徐海洋，桂和榮，孫本魁

1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南,232001；2.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州,234000；3.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，安徽宿州,234000；

任樓煤礦副井井筒變形破壞機(jī)理研究與防治

徐海洋1,2，桂和榮2,3，孫本魁3

1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南,232001；2.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽宿州,234000；3.國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，安徽宿州,234000；

在分析任樓煤礦副井井筒變形破壞特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合新生界松散層地質(zhì)和水文地質(zhì)條件分析，闡述了地面供水和地下采煤引起的松散含水層水位動(dòng)態(tài)變化、地面沉降特征，研究了二者之間的內(nèi)在聯(lián)系，得出了松散層地下水水位下降與地面沉降之間的正相關(guān)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上建立了副井井壁變形破壞的工程地質(zhì)模型，解釋了該礦副井井壁的變形破壞機(jī)理，進(jìn)而提出并實(shí)施了有針對性的修復(fù)技術(shù)——井圈加固和注漿加固，取得了良好的治理效果。

井筒變形；機(jī)理分析；修復(fù)技術(shù)；任樓煤礦

井筒作為整個(gè)礦井安全生產(chǎn)系統(tǒng)的咽喉，是煤礦安全生產(chǎn)與高效生產(chǎn)的重要保障[1]。立井井筒的非采動(dòng)破壞是華東地區(qū)普遍存在的一種特殊的煤礦工程地質(zhì)災(zāi)害，僅黃淮地區(qū)就有數(shù)十對礦井的井筒在20世紀(jì)80年代末至90年代初出現(xiàn)了非采動(dòng)條件下不同程度的破壞現(xiàn)象，對礦井的安全與生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響[2-4]。如皖北臨渙煤礦的副井雖經(jīng)多次修復(fù)加固，但井筒仍在發(fā)生徑向變形[5]；再如2009年4月18日國投新集集團(tuán)板集煤礦副井井筒突然破裂出水，造成井下5700 m的巷道和三個(gè)井筒全部被淹[6]。

關(guān)于煤礦井筒變形破壞的機(jī)理研究，一直受到煤礦企業(yè)和科研院所的廣泛關(guān)注，所提出的假說也較多，如豎直附加力說[7]、井壁施工質(zhì)量說、滲流變形說[8]、地震說、豎井三因素的綜合破壞說[9]、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)說[10]等。目前的主流觀點(diǎn)大都將井筒的變形破壞與新生界松散層含水層的失水聯(lián)系起來，即認(rèn)為由于礦井排水或地面供水引起松散層含水層的水位下降，導(dǎo)致土層的有效應(yīng)力增加，土體發(fā)生固結(jié)，在固結(jié)沉降過程中對井壁外表面形成一個(gè)豎直向下的附加力，該力是引起井筒變形破壞的主要因素。

婁根達(dá)等[11]、楊維好[12]提出一些基本的假設(shè)，對地面下沉中井壁的受力進(jìn)行了解析，豐富了井筒變形破壞附加應(yīng)力說的研究內(nèi)容。于雙忠[13]依據(jù)土體的長期抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，計(jì)算井壁的附加應(yīng)力，為井筒變形破壞的力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。劉環(huán)宇在對井筒破壞機(jī)理分析的基礎(chǔ)上建立了在底含滲流壓縮變形情況下井筒與周圍土體之間相互作用的力學(xué)簡化模型，采用位移變分法進(jìn)行分析計(jì)算，得到了井筒外壁的附加應(yīng)力計(jì)算公式[14]。此外，相似模擬實(shí)驗(yàn)[15]以及滲透實(shí)驗(yàn)的方法[16]在煤礦井筒變形破壞機(jī)理分析研究中也取得了許多成果。豎井變形破壞在國外也有發(fā)生，但僅限于在建井施工期或生產(chǎn)運(yùn)營期因采動(dòng)而造成豎井破壞的案例，與我國徐淮地區(qū)煤礦井筒的非采動(dòng)破壞在特征和機(jī)理上存在較大差異[17]。

本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)場水文動(dòng)態(tài)與地面沉降的實(shí)測成果，先從造成任樓礦副井井筒變形破壞的原因入手，重點(diǎn)分析引起地面沉降的主要因素，探討井筒變形破壞與地面沉降的相關(guān)性，并提出相應(yīng)的防治措施。

1 井田松散層概況

任樓井田石炭、二疊系煤系地層之上均由新生界松散層覆蓋，松散層由第四系和新近系組成，總厚度為190.00～321.92 m，一般厚度為220～280 m，自上而下劃分為4個(gè)含水層和3個(gè)隔水層[18](表1)。

從表1可以看出，三隔在井田范圍內(nèi)普遍發(fā)育，分布穩(wěn)定，而且厚度較大。

表1 主、副、風(fēng)井松散層結(jié)構(gòu)及巖性特征

2 井壁結(jié)構(gòu)與變形破壞特征

2.1 井壁結(jié)構(gòu)

任樓礦三個(gè)井筒(主井、副井和風(fēng)井)中，副井變形破壞最嚴(yán)重，已經(jīng)影響到煤礦的正常生產(chǎn)。副井松散層厚度280 m，采用凍結(jié)法施工，一水平于1988年竣工，2004年經(jīng)擴(kuò)建后延伸至二水平。井筒設(shè)計(jì)凈直徑7.2 m，表土層厚度280 m，井筒垂深776.50 m，采用雙壁結(jié)構(gòu)。在井深100～160 m段，外壁為單層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，壁厚550 mm，內(nèi)壁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級為C35，壁厚500 mm，內(nèi)外壁之間有2層防水塑料板。

2.2 變形破壞特征

副井井筒淋水以往常年維持在1 m3/h左右，但于2013年10月開始井筒淋水明顯增大，主要出水點(diǎn)在井深146～148 m東南面，出水層位于新生界松散層第三含水層，出水形式由淋水逐漸變成噴水，單點(diǎn)出水量為1.5～3.0 m3/h，總出水量為8.3 m3/h，出水清澈無砂。主井井筒在107～160 m位置出現(xiàn)滲水，層位也位于松散層第三含水層。根據(jù)相關(guān)資料，任樓煤礦井筒變形破壞從發(fā)生時(shí)間、位置和破壞特征等方面看，符合我國華東地區(qū)立井井筒變形破壞的一般特征——非采動(dòng)破壞。

3 井壁破壞原因和機(jī)理分析

分析任樓礦副井井筒變形破壞特征，并結(jié)合地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，可以認(rèn)為，副井井壁變形破壞主要是由于松散層含水層失水引起地層壓縮下沉所致。具體來講，深厚松散層中的含水層在失水過程中會出現(xiàn)水位下降，土層在固結(jié)壓縮過程中會造成上覆土體的壓縮而下沉(反映到地表即為地面沉降)，井壁會受到一個(gè)豎直向下的附加力，而且自上而下逐漸增大(圖1)。

圖1 任樓礦副井井筒變形破壞機(jī)理分析示意圖

3.1 松散含水層水位動(dòng)態(tài)特征

從以上分析可以看出，任樓煤礦副井井壁變形破壞主要由松散層中含水層水位下降引起的地層壓縮沉降所致。因此，這里重點(diǎn)分析松散層中主要含水層(二含、三含與四含)水位下降特征。

3.1.1 供水引起的二含和三含水位下降

目前，任樓礦工業(yè)廣場在用的水源井共11個(gè)(表2)，分布位置如圖2所示，供水能力約370 m3/h，取水層位為二含和三含。根據(jù)供水記錄，任樓煤礦日平均取水量約為2600 m3(單個(gè)水源井取水量以10m3/h計(jì))。

任樓煤礦工業(yè)廣場長期供水，造成二含和三含水位下降較大，地層壓縮沉降明顯，是井壁變形破壞的主要誘因。此外，從圖2看，供水水源井集中于井筒的東南部。供水造成井筒東南部二含和三含水位下降較大、地層壓縮沉降較快，垂直向下的附加應(yīng)力在井筒徑向上的不均勻性，也會引起井壁的變形破壞。因而，導(dǎo)致井筒東南面井壁變形破壞較為嚴(yán)重。

表2 任樓礦工業(yè)廣場水源井一覽表

圖2 任樓礦工業(yè)廣場水源井分布圖

3.1.2 井下開采引起的四含水位下降

任樓煤礦松散層四含直接覆蓋于基巖面之上，與二疊系煤系砂巖裂隙水、太灰水甚至奧灰水之間存在不同程度的水力聯(lián)系。特別是在提高上限開采過程中，四含水構(gòu)成了礦井的直接充水水源。隨著四含水通過采動(dòng)導(dǎo)水冒裂帶進(jìn)入礦井，其水位持續(xù)下降，對井筒穩(wěn)定性形成威脅。

根據(jù)2007年4月到2014年3月間水位觀測資料(圖3)，任樓煤礦四含水位(水16長觀孔)雖有波動(dòng)，但總體呈下降趨勢。2007年4月該孔四含水位標(biāo)高為1.4 m，2014年3月已下降到-26.9 m左右，累計(jì)下降約28.3 m，月均降幅341 mm，且目前仍具有下降的變化趨勢。

圖3 水16長觀孔水位歷時(shí)曲線

3.2 地面沉降

松散含水層水位下降是導(dǎo)致地面沉降的直接原因。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，任樓礦工業(yè)廣場和井筒附近的地面下沉速度約為10 mm/a。

3.2.1 工業(yè)廣場地面沉降

根據(jù)任樓煤礦工業(yè)廣場地面沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在1985-1994年建井前期地表年平均沉降量為24.4 mm[19]，而后在1996-2003年期間地表總下沉量約45 mm，2003-2009年期間地表總下沉量約84 mm。由此可以分別計(jì)算出上面兩個(gè)時(shí)間段年均地表沉降量分別為6.4 mm和14.0 mm，且后期年均沉降速度明顯大于前期，在這13年間的年均沉降量約9.9 mm。

3.2.2 副井四周地面沉降

以任樓礦2013年8月21日二等水準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，至2014年9月17日的測試結(jié)果表明，副井四周地面均發(fā)生了一定程度的沉降(表3)。

表3 任樓礦副井四周地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表3顯示，副井的東南和東北面地面沉降最大，主要原因是地面供水井集中布置在副井的東側(cè)(圖2)，長期供水引起較大的地面下沉。從圖4可知，任樓礦副井四周地面標(biāo)高均隨時(shí)間呈現(xiàn)下降的變化規(guī)律，且4個(gè)測點(diǎn)的沉降速率都是前期較快，后期逐漸放緩。沉降速率從大到小的順序?yàn)椋簴|北面(11.760 mm/a)>西北面(7.932 mm/a)>東南面(7.812 mm/a)>西南面(6.516 mm/a)。

圖4 任樓礦副井四周地面沉降歷時(shí)曲線

3.3 松散含水層水位變化與地面沉降的關(guān)系

任樓煤礦松散層二含和三含無水位觀測資料，這里僅基于四含水位監(jiān)測數(shù)據(jù)來闡釋松散含水層的水位變化與地面沉降的相關(guān)性。運(yùn)用分析軟件Origin9.0對2013年8月21日至2014年2月21日副井四周監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)高(s)和水16四含水位標(biāo)高(h)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合、Pearson相關(guān)性分析(圖5)。結(jié)果表明，副井四周地面監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)高與四含水位標(biāo)高之間存在極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系(r>0.8)，其中東北方向地面監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)高與四含水位標(biāo)高的相關(guān)度最強(qiáng)(r≈0.978)。

圖5 地面沉降與松散含水層水位下降的關(guān)系

3.4 井筒變形破壞的工程地質(zhì)模型

已有研究表明，上覆松散土層在失水引發(fā)的固結(jié)沉降過程中，與立井井筒外壁之間有摩擦力而相互作用。對立井井筒而言，該摩擦力屬于負(fù)摩擦力，由于在第四系土層與立井井壁的交界面處的相對位移較小，作用的時(shí)間較長，因而，可將第四系土層與立井井筒視為相對靜止的兩個(gè)物體，則兩者之間的摩擦力屬于靜摩擦力[4,14,20]。又粘性土(隔水層)中的孔隙率較高，在失水后土層固結(jié)壓縮的過程中比砂性土(含水層)更容易被壓縮[21]，因此可構(gòu)建副井井筒變形破壞的工程地質(zhì)模型(圖6)。由于三含的厚度較大，水量較豐富，可以其失水為例進(jìn)行分析。若三含失水后水位下降了ΔH,且自表層至三含處各層土的天然重度分別為γ0～γ5，土層與井壁的靜摩擦因素為k，土的靜止側(cè)壓力系數(shù)為K0，若不考慮井壁自重，對于一隔，其上覆土層的總應(yīng)力為：

(1)

其對井壁的最大靜摩擦力為：

(2)

對于二隔，其上覆土層的總應(yīng)力為：

(3)

其對井壁的最大靜摩擦力為：

(4)

對于三隔，其上覆土層的總應(yīng)力為：

(5)

其對井壁的最大靜摩擦力為：

(6)

式中σc為土的豎向自重應(yīng)力，kPa；γi為第i層土的天然重度，對地下水位以下的土取其飽和重度γsat，kN/m3；γw為水的重度，kN/m3；hi為第i層土的厚度，m；k為土層與井壁的靜摩擦因數(shù)，不同土層的k值不同，一般計(jì)算中可取k為0.3；K0為土的靜止側(cè)壓力系數(shù)，K0=1-sinφ，φ為土體的有效內(nèi)摩擦角。

一般計(jì)算中，可取水的重度為10 kN/m3、土的重度為17～20 kN/m3。通常情況下，粘性土(如松散層中的隔水層)的內(nèi)聚力較砂性土大，且與井壁的摩擦阻力也大于砂性土。從表1看，任樓礦副井松散層的3個(gè)粘性隔水層中，三隔的厚度最大(>91 m)，分別約為一隔厚度的2倍、二隔厚度的5倍，因而由式(2)(4)(6)可知，f3>f1+f2，又井壁所受的靜摩擦力f≤fmax。由此可知，任樓礦副井井壁的破裂機(jī)理為：在三含水位下降引起的松散層壓縮下沉過程中，三隔粘性土與井壁之間的摩擦力遠(yuǎn)大于三含以上粘性土(一隔+二隔)與井壁之間的摩擦力，即三隔對井壁的“圍抱力”更大，在垂直向下的附加“圍抱力”的作用下，三含上、下粘性土對井壁的“圍抱力”差異懸殊，導(dǎo)致井壁在三含處被拉裂，以至發(fā)生滲水。

圖6 任樓礦井筒變形破壞的工程地質(zhì)模型示意圖

4 破壞井筒的防治

4.1 防治思路

由于深厚松散含水層疏排水過程中井壁與圍巖相互耦合作用而產(chǎn)生的“豎直附加應(yīng)力”是導(dǎo)致井壁發(fā)生破壞的主要原因，所以防治井壁變形破壞的技術(shù)途徑主要從井壁、地層和水頭三個(gè)方面考慮[22-23]。

(1)井壁處理措施：從力學(xué)機(jī)理上看，井壁的處理措施有兩種技術(shù)思路，即“橫向抗，縱向讓”[24]。“抗”是從提高井壁的自身強(qiáng)度的角度出發(fā)，通過增大井壁的強(qiáng)度，使其能抵御自重應(yīng)力、土層固結(jié)壓縮產(chǎn)生的附加應(yīng)力和土層側(cè)壓力的共同作用，具體做法是套壁，即在井壁內(nèi)套一層混凝土井壁?！白尅本褪遣扇」こ檀胧┦咕谀艹惺芤欢ǖ呢Q向變形，減少井壁由于地層壓縮、下沉產(chǎn)生的附加應(yīng)力，具體做法是在內(nèi)井壁開卸壓槽[2]。

(2)地層加固措施：就是通過向壁后地層注漿以提高其抗壓縮變形能力，減少由于水位疏降而產(chǎn)生的地層壓縮變形量，降低作用于井壁的附加應(yīng)力，從而達(dá)到保護(hù)井壁的目的。具體做法有地面注漿和破壁注漿兩種。地面注漿是在地面施工，在井筒周圍距井壁一定距離處布孔，向待加固的地層段注漿。此法能較大范圍地改變井筒周圍土層的物理力學(xué)性質(zhì)，改善地層流水過程中與井壁的相互作用關(guān)系。破壁注漿是在井筒內(nèi)鑿穿井壁，然后再進(jìn)行注漿，加固井筒周圍一定范圍的土層[2,25]。

(3)水頭控制措施：通過控制和保持井筒周圍一定范圍內(nèi)含水層的水頭高度，減少因地層固結(jié)而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，保護(hù)井筒。具體措施有注水或帷幕注漿等工程方法。值得注意的是，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的原因，這一措施的實(shí)現(xiàn)難度較大[2,22-23]。

此外，槽鋼井圈噴混凝土加固法也是立井破壞井壁常用的治理措施。對于煤礦立井在建井前也可采取一定的防范措施，如提前對地層進(jìn)行疏水沉降，井壁結(jié)構(gòu)采用可縮井壁(適用于鉆井法鑿井)或滑動(dòng)可縮井壁(適用于凍結(jié)法鑿井)等[14]，都能在一定程度上防止井壁發(fā)生破裂。

4.2 工程措施

對于任樓礦副井井壁的治理，考慮其井壁在三含位置處由于水源井取水和四含失水導(dǎo)致該處井壁附加應(yīng)力的集中而產(chǎn)生破壞，且出現(xiàn)了噴水現(xiàn)象，因而治理的主導(dǎo)思想是加固破壞段的井壁，采取的修復(fù)工程是架設(shè)井圈與注漿加固，具體的施工內(nèi)容及工藝如下。

4.2.1 架設(shè)井圈

圖7 井圈架設(shè)

在井深141～148 m段，自下而上地架設(shè)20#b槽鋼井圈17道(圖7)。其中，花背井圈8道，密集井圈9道?；ū尘Φ募庸ぃ涸诿啃」?jié)井圈圈身的同一側(cè)焊接兩根站腿，站腿使用8 mm厚、7.0熱軋等邊角鋼，站腿長度350 mm；密集井圈的外直徑為7.2 m，每道井圈分為8節(jié)，每小節(jié)井圈外弧長2.806 m，兩頭分別焊接10 mm厚200×80 mm對接鋼板，同一水平的每小節(jié)井圈之間需采用對接鋼板與 M18×60 mm鍍鋅螺栓連接。

架圈流程：在對原有破損嚴(yán)重或鼓包的井壁進(jìn)行人工刷擴(kuò)后，首先在架設(shè)第一道井圈下沿的同一水平面上，沿井筒均勻布置16根Ф40×450 mm圓鋼作為支撐點(diǎn)。若架圈過程中遇到罐梁牛腿等障礙物時(shí)，先在其上方50 mm處設(shè)16根托底圓鋼，再開始架設(shè)座底圈。每小節(jié)井圈底部有2根圓鋼支撐，每一道井圈共16根，以便正常架圈。架圈時(shí)，應(yīng)根據(jù)安全間距對井圈進(jìn)行切割和補(bǔ)強(qiáng)，并采用鐵楔和水泥、砂漿對已架井圈進(jìn)行校正和填充。

4.2.2 注漿加固

對破壞段上下8 m(井深140.5～148.5 m)段進(jìn)行注漿，以加固井壁破壞段外圍的地層。由井深148.5 m開始自下而上布置注漿孔，分別為148.5 m、145.5 m、142.5 m、140.5 m四個(gè)水平，每個(gè)水平為一排，有6個(gè)注漿孔，孔間弧距3.7 m，共計(jì)24個(gè)孔。鉆孔先打壁間孔，孔深0.6 m，待壁間注漿結(jié)束后，再對全部鉆孔進(jìn)行破壁，孔深1.58 m，待注漿結(jié)束后，對所有壁后注漿孔進(jìn)行重新透孔、再次復(fù)注，透孔深度不小于2.8 m。

(1)注漿方式：壁間、壁后注漿均采用上行式注漿方式。

(2)注漿工藝流程：風(fēng)鉆開孔→孔口管安裝→孔口管試壓→關(guān)閉球閥連接混合器與注漿管路→開啟注漿泵進(jìn)行壓水→打開球閥→注入水泥漿液→達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后封孔→關(guān)閉球閥。

(3)注漿材料：注漿材料為單液水泥漿，等到封孔時(shí)使用水泥濃漿或水泥-水玻璃雙液漿，優(yōu)先使用水泥濃漿，若水泥濃漿封孔效果不好，則使用水泥—水玻璃雙液漿。水泥選用新鮮P.O42.5普通硅酸鹽水泥，使用模數(shù)2.8～3.2，波美度為40°～45°的水玻璃。水泥漿的水灰比為1∶1，水泥濃漿的水灰比為0.75∶1或0.5∶1，水泥與水玻璃的體積比G∶S=4∶1～3∶1。

(4)注漿壓力：為安全起見，壁間注漿壓力不能超過該注漿點(diǎn)靜水壓力的1.5倍，注漿終壓取該孔1.5倍靜水壓力和井壁安全承受壓力二者之間的較小值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，表土層段井壁壁間注漿終壓不得超過2.0 MPa。壁后注漿壓力取靜水壓力的1.5倍，不大于3.0 MPa，而深孔注漿壓力取4.0 MPa，且最終注漿壓力可根據(jù)鉆孔周圍井壁的情況，適當(dāng)降低終孔壓力。

4.3 治理效果

修復(fù)工程結(jié)束后，架設(shè)的井圈與井壁貼合緊密，排列平整，井壁注漿段的總滲水量小于0.05 m3/h(治理前總涌水量8.3 m3/h)，原出水點(diǎn)已全部消除，且無明顯的滲水點(diǎn)，堵水率在98%以上，取得了良好的治理效果。

5 結(jié) 語

針對任樓礦副井井筒變形破壞特征，通過分析其松散含水層的水位動(dòng)態(tài)變化和地面沉降趨勢，得到了以下結(jié)論：

(1)地面供水和地下采煤等活動(dòng)是引起任樓礦副井松散含水層水位下降的主要原因。

(2)松散含水層水位下降引起了地層的壓縮沉降，且由Pearson相關(guān)性分析可知兩者之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。

(3)松散含水層失水引發(fā)的地層壓縮沉降過程中，作用于井壁上的豎直附加應(yīng)力是井筒發(fā)生變形破壞的根本原因。

(4)在任樓礦副井井壁變形破壞機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，實(shí)施了架設(shè)井圈和注漿加固的修復(fù)治理工程，井壁滲水量由治理前的8.3 m3/h減小為治理后的0.05 m3/h以下，取得了明顯治理效果。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.12.031

2016-09-12

宿州學(xué)院安徽省煤礦勘探工程研究中心開放課題資助項(xiàng)目(2014YKF06)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“隱伏型煤田深層地下水系統(tǒng)地環(huán)境同位素示蹤”(41373095)。

徐海洋(1990-)，安徽廬江人，在讀碩士研究生，主要研究方向：工程地質(zhì)與水文地質(zhì)。

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1673-2006(2016)12-0112-08