煤矿矿井井筒穿越采空区的治理方法

李 实

(煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030001)

1 工程概况

某矿井位于山西省怀仁县、左云县交界处，占地17 km2。该矿井生产建设管理经验丰富，在规模、资产及技术方面有较强的综合实力，为简化工艺环节，力求以最少的工程量增加、尽可能低的建设投资和短期的工期，在少影响或不影响现有生产的前提下对矿井各个环节能力进行优化改造。

矿井环节能力改造后采用斜井开拓方式，新建主井、副井及风井场地。其中新建的缓坡副斜井倾角7°，斜长1 182.39 m(其中含50 m平段)，净宽5.6 m，净断面20.72 m2，担负矿井含人员运输在内的全部辅助运输任务，兼作矿井进风井及安全出口。根据勘察资料显示，副斜井井筒需要穿越煤层采空区，为保证副斜井井筒的安全，研究副斜井井筒在煤层采空区地段的治理至关重要，这也是本文研究的核心问题。

2 地层情况

勘察资料显示，井筒最深至石炭系中统本溪组与太原组底界面附近，即井筒处于石炭系中统本溪组至地表的第四系地层之间。拟建井筒穿越地层由老到新为：石炭系、二叠系、侏罗系及新生界第四系。井筒穿越的煤层采空区主要为位于3号煤层以下10 m～30 m、太原组中上方的5号煤层，该煤层属稳定型煤层，平均厚度10 m，该煤层具有层位稳定，复杂结构、大厚度的特点，其顶板、底板及夹矸主要成分为砂质泥岩、粉砂岩与高岭质泥岩。

现场勘察显示：上述区域岩体完整性遭到破坏，主要表现为岩块呈碎石状、层间结合程度不高、围岩稳定性差强人意，采空区正是导致上述现象发生的元凶。这样的地质条件下建设井筒极易出现塌陷现象，为工程质量、作业人员安全造成极大隐患。

3 井筒对采空区地段围岩变形的影响及采空区危害性评价

采空区地段围岩的类型分两大类，一类为以泥岩、粉砂岩为代表的软弱层状结构；另一类则是以采空区塌陷冒落区为代表的散体结构岩体。这两类围岩的主要变形破坏形式包括膨胀内鼓、重力坍塌与塑性挤出。井筒建设将对采空区地段围岩的稳定性产生不利影响，影响方式与采空区和井筒的上下相对位置有关，若井筒高于采空区，煤层的开采会导致采空区覆岩垮落；若井筒低于采空区，煤层的开采可能使地板产生裂缝、裂隙。

根据勘察资料，本地段采空区变形尚未结束，井筒在开挖过程中，极易塌陷，因此，本地段采空区必须进行治理。

4 井筒穿越采空区时的处理原则

4.1 根据煤层的赋存条件采用相应的处理措施

受煤层的厚度、倾角以及倾向的影响，采空区位于井筒断面内的位置不同，井筒建设对围岩稳定性的影响程度、影响方式亦有不同，故有必要根据煤层的赋存条件及采空区的状态采用对应处理措施。

4.2 根据井筒开挖应力重新分布提出处理方法

井筒周边岩体的应力状态受到井筒开挖的影响，若围岩某处岩体强度不足以抵抗井筒围岩压力，井筒周边的部分岩体便可能发生松动,并发展成为塑性区。为防止隧道因发生大变形而破坏，有必要对塑性区内的围岩加强支护。因此，确定塑性区的范围至关重要。塑性区范围的确定主要有现场量测和经验公式两大类，塑性区半径R0可通过下式计算。

(1)

式中：a——井筒开挖半径，m；

p——原岩体应力，kPa；

pi——支护对井筒围岩反力，kPa；

c——井筒围岩的粘聚力，kPa；

φ——井筒围岩内摩擦角，(°)。

4.3 适当加大预留量

由于煤层较软，煤采出后的煤系地层可能出现较大变形。因此，在井筒断面设计时，应适当增加预留量[3,4]。

5 井筒穿越采空区的治理方法

5.1 采空区位于井筒底板以下

若采空区位于井筒底板以下且未在井筒断面内出露，但距井筒底部较近，可在井筒内钻孔注入水泥砂浆，提高采空区原充填料的强度，以防止井筒下沉。

在工程中，使用阀管双液压力注浆法对采空区进行加固。注浆孔孔径65 mm，孔间距1.2 m，孔深根据采空区埋深确定。采用水泥浆水玻璃混合双液灌注，水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.9，水玻璃模数为3.2，浓度为40°Be。水泥浆与水玻璃体积比为1.3∶1。注浆压力控制在0.6 MPa～1.0 MPa。注浆量根据地层变化及现场确定。单孔每米注入量不少于400 kg。

5.2 采空区位于井筒洞身上方

当采空区位于洞身上方，特别是近水平、缓倾斜的采空区且距井筒顶部较近时，可采用U型钢棚支撑加强支护。本工程煤层顶板主要为泥岩、砂岩，平均重度22.0 kN/m3，综合内摩擦角60°，设计井筒的开挖半径为2.8 m，井筒的最大埋深为130 m。根据本文式(1)可求得井筒的塑性区半径R0=2.4 m；井筒上的均布荷载最大值可根据式(2)计算，为618.2 kPa。

(2)

式中：γ——岩体的重度,kN/m3；

H——上覆岩层的厚度，m；

a——井筒的开挖半径，m；

λ——侧压力系数；

θ——滑面摩擦角，(°)。

对于井筒开挖引起的塑性变形，设计采用锚杆、锚索加固，其中锚杆采用φ22×2 400 mm的左旋无纵肋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，每根锚杆配一支CK2335型超快速药卷、一支K2360型快速药卷，锚杆托板选用拱形预应力铁托板，托板规格为100 mm×100 mm×16 mm；锚索采用17.8×7 300 mm钢绞线，间排距为2 000 mm×2 400 mm，每根锚索配一支CK2335型超快速药卷、两支K2360型快速药卷，锚索托板采用300 mm×300 mm×16 mm的方形铁托板，施工时锚索须锚至顶板稳定岩层中，其长度应根据顶板岩层情况合理调整。

采用29U型钢支护抵抗岩体作用在井筒上的荷载，U型钢底部使用尺寸为200 mm×200 mm×8 mm×12 mm的H型钢与其焊接，二者水平间距800 mm。井筒筒壁喷射200 mm厚的C20混凝土面层，混凝土面层内铺设由直径为8 mm的钢筋加工而成的双层钢筋网片，网格间距为100 mm×100 mm，两网片之间搭接长度不小于100 mm，采用双股16号铁丝连接。

6 结语

本文联系工程实际，阐明了采空区对井筒建设影响的类型和机理，从井筒和采空区的相对位置出发对井筒穿越采空区的处理方法做出具体阐述，主要结论如下：

1)若井筒的位置高于采空区，煤层的开采会导致采空区覆岩垮落；若井筒位置低于采空区，煤层的开采可能使地板产生裂缝、裂隙；

2)讨论了井筒建设遭遇采空区时的处理原则,即治理采空区、支护和加大预留量；

3)阐明井筒建设遭遇采空区时的处理方法。采空区和井筒的相对位置不同，采空区治理方式亦有不同。当采空区低于井筒时可采取注浆的方式处理采空区；当采空区高于井筒时可采用U型钢棚支撑加强支护。