硕士论文:对固体充填控制井筒变形临界充实率探析

1 绪论

　　1.1 研究背景及意义

　　1.1.1 研究背景

　　随着煤炭资源开采强度和开采规模的加大,可采储量日益枯竭,回收"三下"煤柱尤其是建筑物下压煤逐渐成为资源枯竭型矿井稳定可持续发展的有效手段之一.而资源枯竭型矿井在回收煤柱过程中面临的建筑物破坏和资源浪费问题十分突出,具体表现在以下几个方面:

　　(1)工广下压煤严重

　　大量煤炭资源采出使得我国大多数煤矿尤其是东部部分矿井进入衰老阶段,该阶段矿井为了延续生产不得不寻求转型或回收三下压煤.相关统计表明,截止2018 年我国生产矿井"三下"压煤达 140 亿 t 左右,其中工业广场地面由于存在大量建筑物导致其压煤量较大,占总压煤量的 58%,约 80.7 亿 t.从国家及矿井发展的长远角度考虑,工广煤柱回收有利于提高煤炭资源回收率[1,2].

　　(2)工广区域内建筑物破坏严重

　　回收保护煤柱势必会引起岩层移动进而导致地表建筑物变形破坏.如何确保工广煤柱回收过程中井筒的安全使用,成为亟需解决的一大难题.众所周知,工业广场地表存在大量建筑物,甚至还有矿井的咽喉-井筒[3~7].井筒不仅在整个生产过程中担负矿井的通风、运料等重任,甚至还关系到矿井的正常生产和经济效益,因此必须保障其在回收工广压煤工程实践中正常使用[8,9].

　　(3)矿山固体废弃物排放量大

　　矿山生产过程中往往会产生大量固体废弃物,主要包括采煤产生的煤矸石、选矿产生的尾矿和冶炼产生的矿渣等.传统处理方式是直接堆放在地面形成矸石山.随着煤矿服务年限增长,矸石山规模和占地面积不断扩大,据统计煤矿固体废弃物总量每年以2.0亿t的速度增加.以兖州煤业股份有限公司南屯煤矿而言,矸石年产量约 30 万 t,周边东滩煤矿或鲍店煤两矿井矸石年产量达百万以上.固体废弃物堆积在地表不仅会占用大量土地使用面积,浪费土地资源;形成的矸石山还会存在自燃发生火灾,或在雨季崩塌,引起自然滑坡等问题[10~13].

　　1.1.2 研究意义

　　矿井生产进入衰老期后,不得不面临矿井的持续生产经营问题,即在资源枯竭的条件下实现对矿井煤柱的回收.本论文以南屯煤矿回收工广保护煤柱为背景,研究固体充填开采对井筒变形的影响,设计充填回收保护煤柱的合理充实率方案.具有以下意义:

　　(1)为矿区的可持续发展提供理论技术保障

　　生产矿井进入衰老阶段,将面临可采资源接近枯竭,生产经营等各方面问题.这一阶段,矿井剩余资源大部分为边角煤量和"三下"压煤,工作面很难正规布置,掘进工作量大,导致矿井采掘关系紧张.因此,回收易采储量的矿井工广煤柱,有利于解决衰老矿井资源紧张,维持衰老矿井可持续生产经营问题.

　　(2)对提高煤炭采出率、煤矿经济效益具有重要意义

　　矿井进入衰老阶段后,"三下"压煤量占到矿井剩余可采储量的绝大部分.回收"三下"压煤量,可提高残采期煤炭采出率,满足衰老矿井生产经营的需要,有利于延长矿井的生产服务年限.

　　(3)对极近距离煤层充填开采进行研究,有利于拓宽充填开采研究领域

　　固体充填开采作为开采"三下"压煤量的重要手段,随着煤炭资源减少以及对环境保护的重视,未来将会用于更多矿井生产.目前对于固体充填回收工广保护煤柱方面的研究较少,该研究可为拓宽固体充填开采研究领域起到重要作用.

　　(4)为维护井筒稳定性提供理论依据,对煤矿安全生产具有重要意义

　　井筒自上而下穿过多个岩层,导致井筒在垂直方向上各部分物理性质差异较大.且井筒各处受重力、水平应力、竖向应力综合作用,受力情况极为复杂,变形破坏情况难以预计.因此,对煤柱回收造成的井筒的破坏特征及稳定性进行研究,对煤矿安全生产具有重要意义.

　　1.2 国内外研究现状

　　1.2.1 井筒保护煤柱回收

　　(1)井筒煤柱回收国外研究现状

　　国外对于井筒保护煤柱回收进行大量实践[3],总结见表 1-1.

　　由表 1-1 可知国外井筒保护煤柱回收具有如下特点:从回收井筒保护煤柱内煤层的开采顺序来看,一般采用逐层回采,或者先采薄的和深的煤层后采厚的和浅部煤层,大致遵循先易后难的原则.井筒和煤层位置关系可分为井筒穿过开采煤层、井筒位于开采煤层的上方、井筒位于开采煤层的一侧三种.大多数的煤层为缓倾斜煤层,地质构造和水文条件都较为简单.涉及井筒大多数为风井,少数为主、副井.

　　(2)井筒煤柱回收国内研究现状

　　同国外的回收井筒保护煤柱实践相比,我国煤柱回收具有起步晚、技术难度大的特点[14,15].以淮南大通矿七号井为例,该矿地质构造复杂,煤层倾角大,有大断层切割井筒与开采煤层群,属于在煤层群回收井筒保护煤柱.此次开采实践在技术上掌握了急斜煤层开采引起断层滑动规律[16].

　　除大通矿外,同期淮南九龙岗矿也成功回收了主、副井与工业广场煤柱,对于我国井筒保护煤柱回收技术的发展起了推动作用[17].与此同时,上世纪80年代丰城矿务局建新二井和牛马司矿的麻园存矿井,也取得了回收倾斜煤层条件下的井筒保护煤柱的经验[18].总结国内井筒保护煤柱回收案例见表1-2.

　　综上所述,从技术难度角度看我国开采实践难度较大;从自然条件看,波兰、苏联等国家多数是缓倾斜煤层开采,地质构造简单,而且开采的多数为风井和辅助井煤柱,并用充填法管理顶板[19].目前充填采煤法逐渐走向成熟,国内外采矿专家学者对充填采煤技术、工艺及充填材料进行了大量的研究和实践,并取得了一些有益的成果[20-30]:充填开采回收煤柱的主要原理在于采用各种充填材料充填采空区实现对采空区顶板岩层运动的控制,阻止上覆顶板的垮落,来控制地表沉陷,实现安全回收煤柱的方法.

　　近些年,张吉雄等[31-52]等学者在固体充填采煤岩层移动、固体充填采煤关键设备等方面取得了丰硕的研究成果:张吉雄等认为固体充填开采作为煤矿绿色开采技术的主要方向之一,已逐渐成为工广煤柱回收过程中井筒变形控制的关键技术,它通过固体充填采煤液压支架等关键设备实现充填和采煤的并行作业,实现岩层移动与井筒破坏的主动控制.李猛等为解决含水层下单层煤开采问题,分析了固体充填开采覆岩导水裂隙演化特征并设计了受含水层影响的煤层充实率.

　　1.2.2 井壁变形破坏研究

　　(1)井筒变形研究方法

　　自上世纪60年代开始,国外出现以有限元法为主要代表的岩石工程稳定性的数值计算方法[53~56].西德学者H.克拉茨等人通过积分格网法对岩体移动和变形进行计算,并给出了水平和急倾斜煤层开采时岩体内移动和变形区域的分布.国外对岩层及地表移动变形的研究主要采用影响函数法和数值模拟法[57~60].同国外相比,我国井筒保护煤柱回收的试验研究始于上世纪七十年代.我国学者立足我国煤矿开采实际情况,并借鉴国外先进采矿经验的基础上,将国内对井筒保护煤柱回收的研究方法分为如下几种类型.

　　①经验公式法

　　该方法通过总结分析地表移动观测资料,建立出适合类似地质条件的经验公式[61].

　　②函数法:

　　a.影响函数法:我国学者刘宝琛[62]等人通过对随机介质理论开展研究,并逐步将其发展成概率积分法.柴一言[63]等人将概率积分法应用于矿井的沉陷计算中.

　　b.剖面函数法:剖面函数是将开采条件下的主断面内移动分布情况以函数形式表示出来.其中蔡音飞等人[64,65]剔除剖面函数法中其他开采和地质因素影响,应用重定义参数后的影响函数法很好地拟合非了水平地表条件下的数值模拟结果和现场观测数据.

　　c.典型曲线法:该方法常被应用于矩形移动盆地主断面上的岩层和地表移动变形,例如我国峰峰矿区和平顶山矿区等地.

　　③连续介质力学方法

　　a.薄板力学模式:采用该种模式前提必须要满足既可以将岩板定义为薄板的几何条件又符合薄板弯曲小挠度理论的条件.李文秀、尹光志[66~68]等学者都曾采用弹性薄板法对岩层和地表移动进行了计算.

　　b.其它力学模式:邹友峰[69,70]等人将上覆岩体视为粘弹性悬臂梁,求得地表和岩层移动的计算公式.冯强[71,72]采用二重Fourier积分变换,计算得到地表和岩层内部移动变形空间问题的解.

　　④物理模拟和数值模拟方法

　　随着模拟技术的不断发展,物理模拟和数值模拟手段不断更新.现阶段常见的物理模拟手段主要有相似材料模拟、光电模拟等.在应用方面,王炯[73~75]等通过物理模拟试验来研究岩层及地表移动.随着数值模拟软件不断研发、推广,该方法在岩层和地表移动变形计算方面得到广泛应用.彭苏萍、何满潮[76~80]等学者采用数值模拟方法对岩层移动进行研究.

　　(2)井筒变形研究成果

　　上世纪国外学者对井筒变形研究都是基于"井壁变形等于岩石变形"假设[73].后来的实际观测证明该假设具有较大的局限性.在此之后国外学者对井筒变形进行了更深层次探索:波兰学者M.鲍莱茨基给出了井壁水平压力计算公式并进行了立井井壁矿压模拟试验.西德学者H.克拉茨[54]通过研究井壁变形及受力情况,列出了相关计算方法.

　　与之对应,我国学者在井筒变形方面也取得众多研究成果,李军要等给出了井壁在均匀与非均匀侧压力作用下的内力计算方法以及复合井壁的受力计算[81,82].崔广心等[83~87]通过研究井壁荷载分布,研制了多功能的大型三轴立井模拟试验台.刘希亮[88]等人通过归纳各工程案例中井壁外载组合,总结了井壁受力荷载和附加力种类.姚直书等学者[89~92]深入的分析和探讨了井壁岩土层所受摩擦力.

　　1.2.3 井筒变形控制方法及机理

　　通过查阅国内外文献,将井筒变形控制机理研究整理见表1-3.

　　(1)提高井壁抗变形能力

　　①井壁加固技术

　　井壁变形破坏不仅具有突发性,而且变形会随着工作面回采而蔓延.为控制井筒破坏发展,一般采用加固井壁破坏段的方式.常用的井壁加固技术有:用锚杆连接井壁和围岩、焊接钢板槽钢与防水层等.要阻止井壁破坏或防止破坏范围继续扩大,可采用挂金属井圈的办法,以便在井壁水平截面上施加均匀反力.

　　②套壁加固方法

　　套壁加固是用高强度的材料加厚或替换掉井壁破坏部分,以提高井壁强度.具体做法包括在井壁破裂段处用高强度材料(铁轨、槽钢)加固井壁表面,喷混凝土巩固井壁断面等.根据实践经验,套壁加固方法应用效果受地质条件影响较大.在表土层较薄且含水层水头后期沉降减小、压缩量递增不明显时,套壁加固法控制井筒变形效果显著.当井筒土层埋深大且含水土层连续失水明显时,套壁加固效果甚微虽然可以暂时阻止井壁继续破坏,但一般随着时间发展井壁极有可能再次发生二次破裂.

　　(2)提高井壁围岩强度

　　联合支护加固技术指采用采用锚索、锚杆等多种支护方式共同作用,改善井筒围岩受力状态,使井筒围岩与支护体系形成稳定结构.其中锚杆群的锚固作用可使围岩形成具有共同支承作用的岩体承载拱;铺设金属网可防止破碎岩石的掉落,增强井壁支护力;采用喷射混凝土支护通过将混凝土注入破坏围岩的裂缝,一方面用于填补凹面减小应力集中,另一方面使井壁密贴岩体,堵隔井壁涌水.

　　(3)衰减井壁上附加力

　　卸压槽法属于控制井筒变形的应急措施,一般采用套圈、套钢板并配合壁后注浆方式应用于发生破坏后的井壁破坏治理.根据工程实践表明,采用卸压槽法井壁有可能继续发生变形甚至重复破裂.由于井壁竖向附加应力作用和井壁重复破裂,采用卸压槽法被动控制井壁破坏是有局限性的.基于国内外的经验和启示郭文兵,杨平等人提出了卸压槽设计的总体原则[93~95].

　　(4)加固地层强度

　　该方法通过向含水层注浆充填加固,提高土层的整体强度,减少地层下沉及其引发的竖向附加应力达到保护井壁的目的,主要分为地面注浆和破壁注浆两种.

　　①破壁注浆加固方法

　　破壁注浆是一种较为早期的治理井壁破裂的方法,该方法通过钻孔向井壁灌注浆液至土层或强风化岩层,在井筒周围形成一个帷幕带.通过减轻井壁承受的附加应力,改善井壁的受力环境;同时,浆液填充满井壁与周围土层或岩层之间的空隙,进一步提高了井壁防水、抗渗能力.

　　②地面帷幕注浆加固方法

　　与破壁注浆类似,地面帷幕注浆通过打孔注浆,将浆液灌入岩体或土层的裂隙、孔隙,在井筒外围形成连续的注浆帷幕,以减小渗流量和降低渗透压力.但帷幕尺寸较破壁注浆大,且经工程经验反馈,地面帷幕注浆治理井壁破坏效果优于破壁注浆.

　　(5)维持含水层水头高度

　　维持含水层水头高度旨在降低因地层固结而产生的附加应力,将水头高度维持在安全范围内.值得指出的是,由于水头控制措施技术难度大、经济成本高,该措施的实现难度还是很大,使用案例极少.

　　综上所述,国内外煤矿科技工作者已对井筒变形方法、控制技术等方面进行了大量的研究.但采用固体充填技术控制井筒变形的理论研究和工程实践研究甚少.对于固体充填控制井筒变形机理以及极近距离煤层充实率和井筒变形变化规律等方面没有研究.考虑到井筒保护的必要性和充填技术的不断推广,关于这方面的研究显得更加重要,因此,这也是本文的主要研究内容.