mm×12 mm的H型鋼與其焊接，二者水平間距800 mm。井筒筒壁噴射200 mm厚的C20混凝土面層，混凝土面層內(nèi)鋪設(shè)由直徑為8 mm的鋼筋加工而成的雙層鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距為100 mm×100 mm，兩網(wǎng)片之間搭接長度不小于100 mm，采用雙股16號鐵絲連接。

6 結(jié)語

本文聯(lián)系工程實際，闡明了采空區(qū)對井筒建設(shè)影響的類型和機理，從井筒和采空區(qū)的相對位置出發(fā)對井筒穿越采空區(qū)的處理方法做出具體闡述，主要結(jié)論如下：

1)若井筒的位置高于采空區(qū)，煤層的開采會導(dǎo)致采空區(qū)覆巖垮落；若井筒位置低于采空區(qū)，煤層的開采可能使地板產(chǎn)生裂縫、裂隙；

2)討論了井筒建設(shè)遭遇采空區(qū)時的處理原則,即治理采空區(qū)、支護和加大預(yù)留量；

3)闡明井筒建設(shè)遭遇采空區(qū)時的處理方法。采空區(qū)和井筒的相對位置不同，采空區(qū)治理方式亦有不同。當(dāng)采空區(qū)低于井筒時可采取注漿的方式處理采空區(qū)；當(dāng)采空區(qū)高于井筒時可采用U型鋼棚支撐加強支護。