混凝土強(qiáng)度對立井穿煤層期間井筒圍巖穩(wěn)定性影響分析

史 鑫 王海龍 賈 磊

（1.霍州煤電集團(tuán)沁安煤電有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400；2.彬縣水簾洞煤炭有限責(zé)任公司，陜西 彬州 713500；3.山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 新泰 271200）

伴隨淺部煤炭資源的減少，越來越多的礦區(qū)進(jìn)入深部開采，立井開拓所占比重逐步增大。立井井筒工程是整體建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，立井施工技術(shù)復(fù)雜，作業(yè)場所狹窄，工作環(huán)境惡劣[1]。特別是立井在穿透煤層期間，由于煤層力學(xué)特性與巖層力學(xué)參數(shù)的差異性較大，極易引起立井的圍巖變形加劇，危及立井安全施工。因此，立井在作業(yè)過程中需要提供加固和支持，井筒圍巖變形控制是深部煤礦前期開拓作業(yè)的重中之重，由此研究混凝土強(qiáng)度對立井穿透煤巖的圍巖變形控制機(jī)理十分必要，能為立井施工支護(hù)提供一定的參考[2-3]。本文以中峪煤礦副立井為例，研究其在大埋深條件下穿透1 號、2 號煤層過程中不同強(qiáng)度混凝土對圍巖變形控制的影響。

1 試驗(yàn)井筒基本情況

1.1 基本情況

中峪煤礦位于山西省中部，礦區(qū)為一不規(guī)則的長條形，南北最長達(dá)16 km，東西寬為15 km。本次研究的副立井在建設(shè)過程中開鑿深度大，且需要穿過1 號、2 號煤層。礦井1 號煤層厚度為0～2.3 m之間，平均1.11 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，厚度穩(wěn)定；2號煤層煤厚在0～4.15 m 之間，平均2.34 m。

由于煤層與巖層力學(xué)特性差異大，井筒在穿透1、2 號煤層時所面臨的圍巖穩(wěn)定性控制挑戰(zhàn)巨大。中峪煤礦副立井井深874.5 m，凈直徑達(dá)8.5 m。該井筒井壁的部分參數(shù)見表1。

表1 井壁部分參數(shù)

1.2 圍巖力學(xué)性質(zhì)測試

利用井檢孔和掘進(jìn)過程及臨近礦井提取出現(xiàn)場巖性，之后將其加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，對各巖層力學(xué)特性進(jìn)行測試。采用單軸抗壓試驗(yàn)測量煤及頂?shù)装鍘r石的抗壓強(qiáng)度R、彈性模量E 和泊松比μ，采用巴西劈裂法來測試煤及頂?shù)装鍘r石的單軸抗拉強(qiáng)度。

1.3 基本參數(shù)

考慮本次采深較大，主要對1 號和2 號煤層臨近區(qū)域巖層進(jìn)行測試。根據(jù)前期及補(bǔ)充測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過換算處理，得到煤巖的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及密度等參數(shù)。1 號煤層、2 號煤層頂?shù)装寮芭R近巖層的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 1 號與2 號煤層及頂?shù)装鍘r層測試結(jié)果

2 圍巖變形及塑性區(qū)發(fā)育特征模擬分析

本文確定采用FLAC3D分析中峪煤礦副井穿煤層期間的圍巖變形及塑性區(qū)發(fā)育特性[4-10]，探究井筒壁支護(hù)強(qiáng)度對立井穿煤層的影響機(jī)制。

2.1 試驗(yàn)方案及模型構(gòu)建

模型模擬立井掘進(jìn)過程中開鑿、支護(hù)、掘進(jìn)交替進(jìn)行的過程，模型尺寸為102 m×102 m×90.8 m，共模擬22 層煤巖層，1 號煤層之上7 層，2 號煤層之下9層，井筒荒徑10.2 m。由于本次計(jì)算埋深較大，且不對地表移動變形做研究，為加快計(jì)算速度將距巷道較遠(yuǎn)的上覆巖層及表土層簡化為均布載荷施加于模型上方。模型的網(wǎng)格劃分采用內(nèi)圈較細(xì)、外圈逐漸增大的方式進(jìn)行分布劃分。模型采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，構(gòu)建模型示意如圖1。

圖1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格示意

按照實(shí)際設(shè)計(jì)掘進(jìn)速度進(jìn)行分段掘進(jìn)、分段支護(hù)方式自上向下掘進(jìn)方式進(jìn)行。井壁混凝土強(qiáng)度的影響分析，主要分析在不同井壁強(qiáng)度（混凝土標(biāo)號C30、C40、C45、C50）下圍巖的應(yīng)力分布、塑性區(qū)分布特征及變化規(guī)律，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并繪制圖像。

在對鋼筋混凝土井壁進(jìn)行數(shù)值模擬時，鋼筋混凝土井壁模型（釆用Mohr-Coulomb 模型）的材料參數(shù)參照模擬實(shí)例，并結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的模擬經(jīng)驗(yàn)，確定不同標(biāo)號混凝土在模型中參數(shù)，見表3。

表3 鋼筋混凝土筒壁巖層參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

（1）井筒位移變形統(tǒng)計(jì)

在不同井壁混凝土標(biāo)號（強(qiáng)度）下，井筒穿煤層位置最大變形量出現(xiàn)在煤層附近。井筒過1 號煤層、2 號煤層后，變形量分布呈明細(xì)夾層現(xiàn)象，靠近軟弱巖層（泥巖、煤層）出現(xiàn)變形增大的趨勢。1 號煤層處的井筒最大變形量由21.0 mm 逐漸減少到了5.1 mm，2 號煤層處的井筒最大變形量由21.3 mm 減少到7.6 mm，降幅分別達(dá)到75.7%、64.3%，控制效果顯著，如圖2。

圖2 井筒最大變形量

（2）井筒應(yīng)力分布特征

井筒過1 號煤層、2 號煤層后，應(yīng)力分布呈現(xiàn)明顯夾層現(xiàn)象，即出現(xiàn)應(yīng)力集中，煤層承載應(yīng)力較高。如圖3，隨著混凝土標(biāo)號的升高，1 號煤井筒位置的最大應(yīng)力由40.1 MPa 逐漸減到28.7 MPa，2號煤井筒位置的最大應(yīng)力由43.8 MPa 減少到了27.5 MPa，降幅分別達(dá)到28.4%、37.2%，控制效果顯著，最大應(yīng)力出現(xiàn)在煤層附近。

圖3 井筒最大應(yīng)力值

（3）塑性區(qū)發(fā)育特性

通過分析，靠近煤層區(qū)域的井筒圍巖為塑性區(qū)發(fā)育最顯著的位置。當(dāng)混凝土標(biāo)號自C30 增大到C50 的過程，1 號煤塑性區(qū)的最大發(fā)育深度自3.2 m逐漸減少到0.7 m 左右，減少約78.1%；2 號煤塑性區(qū)的最大發(fā)育深度自2.9 m 逐漸減少到0.9 m 左右，減少約69.0%，如圖4。

圖4 塑性區(qū)發(fā)育深度

3 結(jié)論

（1）采用數(shù)值模擬了井壁不同混凝土標(biāo)號條件下分布特征，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力、塑性區(qū)、變形量分布存在明顯的夾層效應(yīng)，煤層為支護(hù)的難點(diǎn)位置。

（2）在井筒最大變形量方面，混凝土標(biāo)號C50 較C30、C40、C45 能同比減少約64%～75%、57%～67%、49%～54%；在最大應(yīng)力方面，混凝土標(biāo)號C50 較C30、C40、C45 能同比減少約28%～37%、18%～30%、5%～23%；在塑性區(qū)最大發(fā)育深度方面，混凝土標(biāo)號C50 較C30、C40、C45能同比減少約68%～78%、52%～70%、30%～59%；C50 能將最大變形量控制在10 mm 以下，最大應(yīng)力控制在30 MPa 以下，塑性區(qū)的最大發(fā)育深度控制在1 m 以內(nèi)，可以有效控制井筒穿煤層期間的圍巖變形。