不同側(cè)壓系數(shù)對立井穿煤層井筒圍巖穩(wěn)定性影響分析

張 東 訾亞楠 史 鑫

（1.彬縣水簾洞煤炭有限責(zé)任公司，陜西 彬州 713500；2.霍州煤電集團沁安煤電有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

在淺部煤炭資源日益殆盡的背景下，越來越多的礦井開始向深部發(fā)展，而立井開拓作為其中主要的開采方式，未來的相關(guān)技術(shù)發(fā)展十分重要。立井施工不僅受到地質(zhì)條件的限制，而且其工作場所狹窄、施工條件較差等因素使得相關(guān)研究必不可少。

本次研究的中峪煤礦為霍州煤電集團規(guī)劃設(shè)計的主力礦井，其副井建設(shè)過程中開鑿深度大且同時需要穿過1 號煤層、2 號煤層。立井掘進過程中穿煤層期間，由于卸壓等因素導(dǎo)致兩煤層的力學(xué)特性與其他巖層存在一定的梯度差，井筒圍巖變形呈現(xiàn)出不同的特點，因此需要進行專題研究與分析。

1 試驗井筒基本情況

1.1 基本情況

該煤礦地理位置處于山西省長治市沁源縣地界內(nèi)，是山西省的中心位置，其南北縱向長達16 km，東西橫向?qū)挒?5 km。本次研究的立井為工業(yè)廣場位置的副立井。地層平均厚度約為33 m，煤層3～6 層，厚度約為2.26～6.01 m 之間，均厚4.5 m。開采煤層情況見表1。

表1 開采煤層情況

該井筒井壁的部分參數(shù)見表2。

表2 井壁部分參數(shù)

1.2 圍巖物理力學(xué)特性測試

通過巷道掘進過程中及鄰近礦井開采現(xiàn)場巖體，然后對試件進行加工，通過相關(guān)試驗分析各巖層力學(xué)特性，實驗方法分別為巴西劈裂法、單軸抗壓試驗以及變角剪切試驗。

1.3 測試數(shù)據(jù)

本次試驗主要測試的巖層為1 號和2 號煤層相鄰區(qū)域的22 層巖層，具體參數(shù)見表3。

表3 煤層及頂?shù)装鍘r層測試結(jié)果

2 煤層圍巖變形模擬分析

通過使用FLAC3D軟件，分析不同側(cè)壓系數(shù)下煤礦副井穿煤層圍巖的變形特點，并找出側(cè)壓系數(shù)對塑性區(qū)發(fā)展的影響機理[1-6]。

2.1 試驗方案及模型參數(shù)

本次模擬模型的建立是通過對掘進過程中煤層開鑿以及巖體支護等過程的模擬，建立模型尺寸為102 m×102 m×90.8 m。此外，因為煤層埋深較大，所以對于地表影響較低，可不予考慮。劃分模型網(wǎng)格內(nèi)圈較細，外圈逐漸增大。

模型采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，能較好地反映材料在彈塑性階段的受力變形特征，且針對大模型有較高的計算效率。構(gòu)建模型示意如圖1。

圖1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格示意

地應(yīng)力是漫長地質(zhì)時期形成的巖體內(nèi)生應(yīng)力，成因復(fù)雜，影響因素眾多，是影響深井巷道圍巖穩(wěn)定性的重要因素之。大量的針對性研究與測試表明：中峪煤礦所在區(qū)域的地應(yīng)力隨著深度的變化呈現(xiàn)不同的規(guī)律[7]，參考前期霍州礦區(qū)地應(yīng)力參數(shù)尤其是側(cè)壓系數(shù)的變化特點，本次模擬側(cè)壓系數(shù)分別為1.0、1.1、1.3、1.5 時，井筒穿煤層期間的應(yīng)力、變形及塑性區(qū)發(fā)育特征。

2.2 不同側(cè)壓系數(shù)的影響分析[8-10]

（1）井筒位移變形統(tǒng)計

在不同數(shù)值的側(cè)壓系數(shù)下，得到了不同的井筒穿煤層位置的應(yīng)力分布，且煤層最大變形量位于煤層周圍，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表4。

表4 煤層最大變形量統(tǒng)計 mm

通過軟件模擬結(jié)果可以得出：隨著側(cè)壓系數(shù)的逐漸增大，煤層的最大變形量也有不同程度的增加，尤其是軟弱巖層周圍，變形量增加的同時以夾層現(xiàn)象出現(xiàn)。如圖2。

圖2 井筒最大變形量

表5 最大應(yīng)力分布統(tǒng)計 MPa

圖3 井筒最大應(yīng)力值

（3）塑性區(qū)發(fā)育特性

從軟件結(jié)果分析來看，煤層周圍的圍巖塑性區(qū)發(fā)育最為明顯，隨著側(cè)壓系數(shù)的升高，煤層塑性區(qū)也有不同程度的增加，如圖4，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表6。

表6 塑性區(qū)發(fā)育程度 m

圖4 井筒塑性區(qū)最大發(fā)育深度

2.3 現(xiàn)場施工方案改進

模擬結(jié)果表明：設(shè)計層段的井筒雙層鋼筋混凝土（厚度850 mm）可以滿足現(xiàn)場支護實際需求，2煤和1 煤位置的最大應(yīng)力和變形量分別控制在43.7 MPa（40.1 MPa）、156.7 mm（146.2 mm）內(nèi)，但塑性區(qū)發(fā)育最大可達到5.5 m（5.1 m），對井筒的長期穩(wěn)定性會造成影響。因此，設(shè)計采用超細水泥漿（水泥比表面積≥800 m2/kg）對穿層段煤巖層進行加固，按照1.40 的安全系數(shù)進行設(shè)計，2 煤和1煤位置的注漿深度分別不小于7.70 m、7.14 m。

3 結(jié)論

（1）通過FLAC3D軟件測試，采用了四個不同數(shù)值的側(cè)壓系數(shù)，其分別為1.0、1.1、1.3、1.5。在不同側(cè)壓系數(shù)下，煤層圍巖的應(yīng)力、變形以及塑性區(qū)呈夾層分布，同時該部位也是井筒開拓支護難點。

（2）通過對模擬的分析可以得出：

① 煤層最大變形量。隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，1 號煤層和2 號煤層處的變形量也隨之增加，1 號煤層由75.1 mm 增加至145.2 mm，2 號煤層由76.3 mm 增加至156.7 mm，增加幅度分別為94.7%與105.4%，因此側(cè)壓系數(shù)對于井筒最大變形量控制效果較為顯著。

② 煤層最大應(yīng)力。當(dāng)側(cè)壓系數(shù)升高時，1 號煤井圍巖最大應(yīng)力從25.1 MPa 增至40.1 MPa，2 號煤井圍巖最大應(yīng)力由26.6 MPa 增加至43.7 MPa，增加幅度分別達到59.8%、64.3%，控制效果明顯，且最大變形量出現(xiàn)在煤層附近。

③ 塑性區(qū)最大發(fā)育深度。隨著側(cè)壓系數(shù)的升高，1 號煤層附近圍巖的塑性區(qū)發(fā)育深度由2.3 m 增至5.1 m 左右，增加幅度約為142.9%；2 號煤層附近圍巖的塑性區(qū)發(fā)育深度自2.5 m 逐漸增加到5.5 m左右，增加幅度約為120.0%?？梢缘贸觯簜?cè)壓系數(shù)越低，則煤層井筒圍巖的穩(wěn)定性越高，開采難度適當(dāng)降低，控制效果增強，塑性區(qū)發(fā)育減弱。

（3）模擬分析發(fā)現(xiàn)：設(shè)計的穿層段井筒雙層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（厚度850 mm）可滿足現(xiàn)場實際需求，但為防止塑性區(qū)發(fā)育過大影響井筒長期穩(wěn)定性，設(shè)計采用超細水泥漿對穿層段進行加固，2 煤和1 煤位置的注漿深度分別不小于7.70 m、7.14 m。