采动影响下暗立井稳定性及支护关键技术研究.pdf
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1、2023 年 10 月Oct.,2023doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.027采动影响下暗立井稳定性及支护关键技术研究(1.山西阳泉荫营煤业有限责任公司,山西 阳泉 045000;2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400037;3.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037)摘要 为解决采动影响下回风暗立井井壁失稳问题,通过数值模拟对采动影响下的回风暗立井井壁稳定性开展了相关研究工作。结果表明:煤层的采动对井壁稳定性存在一定程度的影响,采用钢板筒支护的井壁能够有效地改善井壁应力集中、抵抗煤层采动带来的井壁变形,能够满足实际生产需求
2、,保证回采期间上下巷道的通风安全。根据数值模拟结果及工程实际条件,选择了合理的反井施工工艺,制定了安全可靠的钢板筒支护施工方案,并总结了相关施工经验。关键词 反井施工;数值模拟;应力分布;井壁稳定性;井壁支护中图分类号 TD322文献标识码 B文章编号 1672蛳9943(2023)05蛳0084蛳020引言在矿井开拓过程中,受场地、设备运输等限制,越来越多的矿井在施工小直径暗立井时采用反井钻井法咱1暂。反井钻井法作为我国立井施工中的重要工艺之一,应用在煤炭、水电、非煤矿山等诸多行业的地下工程中咱圆暂。随着我国反井工程对施工安全、施工质量等问题的逐步深入研究,目前的反井工程施工工艺已日趋完善咱
3、猿-源暂。某煤矿回采工作面通风方式为 Y 型通风+回风暗立井,即在风巷每间隔一段距离布置 1 个回风暗立井连接下伏煤层 2 的底抽巷,使底抽巷兼作 Y 型通风的尾巷。由于国内鲜有类似的通风布置方式,尚无同类地质条件下的理论及施工经验可供参考,尤其是井壁围岩的稳定性同时受到暗立井开挖及煤层采动的影响,给设计和施工造成了一定的困难。该通风方式条件下,回风暗立井的稳定性决定了回采工作面的通风安全。本文通过数值模拟,对回风暗立井在采动影响下的围岩稳定性及应力分布特征开展了系统探讨,为回风暗立井的施工及支护提供理论支撑,以确保回采期间工作面的通风安全。1工程概况根据工作面设计方案,将回风暗立井上口布置在
4、 Y 型通风上风巷中,下口布置在煤层 2 底抽巷的顶板上。为满足工作面回风要求,在上回风巷每间隔 100150 m 施工 1 组暗立井,每组 2 个。暗立井深度为 60 m 左右,直径为 1.4 m,标高为-610-660 m。暗立井布置方式如图 1 所示。图 1Y 型通风工作面回风暗立井布置方式2采动影响下立井围岩稳定性研究以该矿-610-660 m 连接上下回风巷的回风暗立井为重点研究对象,同时根据煤层采动情况构建三维数值模型。选用摩尔库伦模型,上方施加9.6106N 的自重应力。煤层采动影响下的回风暗立井应力分布如图 2所示。图 2煤层采动影响下回风暗立井应力分布充填墙沿空留巷机巷风巷回
5、风立眼底板抽采巷煤层 1煤层 2采空区能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5842023 年 10 月Oct.,2023回风暗立井开挖后及时采用钢板筒支护,待其应力重新平衡后对位移场和速度场清零,再对煤层进行开挖。由图 2 分析可知,回风暗立井的最大主应力的峰值出现在上井口与回风巷连接位置、下井口与 2 煤底抽巷连接位置以及中间软弱岩层位置。这 3 个区域都是应力集中区域,说明采用钢板筒支护能够有效改善井壁应力集中现象。煤层采动影响下回风暗立井位移分布如图 3所示。由图 3 分析可知,煤
6、层的采动使回风暗立井的稳定性产生了一定的变化,上部水平位移明显高于底部水平位移,上部移动方向偏向于巷道内侧,水平最大位移位于回风暗立井上口与回风巷相连位置,水平位移对回风暗立井的稳定性也产生了一定的影响。图 3水平位移分布根据井壁的应力、位移模拟结果分析可知,煤层的采动对井壁稳定性存在直接的影响,但采用钢板筒支护的井壁能够有效地改善井壁应力集中、抵抗煤层采动带来的井壁变形,能够满足实际生产需求,确保回采期间工作面的通风安全。3回风暗立井工艺选择及钢板筒施工3.1回风暗立井工艺选择反井钻进主要有上扩法和下扩法,与下扩法比较,一方面上扩法的岩渣能在自重作用下直接落下,其钻头基本不受二次研磨影响,扩
7、孔速度快、钻具磨损小;另一方面上扩法的导孔一般只用于上下钻杆,其钻进孔径较小,钻进轨迹更容易控制、更容易确保钻井质量。综上所述,结合现场工程条件,本次回风暗立井采用上扩法进行施工。3.2钢板筒支护施工方案根据工程实际情况结合模拟分析结果,回风暗立井采用钢板筒拼接支护。钢板筒采用内径为 1 m、外径 1.1 m、高度 1.5 m 的圆环。圆环为厚度 10 mm的钢板加工制成,除第 1 节重量为 1.5 t 外,其余钢板筒重量均为 0.53 t。每节钢板筒均焊接了 4 道加强肋,加强肋采用厚度、高度均为 50 mm 的角钢卷制加工成型的圆环,其上下 2 道加强肋可同时作为钢板筒之间的连接法兰。现场
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