井筒施工中采空区合理充填参数的确定

杨双锁王爱国孙 淼武 剑

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024; 2.同煤集团技术中心,山西省大同市,037000)

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井筒施工中采空区合理充填参数的确定

杨双锁1王爱国2孙 淼1武 剑1

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024; 2.同煤集团技术中心,山西省大同市,037000)

对井筒穿越采空区时的充填范围和充填材料力学参数的合理确定等理论技术问题进行了探讨。给出了采空区扰动的边界效应概念,揭示了采空区导致的岩层移动变形的特征规律。认为:大同矿区条件下采空区的合理充填范围以15～25 m为宜;采空区充填物的力学性质应与采空区顶、底板岩层力学性质接近,通常以单轴抗压强度20 MPa、弹性模量15000 MPa为宜。

井筒 穿越采空区 采空区处理 充填范围 参数

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

近年来,随着浅部可开发煤炭资源的不断减少,深部煤炭资源的开采已成为今后我国煤炭开采的重要对象。而许多地区深部煤层的开发,面临着浅部煤层采空区的影响,并带来了一系列理论和技术问题。对于大同矿区来说,侏罗纪和石炭二叠纪双系煤田与国内其它矿区所赋存的单系煤层相比有其特殊性,随着上部侏罗纪煤层储量的减少,开发下部石炭二叠纪煤层时,井筒穿越采空区施工的局面不可避免,目前,该领域还没有成熟的理论技术体系,尤其是采空区充填的相关理论研究还很缺乏。本文就井筒穿越采空区时,采空区充填范围和充填材料力学参数的合理确定问题进行探讨。

1 采空区力学效应分析

1.1 采空区围岩结构特征

采空区的围岩结构特征可由长壁采场的“三带”和“三区”来概括。“三带”即垂直方向的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带;“三区”即层理方向的煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。井筒穿过采空区不同的“三带”时,其稳定性所受的影响也不尽相同;井筒处在采空区中不同的“三区”位置时,其经受的变形破坏过程也具有很大区别。

1.2 采空区力学效应分析

采用数值模拟方法对大同同忻矿井筒所处区域的采空区力学效应进行了研究。岩层分布及其力学参数如表1和表2所示。

表1 大同同忻矿岩层分布

表2 模型材料主要力学参数

图1 几何模型

数值模型如图1所示。模型长150 m,其中,实体煤部分80 m,采空区部分70 m,模型高度150 m,模型中包含8#煤层采空区。采空区采高1.5 m。

边界条件:模型底部为铅垂方向0位移约束,两侧为水平方向0位移约束;模型施加重力载荷,上边界无约束、无载荷作用,岩层材料为非线性大变形模式。

部分模拟结果如图2～图4所示。图中,UX为水平位移,U Y为铅垂位移,SX为水平正应力, SY为铅垂正应力,SXY为剪应力。横坐标为到模型左边界的距离。

图2为沿顶板下层面路径上的位移分布曲线。最大水平位移为13 cm,发生在进入采空区内2 m的位置;最大铅垂位移为22 cm,发生在进入采空区内70 m的位置。

图3为沿顶板下层面路径上的应力分布曲线。各应力分量均在采空区边界处剧烈变化,最大铅垂应力接近60 MPa。

图4为煤层上方10 m沿水平方向路径上的应力分布。各应力分量的变化趋势同图3,但剧烈程度明显降低。

结合其它结果综合分析,实体煤内部15 m至采空区内部25 m的范围内对应的岩层水平位移较明显。模型中最大水平位移发生在采空区上方的岩层,最大水平位移量达25 cm,最大水平位移点和煤壁的连线与水平线夹角约70°。垂直位移在进入采空区内25 m后达到最大值 (约1.3 m),并趋于稳定。

水平应力分布存在明显的拉应力区,最大值发生在与煤壁水平距离5～15 m区域内的实体煤上方各岩层的顶部。铅垂应力均为压应力,煤壁处应力集中现象明显,达到自重应力的3倍以上。采空区围岩中存在着明显的剪应力,而且分布不均匀,煤壁附近区域剪应力值最大,达15 MPa以上。

综合分析应力、位移特征可知,采空区与实体煤交接的区域,应力和位移变化剧烈,绝对值也较大。距离采空区较远 (50 m)的区域,应力和位移变化比较平缓,但存在支承压力集中现象 (最大纵向应力达15 MPa,高于自重应力约9 MPa)。距离采空区30 m处与50 m处相比,应力、位移及支承压力集中 (最大纵向应力达19 MPa,高于自重应力约13 MPa)现象更明显。距离采空区20 m处最大纵向应力达26 MPa,高于自重应力约20 MPa,即应力集中系数达4以上。距离采空区10m处最大纵向应力达34 MPa,高于自重应力约28 MPa,即应力集中系数达5以上。采空区边界处最大纵向应力达60 MPa以上,高于自重应力约55 MPa,即应力集中系数达10以上。

进入采空区10 m处,纵向位移在采空区对应高度出现台阶状变化,三个应力分量均出现较大幅度的变化,尤其是水平拉应力明显增加。进入采空区20 m处,纵向位移在采空区对应高度出现台阶状变化,三个应力分量均出现较大幅度的变化,水平正应力和剪应力变化明显增强,采空区上方约15 m处剪应力和水平应力出现峰值。进入采空区50 m处,各应力分量、位移分量趋于稳定。

采空区顶板下层面纵向位移在采空区边界对应区域出现锯齿状变化,实体煤对应区域基本恒定,采空区远离边界区域纵向位移达到最大值。水平应力和剪应力在采空区边界区域略有波动,其余部分均匀分布;铅垂应力在紧邻采空区边界的煤体中有明显的应力集中现象,进入采空区后有减压区存在。

采空区上方10 m层位的纵向位移在实体煤对应区域基本恒定,进入采空区后急剧增大。水平应力和剪应力在采空区边界区有明显波动;铅垂应力在紧邻采空区边界的煤体中有明显的应力集中现象,进入采空区后有明显的减压区存在。

采空区上方20 m层位的纵向位移在实体煤对应区域基本恒定,进入采空区后急剧增大。水平应力和剪应力在采空区边界区有明显波动,且水平应力在采空区边界两侧也分别有增压区、减压区存在;铅垂应力在紧邻采空区边界的煤体中有明显的应力集中现象,进入采空区后有减压区存在。

综上分析,采空区对岩层的扰动具有边界效应特征,即在采空区与实体煤交界处的区域内,岩层应力变化和位移变化剧烈,处在此区域的井筒稳定性将会受到最剧烈的影响。

2 充填范围及充填参数的确定

如何对采空区进行合理处理,涉及井筒穿越岩层的力学分析、充填材料选择、施工工艺的优化等内容。

2.1 不同充填范围力学效应分析

以下分别对采空区处理范围为0 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m时的模型进行数值模拟,并进行对比分析。充填物单轴抗压强度取20 MPa,弹性模量取15000 MPa。

分析模型如图5所示,井筒直径为6.5 m,井壁厚度为0.6 m。井壁与围岩粘结式接触,井筒中心距离采空区边界80 m(远离采空区边界,无力学效应的不对称性)。

图5 1/4几何模型及单元划分

边界条件:模型底部为铅垂方向0位移约束,井筒内壁为自由边界,其他各侧边界为水平方向0位移约束;模型施加重力载荷,上边界无约束、无载荷作用,岩层材料为非线性大变形模式。

数值模拟部分结果见图6～图8所示。图中横坐标为井筒高度上某一点到模型底部的距离。

图6 不同充填范围时井壁纵向应变分布

图6为不同采空区充填范围条件下井壁纵向应变沿深度的分布曲线。采空区无充填时,在采空区附近及距离地表30～60 m区间,井壁纵向应变曲线与有充填时的曲线明显分离,而采空区充填范围在10～30 m范围时,井壁纵向应变曲线基本重合,说明采空区充填范围大于10 m后,井壁纵向变形差别不大。

图7为采空区不同充填条件下,井壁剪应力曲线。各曲线在采空区附近及距离地表30～60 m的区间相分离,而采空区充填范围在10～30 m时,井壁剪应力曲线基本重合。

图7 不同充填范围时井壁剪应力分布

图8为不同采空区充填范围条件下井壁纵向应力分布曲线,与图6所示的纵向应变曲线特征相似。采空区不处理时纵向附加应力现象明显:最大纵向应力达15 MPa,明显高于采空区处理后的4 MPa。

图8 不同充填范围时井壁纵向应力分布

综合分析认为,井筒穿越采空区时应进行充填处理,充填范围以15～25 m为宜。

2.2 不同充填材料参数力学效应分析

为了掌握采用具有不同力学性能的充填物对采空区进行处理后的岩层力学响应特征,包括应力分布特征、变形分布特征以及位移分布特征,以掌握采用不同充填物处理采空区时对井筒稳定性的影响,以下对不同力学性能的充填材料处理采空区的力学效应进行模拟分析,充填范围20 m。

模型的几何特征、采空区状况、离散情况等见图5。部分模拟结果见图9和图10。

采空区充填物的弹性模量为5000 MPa时,井壁纵向应变在采空区附近区域有明显突变现象,变化幅度近1000μ ε;采空区充填物的弹性模量为10000～15000 MPa时,井壁纵向应变变化平缓,采空区附近区域无明显突变现象。

采空区充填物的弹性模量为5000 MPa时,在采空区附近区域井壁有明显的纵向附加应力,变化幅度近 1.0 MPa;采空区充填物的弹性模量为10000～15000 MPa时,井壁纵向应力变化平缓,采空区附近区域无明显纵向附加应力。

在采空区附近区域,充填物的弹性模量为5000 MPa时,井壁中的剪应力和剪应变比充填物的弹性模量为10000 MPa～15000 MPa时稍大。

综合分析认为,采空区充填物的力学性质应与采空区顶、底板岩层力学性质接近,通常以弹性模量15000 MPa为宜。

3 结论

综合以上关于采空区对岩层移动变形的影响、采空区对井筒力学效应的影响以及不同充填条件下岩层及井筒力学效应的分析可得如下主要结论。

(1)采空区对岩层的力学扰动存在明显的边界效应特征,即在煤体与采空区交界处一定范围内的应力场、位移场与原岩中明显不同。因此,井筒应尽量布置在采空区边界效应明显区之外。

(2)对井筒穿越的采空区应进行充填处理,充填范围以15～25 m为宜。

(3)采空区充填物的力学性质应与采空区顶、底板岩层力学性质接近,通常以弹性模量15000 MPa为宜。

(责任编辑 张毅玲)

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

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杨双锁 (1963-),男,山西省洪洞县人。太原理工大学博士,教授。长期从事煤矿开采及岩石力学与工程领域的教学及科研工作。