駱興鴿
(徐州礦務(wù)集團有限公司 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)模的不斷擴大,我國許多煤礦的可采儲量快速減少,加速了礦井進入衰退期,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)的安全保護技術(shù)措施。
礦區(qū)地處黃河沖積平原,地勢比較平緩,地面平均標高+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,主井井口標高為+33.9 m,井底標高為-350.2 m,垂深384.1 m,采用料石砌壁,井筒凈寬5.0 m,井壁支護厚度0.5 m,鋼軌罐道,箕斗提升。副井井口標高為+33.9 m,井底標高為-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,上井口標高為-291.2 m,落底標高為-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。
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
主井、副井和暗立井擔(dān)負著礦井的提升、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,也需要進行適當(dāng)保護,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后近、先上分層后下分層的開采順序,用較遠工作面開采的經(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。
采用有限元法進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)較小;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。
(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,對彎曲嚴重的罐道梁進行切割更換,對彎曲不甚嚴重的罐道梁采取調(diào)整固定螺絲的方式維護。
(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)補挖井壁,對變形破壞嚴重的井壁挖除,掛網(wǎng)噴漿。
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105萬t。
(1)針對向斜厚煤層地質(zhì)采礦條件,設(shè)計制定了井筒保護煤柱的開采方案,采取先遠后近、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技術(shù)措施。
(3)經(jīng)過開采實踐,安全采出井筒保護煤柱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)濟效益和社會效益。