深部地層井筒近距離溜煤眼施工及支護(hù)參數(shù)

蘇朝暉,胡 偉,唐義川

(淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司潘三煤礦,安徽 淮南 232001)

0 引言

中國能源賦存基本現(xiàn)狀是“富煤、貧油、少氣”,隨著淺部煤炭資源的長期高強(qiáng)度開采,深部煤炭開采是必然之路,尤其是中東部地區(qū)的礦井多處進(jìn)入-1 000 m以下開采[1-2]。進(jìn)入深部開采后受“三高一擾動”影響,深部巷道圍巖產(chǎn)生脆延性破壞,圍巖呈軟弱性,圍巖變形控制較難。井工開采中井筒作為咽喉要道,井壁的穩(wěn)定性十分重要。然而部分礦井因出煤、運(yùn)人系統(tǒng)的調(diào)整,需在井筒近距離范圍內(nèi)掘進(jìn)新的系統(tǒng)巷道。煤礦立井井筒與井底車場大巷相連接,同時也連接馬頭門及其附近其他硐室[3-4]。深部巷道圍巖由于施工連接硐室群從而受到反復(fù)的擾動,在硐室施工期間巷道應(yīng)力擾動多次疊加,圍巖塑性區(qū)范圍不斷變化;后期在巷道運(yùn)營期間其井筒與硐室的穩(wěn)定性依然會受到影響。因此應(yīng)該減小井筒近距離巷道或硐室的施工對井筒穩(wěn)定性影響,保證礦井生產(chǎn)期間井筒的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

許多學(xué)者對井筒的穩(wěn)定性及巷道間的相互作用進(jìn)行了研究。張圣才等[5]利用模糊聚類的方法從卸壓槽壓縮量、水位降、治理工程服務(wù)年限及地層壓縮量等因素分析井筒穩(wěn)定性,得出興隆莊礦西風(fēng)井具有破壞可能性,優(yōu)選“卸壓槽+壁后注漿”的治理技術(shù)進(jìn)行井筒加固。劉保國[6]采用流變力學(xué)分析礦井井筒圍巖的流變引起支護(hù)襯砌中應(yīng)力及位移隨時間的變化規(guī)律,建立考慮時間因素的支護(hù)襯砌破壞準(zhǔn)則,對井筒的支護(hù)設(shè)計及不同時期井壁襯砌受力穩(wěn)定性提供技術(shù)參考。劉建博等[7]采用3DMine-Rhion-Griddle-FLAC3D耦合構(gòu)建礦區(qū)三維模型,研究了礦體回采過程中井筒變形、應(yīng)力、塑性區(qū)變化規(guī)律,并對開采過程中井筒變形進(jìn)行實時監(jiān)測以分析驗證井筒穩(wěn)定性。黃小廣等[8]對高坑礦西風(fēng)井井筒進(jìn)行監(jiān)測,得出該井筒砌體強(qiáng)度低,承受徑向應(yīng)力能力較小,井筒已偏斜、錯位,但由于井壁是由許多小型砌塊組成,各砌塊間隔有木板和許多橫、豎灰縫,井壁結(jié)構(gòu)自身具有一定的讓壓和調(diào)壓功能,最終得出西風(fēng)井對礦井的正常生產(chǎn)無影響的結(jié)論。金志遠(yuǎn)等[9]采用UDEC數(shù)值模擬方法,研究不同預(yù)掘巷道間巖柱尺寸的巖柱內(nèi)垂直應(yīng)力、塑性區(qū)分布及預(yù)掘巷道頂?shù)装逡平孔兓?guī)律,得出合理的預(yù)掘巷道間巖柱尺寸為3 m,且其合理性在現(xiàn)場工程實踐中得到了驗證。宋朝陽等[10]針對相鄰巷道間距、巷道間層位等因素,研究不同影響因素對巷道圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律,得出隨著水平間距逐漸變大,巷道周圍應(yīng)力分布逐漸規(guī)則;水平間距≥40 m時,先掘巷道圍巖的變形量變化不大,巷道互相干擾程度逐漸減小。朱洪利等[11]對相鄰平行巷道間巖柱寬度對巷道穩(wěn)定進(jìn)行研究,得出埋深和巖層性質(zhì)相同的相鄰平行巷道,隨著巖柱寬度增加,巖柱垂直應(yīng)力曲線由單峰不穩(wěn)定變?yōu)殡p峰穩(wěn)定,巷道的埋深越大、巖層越軟,兩相鄰平行巷道保持穩(wěn)定所需的巖柱寬度越大。

以往研究表明,井筒的穩(wěn)定受多種因素影響,且巷道間的距離對圍巖的穩(wěn)定性作用較大。針對淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三煤礦主井井筒近距離施工溜煤眼的工程的安全性進(jìn)行研究,通過介紹溜煤眼施工的必要性,進(jìn)而選取反井鉆施工方法,采用精細(xì)控制反井鉆導(dǎo)孔、擴(kuò)孔施工流程,配合錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù),實現(xiàn)井筒近距離大直徑反井鉆的高效安全施工。

1 溜煤眼工程概況

潘三煤礦位于淮南市西北部,距洞山約34 km,地處淮南鳳臺縣城北約15km,地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°41′45″,北緯32°47′30″～32°52′30″。東起九線與潘一煤礦毗鄰,西至十五線與丁集勘探區(qū)相接,西段為潘四井南邊界,南部以13-1煤-900 m等高線地面投影為界,東西走向長10.3 km,南北傾向?qū)?.1 km,面積61.3 km2。潘三煤礦于1992年11月投產(chǎn),設(shè)計生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a,2006年礦井核定生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a,2020年實施技術(shù)改造及擴(kuò)建工程,擴(kuò)建后礦井生產(chǎn)能力為5.0 Mt/a。

淮南礦區(qū)潘三煤礦主井附近南、北溜煤道傾角37°,傾角大且使用年限長。溜煤道內(nèi)底板鋼梁松動,時常有“竄眼”事故發(fā)生,嚴(yán)重影響主井的提煤能力。因此需要對南北溜煤道進(jìn)行改造,計劃由一部皮帶機(jī)巷撥門施工與南、北卸煤倉相連的南、北轉(zhuǎn)載膠帶機(jī)巷,新掘進(jìn)施工巷道與主副井距離較近,具體施工如圖1所示。

圖1 井筒近距離溜煤眼施工位置Fig.1 Construction location of close-distance coal chute of shaft

2 溜煤眼對鄰近井筒影響分析

深部地層中圍巖開挖會使巷道周圍應(yīng)力重新分布,從而使鄰近井筒受近距離溜煤眼施工影響,井筒的安全運(yùn)行存在潛在的安全隱患。對圖1中北溜煤眼施工位置進(jìn)行分析。主井井筒與附近水平巷道開挖時間較早,井筒與附近巷道經(jīng)過長時間變形已經(jīng)完全進(jìn)入穩(wěn)定期,而新施工的北溜煤眼會改變該溜煤眼附近圍巖應(yīng)力分布,施工的豎向溜煤眼即為圓形豎井,開挖后圓形豎井圍巖的徑向與切向應(yīng)力分別為

σr=q(1-a2/r2)

(1)

σθ=q(1+a2/r2)

(2)

(3)

式中,σr,σθ分別為距井筒中心為r處的徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力,MPa;q為原巖應(yīng)力的水平應(yīng)力,MPa;a為溜煤眼半徑,m;h為計算點(diǎn)深度,m;γa為計算點(diǎn)上覆巖層的加權(quán)平均容重,kN/m3;μ為圍巖泊松比。

由式(1)可知反井鉆圍巖徑向應(yīng)力在開挖斷面處為零,隨著遠(yuǎn)離開挖斷面徑向應(yīng)力不斷增大,最終恢復(fù)到原巖應(yīng)力。而圍巖的切向應(yīng)力在開挖斷面處集中,隨著遠(yuǎn)離開挖斷面,圍巖中切向應(yīng)力集中程度逐漸衰減。

參考兩水平巷道影響范圍經(jīng)驗公式

(4)

式中,R為井筒半徑。

即圖1中2個井筒間距42.456 m應(yīng)大于B+a+R,實際中主井井筒直徑為7.5 m。得出滿足a≤4 m時影響較小。根據(jù)實際運(yùn)煤量需要計算,反井鉆直徑為3.5 m時可以滿足使用需要,因此該反井鉆設(shè)計為φ3.5 m?？紤]反爆破法施工擾動大,為滿足反井鉆工程施工速度及擾動影響等條件,優(yōu)選反井鉆施工工法,并配合錨網(wǎng)噴高強(qiáng)支護(hù),以期較小控制圍巖變形,從而最大程度的減小反井鉆施工對鄰近井筒的擾動。

3 溜煤眼反井鉆施工工藝

溜煤眼位于井下-650 m一部皮帶機(jī)機(jī)頭附近,煤倉溜煤眼施工地層主要由2.4 m粘土巖、3.6 m細(xì)砂巖、13 m砂質(zhì)泥巖構(gòu)成,巖層穩(wěn)定,沒有含水層。井筒巖石以軟弱巖石為主,半堅硬次之,選用反井鉆機(jī)施工溜煤眼,該溜煤眼為φ3.5 m井筒,深度19.0 m。

3.1 溜煤眼施工流程

反井施工以實現(xiàn)安全、快速、優(yōu)質(zhì)為目的,優(yōu)選最佳施工方案,根據(jù)實際情況,本工程主要分為2個主要工序,即導(dǎo)孔施工與擴(kuò)孔施工。施工流程如圖2所示。

圖2 溜煤眼反井鉆施工流程Fig.2 Process of coal chute reverse well drilling construction

3.2 溜煤眼關(guān)鍵施工工藝

3.2.1 反井鉆導(dǎo)孔施工

鉆機(jī)主機(jī)利用汽車運(yùn)至礦井井口附近,由吊車卸下并放置于裝軌距600 mm平板車上;運(yùn)至井下后,利用預(yù)先在鉆井中心頂板安裝的起吊錨桿,卸下主機(jī),安裝在鋼梁上,主泵站、副泵站和操作臺等件也利用平板車運(yùn)至鉆井附近并按設(shè)計排列;連接管路和電路,然后接電開副泵利用鉆機(jī)主推缸立起主機(jī),安裝地腳螺栓,對鉆機(jī)進(jìn)行抄平找正,控制開孔的垂直度,再次澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)2 d以上,當(dāng)混凝土達(dá)到初凝強(qiáng)度后開始導(dǎo)孔鉆進(jìn)。

采用低鉆壓及低扭矩開孔,將直徑φ295 mm導(dǎo)孔鉆頭與穩(wěn)定鉆桿以絲扣相連進(jìn)行開孔作業(yè),為保證開孔垂直度,鉆進(jìn)時先把所有的穩(wěn)定鉆桿全部鉆進(jìn)后,再重新布置穩(wěn)定鉆桿,即導(dǎo)孔鉆頭+短接穩(wěn)定+穩(wěn)定鉆桿(1)+普通鉆桿(4)+穩(wěn)定鉆桿(1)+普通鉆桿(4)+1根穩(wěn)定鉆桿+剩余鉆桿,一直到導(dǎo)孔結(jié)束。

3.2.2 反井鉆擴(kuò)孔施工

導(dǎo)孔貫通驗收合格后,在下水平進(jìn)行導(dǎo)孔鉆頭與擴(kuò)孔鉆頭換接。

擴(kuò)孔鉆頭連接:下水平巷道透孔點(diǎn)巷道尺寸不小于6 m×4 m,高度4 m,可滿足擴(kuò)孔鉆頭安裝條件。頂板打4根起吊錨索。3.5 m擴(kuò)孔鉆頭為分體式擴(kuò)孔鉆頭,由中心管、2個對稱的半鉆頭體組成,由螺栓和脹銷連接,方便拆裝,便于井下運(yùn)輸。在下水平拆掉導(dǎo)孔鉆頭,利用與導(dǎo)孔鉆頭連接鉆桿的母扣,先把3.5 m擴(kuò)孔鉆頭中心管與鉆桿連接,然后利用起吊錨索拼接半鉆頭體,把所有的連接螺栓及脹銷安裝好,然后通過上水平鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)和上升、下降把另一半也拼接好,用力矩扳手把所有螺栓的預(yù)緊力一致加到2 000 N·m。整個拼接過程中利用鉆機(jī)主機(jī)時,井上操作人員必須聽從井下人員的指揮。

入口處鉆進(jìn):連接好擴(kuò)孔鉆頭后,通知上水平慢速上提鉆具,直到滾刀開始接觸巖石。然后停止上提,用低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),同時用剛好提動鉆具的力量慢慢給進(jìn),保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞,鉆頭轉(zhuǎn)進(jìn)一定深度,等刀齒把凸出的巖石破碎掉,再繼續(xù)鉆進(jìn)直至擴(kuò)孔鉆頭體完全入孔,剛擴(kuò)孔時下水平要有專人觀察,有情況可以及時通知操作人員,等鉆頭體入孔后,才能正常擴(kuò)孔鉆進(jìn)。

正常擴(kuò)孔施工:滾刀數(shù)量為18把,單把滾刀鉆壓煤系地層取30 kN,因此擴(kuò)孔鉆壓力540 kN。鉆機(jī)扭矩800～1 000 kN·m,擴(kuò)孔轉(zhuǎn)速2～4 rpm。鉆壓應(yīng)與巖石的強(qiáng)度匹配,若巖性較強(qiáng)時應(yīng)增加鉆壓,若巖性較弱時則減少鉆壓。擴(kuò)孔時要及時出渣,以防止鉆渣堵孔。擴(kuò)孔與拆鉆桿同時進(jìn)行,拆下的鉆桿要進(jìn)行清理,涂抹潤滑油并帶好保護(hù)帽。擴(kuò)孔過程中若需更換滾刀或大鉆頭,應(yīng)在水平巷道內(nèi)做好防護(hù)和警戒設(shè)施,并設(shè)專人看守,防止孔內(nèi)落石傷人。

排渣及污水處理:出渣時裝車車輛距離井筒不小于10 m,且上水平需停止作業(yè)。井筒內(nèi)淋水及擴(kuò)孔時會流下冷卻水,需在下水平設(shè)臨時水倉(或低洼點(diǎn)),由排水泵排走。

3.2.3 溜煤眼完孔及鉆機(jī)拆除

擴(kuò)孔至距透孔點(diǎn)2.5 m時,降低鉆壓慢速鉆進(jìn),緩慢進(jìn)行擴(kuò)孔,直至混凝土基礎(chǔ)透孔成孔。擴(kuò)孔完成后,將擴(kuò)孔鉆頭用接鉆桿方法放到下水平(鉆頭中心管與鉆桿間不要上緊,防止到井下卸不開),在接鉆桿時必須保持正轉(zhuǎn),不要反轉(zhuǎn),防止鉆頭中心管與鉆桿松開,一直放到下水平井底中心的平板車上,然后反轉(zhuǎn)卸開擴(kuò)孔鉆頭中心管與鉆桿間的絲扣,把平板車推離井底附近安全位置,然后利用吊點(diǎn)拆開3.5 m擴(kuò)孔鉆頭,使3.5 m擴(kuò)孔鉆頭達(dá)到在井下的運(yùn)輸條件。上水平提鉆至鉆桿完全提出井筒。將主機(jī)的一些輔助設(shè)備(轉(zhuǎn)盤吊、鉆桿輸送器等)拆下,并把除主推缸外的所有油缸和馬達(dá)油管拆除,安裝鉆機(jī)起架拉桿,操作主推缸片閥控制旋鈕,使主推缸慢慢向上運(yùn)動,帶動動力水龍頭上行,慢慢放倒主機(jī),拆掉主推缸油管及電機(jī)電纜,把主泵站、油箱副泵站、操作臺和主機(jī)撤離工作位置至安全地帶同時封井口,清理現(xiàn)場,全部鉆孔工作結(jié)束。

4 溜煤眼錨固支護(hù)參數(shù)

溜煤眼反井鉆施工后,需及時進(jìn)行圍巖支護(hù),采用礦用錨網(wǎng)主動支護(hù)形式,選取MSGLW-400型錨桿,錨桿長度2 400 mm,直徑φ22 mm,錨桿間排距800 mm×800 mm。選取φ6 mm×1 000 mm×1 700 mm的鋼筋網(wǎng),使用雙層,分別放置距反井鉆井壁圍巖50 mm、150 mm處;配合使用C30混凝土噴漿,噴漿厚度200 mm進(jìn)行支護(hù)。此外井壁支護(hù)層內(nèi)預(yù)留2路直徑φ108 mm的管路,用于后期敷設(shè)電纜等。具體支護(hù)參數(shù)如圖3所示。

根據(jù)以上圍巖支護(hù)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行支護(hù)后,對溜煤眼井口上下端硐室及鄰近井筒段井壁襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測,上下端硐室圍巖未發(fā)生變形,井筒內(nèi)井壁襯砌結(jié)構(gòu)完好,未產(chǎn)生任何裂隙。因此,采用反井鉆施工溜煤眼并配合錨網(wǎng)噴支護(hù),可較好地實現(xiàn)井筒近距離巷道安全高效施工。

5 結(jié)論

淮南礦區(qū)潘三煤礦的主井出煤系統(tǒng)改造工程,采用井筒近距離溜煤眼巷道安全施工工藝及支護(hù)方法?？紤]工程特殊性,選取反井鉆施工工法,通過導(dǎo)孔施工與擴(kuò)孔施工工藝的細(xì)化,實現(xiàn)反井鉆的安全高效施工。為減小對鄰近主井襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,選用錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù),通過施工MSGLW-400型φ22 mm,長2 400 mm的錨桿,錨桿間排距800 mm×800 mm,配合雙層φ6 mm×1 000 mm×1 700 mm的鋼筋網(wǎng),噴厚度200 mm C30混凝土進(jìn)行聯(lián)合支護(hù),經(jīng)巷道圍巖及主井襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性觀測反饋,支護(hù)參數(shù)科學(xué)有效,可為類似井筒近距離巷道工程提供參考。