厚煤層條件下井筒保護(hù)煤柱開采技術(shù)研究

駱興鴿

(徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司 征遷處，江蘇 徐州 221000)

隨著煤炭需求量的不斷增加和開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國許多煤礦的可采儲量快速減少，加速了礦井進(jìn)入衰退期，這些礦井都存在著最后回收井筒煤柱問題。井筒是礦業(yè)生產(chǎn)活動的咽喉要道，它的變形和破壞直接關(guān)系著礦井的安全生產(chǎn)，井筒煤柱開采是很多礦井急待解決的技術(shù)難題[1-4〗。文中以徐州某礦井筒煤柱開采為例，探討厚煤層條件下井筒的變形規(guī)律及破壞特征，制定了相應(yīng)的安全保護(hù)技術(shù)措施。

1 概況

1.1 井筒

礦區(qū)地處黃河沖積平原，地勢比較平緩，地面平均標(biāo)高+33.0 m。礦井采用主、副立井配合暗立井多水平分區(qū)段開拓方式，分三個開采水平，分別為-120 m、-320 m、-500 m。

主、副井位于工廣中部，主井井口標(biāo)高為+33.9 m，井底標(biāo)高為-350.2 m，垂深384.1 m，采用料石砌壁，井筒凈寬5.0 m，井壁支護(hù)厚度0.5 m，鋼軌罐道，箕斗提升。副井井口標(biāo)高為+33.9 m，井底標(biāo)高為-344.4 m，垂深378.3 m，采用料石砌壁，井筒凈寬6.0 m，井壁支護(hù)厚度0.5 m，木質(zhì)罐道，罐籠提升，內(nèi)設(shè)排水管6趟、壓風(fēng)管1趟。暗立井位于主副井東南部，上井口標(biāo)高為-291.2 m，落底標(biāo)高為-517.7 m，垂深226.5 m，采用料石砌壁，井筒凈寬6.0 m，井壁支護(hù)厚度0.5 m，鋼絲繩罐道，罐籠提升，內(nèi)設(shè)排水管2趟、供水管1趟及壓風(fēng)管1趟。

1.2 開采條件

區(qū)域地層由石炭二疊系巖層和第四系沖積層組成，其中上石炭統(tǒng)太原組、下二迭統(tǒng)山西組、下石盒子組為礦井主要含煤地層，賦存煤層共4層，分別為3#煤、7#煤、20#煤、21#煤。3#煤為礦井主采煤層，煤厚約4.0 m，頂板頁巖，厚3.0 m，底板頁巖，厚1.0～3.0 m；7#、20#、21#煤為配采煤層，煤厚依次為0.8 m、0.68 m和0.14 m。

煤層上覆巖層主要為砂巖、砂質(zhì)頁巖、頁巖等，巖性中硬偏軟。第四紀(jì)沖積層上部為黃色砂質(zhì)粘土，中部為黃色粘土砂漿，底部為灰黃色、紅色粘土，平均厚度為15 m。

區(qū)域地層總體上呈一向斜構(gòu)造，軸向N60°E，兩翼不對稱，北翼為急傾斜煤層，傾角變化明顯，南翼為傾斜煤層，傾角約30°。工業(yè)場地位于向斜軸北翼。工廣區(qū)域地質(zhì)剖面圖見圖1所示。

圖1 工業(yè)廣場區(qū)域地質(zhì)剖面圖

2 開采方案

主井、副井和暗立井擔(dān)負(fù)著礦井的提升、排水、通風(fēng)及安全出口等任務(wù)，是需要重點保護(hù)的對象，而確保井筒提升系統(tǒng)的正常安全運行則至關(guān)重要[5-10]。此外，地面工廣內(nèi)各類建筑物非常密集，也需要進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)，以防建筑物出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，危及區(qū)內(nèi)正常的生產(chǎn)和生活。結(jié)合區(qū)域煤層賦存條件，選擇開采3#煤層，其它煤層舍棄不采，共布置3302、3304、3303三個工作面，工作面距離暗斜井約150 m，距離副井約310 m。3302工作面長505 m，寬103 m，采厚4.0 m，傾角36°，采深465～523 m；3304工作面長495 m，寬136 m，采厚4.0 m，傾角30°，采深525～577 m；3303工作面長497 m，寬163 m，采厚4.0 m，傾角20°，采深526～578 m；工作面布置見圖2。三個工作面均采用走向長壁分層開采，全陷法管理頂板。

工作面開采時采取先遠(yuǎn)后近、先上分層后下分層的開采順序，用較遠(yuǎn)工作面開采的經(jīng)驗指導(dǎo)較近工作面的開采，用上分層指導(dǎo)下分層的開采。

3 井筒變形模擬分析

采用有限元法進(jìn)行井筒變形模擬分析。圖3為暗立井處巖層豎向移動和水平移動變形曲線，由圖可見，暗立井將受到煤層開采活動影響，井筒處巖層豎向移動值(W)、豎向變形值(εs)較為顯著，水平方向移動值(u)、水平方向偏斜率(εt)較??；在地層薄弱處(暗井過煤層處)暗井可能會出現(xiàn)變形集中現(xiàn)象，容易發(fā)生壓剪性破壞，危害井筒安全。

圖2 工作面平面布置圖

圖3 暗立井處豎向移動和水平移動變形

圖4為主井處巖層豎向移動和水平移動變形曲線。由圖可見，主井水平方向移動值(u)、水平方向偏斜率(εt)較為突出，豎向移動值(W)、豎向變形值(εs)相對較小，這與暗井處的情形正好相反。主井上部移動值和偏斜率明顯大于下部的移動值和偏斜率。煤層過井筒處沒有明顯的變形集中，這也是與暗井處所不同的。

4 安全技術(shù)措施

(1)在暗立井井壁薄弱處(井筒穿3#煤處)開切卸壓槽，充填可伸縮性材料，將原來的剛性井壁更換為可伸縮井壁，以有效減小井壁的破壞。

圖4 主井處豎向移動和水平移動變形

(2)更換罐道梁，對彎曲嚴(yán)重的罐道梁進(jìn)行切割更換，對彎曲不甚嚴(yán)重的罐道梁采取調(diào)整固定螺絲的方式維護(hù)。

(3)調(diào)整罐道。對于因井筒偏斜引起罐道磨損加劇，采取割接頭、松卡子、長距離的順坡等方法，確保提升系統(tǒng)的正常運行。

(4)調(diào)整排水管、壓風(fēng)管。根據(jù)管路變形情況，更換排水管路托管支座，增設(shè)管路伸縮器。

(5)補(bǔ)挖井壁，對變形破壞嚴(yán)重的井壁挖除，掛網(wǎng)噴漿。

5 開采實踐

根據(jù)開采方案，在工廣煤柱區(qū)域開采了3302、3304、3303三個工作面，采用分層開采法，開采順序為3302上、3304上、3302下、3303上、3304下、3303下工作面。開采期間，在工廣區(qū)域地表及主井、副井、暗立井內(nèi)設(shè)置了監(jiān)測點(地表監(jiān)測點布置情況參見圖2)，并進(jìn)行了系統(tǒng)觀測。通過觀測發(fā)現(xiàn)，主井、副井及暗立井均出現(xiàn)了變形與偏斜，偏斜方向以南東向為主。其中，主井上井口相比下井口向南東偏移545 mm，井筒的平均偏斜率為1.5 mm/m，最大偏斜率為2.8 mm/m，井筒出現(xiàn)不同程度的變形，局部井壁出現(xiàn)破壞，表現(xiàn)為碹石壓碎及脫落。副井井筒亦出現(xiàn)較大偏斜，上井口相比下井口向南東偏斜542 mm，井筒的平均偏斜率為1.5 mm/m，最大偏斜率為2.9 mm/m，井筒出現(xiàn)明顯破壞，表現(xiàn)為碹石脫落破碎。暗立井上井口相比下井口向南東偏移334 mm，井筒的平均偏斜率為1.9 mm/m，局部最大偏斜率達(dá)7.7 mm/m，在過煤層、圍巖薄弱處出現(xiàn)碹石脫落現(xiàn)象；暗立井可伸縮性木磚層出現(xiàn)壓縮變形，壓縮量約為31 mm。

在采動期間，主井、副井及暗立井井壁破壞均發(fā)生在頁巖、煤層等軟弱巖層區(qū)段，具有集中性和反復(fù)破壞性。通過定期檢測和及時維修，成功實現(xiàn)了厚煤層條件下井筒保護(hù)煤柱的安全開采，確保了礦井生產(chǎn)提升系統(tǒng)的正常安全運行，解放井筒壓煤達(dá)105萬t。

6 結(jié) 論

(1)針對向斜厚煤層地質(zhì)采礦條件，設(shè)計制定了井筒保護(hù)煤柱的開采方案，采取先遠(yuǎn)后近、先上分層后下分層的開采順序，實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)采礦條件下井筒保護(hù)煤柱的安全開采。

(2)通過數(shù)值相似模擬，分析研究了井筒保護(hù)煤柱開采的可行性，預(yù)測了采動影響下各井筒的移動與變形的規(guī)律，確定地層薄弱處易出現(xiàn)井筒變形集中、井壁破壞等現(xiàn)象，提出了有針對性的安全保護(hù)技術(shù)措施。

(3)經(jīng)過開采實踐，安全采出井筒保護(hù)煤柱105萬t，主井、副井、暗立井及提升系統(tǒng)一直保持正常安全運行，延長了礦井服務(wù)年限，取得了較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。