，，，，

(1. 山東科技大學(xué) a.土木工程與建筑學(xué)院；b.礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地；c. 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918)

1 研究背景

弱膠結(jié)地層表土段通常為深厚松散沉積層，主要由第三紀(jì)、第四紀(jì)以來沉積成層、尚未固結(jié)硬化成巖的疏散沉積物構(gòu)成，其基巖段主要為砂層，富含水且?guī)r層強度較低[1-3]。這類地層受含水層滲流壓縮影響，易導(dǎo)致上覆土層失水壓縮變形[4-5]。因此，混凝土和巖土體蠕變、損傷、地層滲流壓縮及凍融效應(yīng)等多因素耦合作用導(dǎo)致立井井壁產(chǎn)生疲勞累積，引起井壁的局部變形過大，造成混凝土井壁破損進而形成環(huán)狀破裂帶，誘發(fā)立井井筒的災(zāi)變。例如，1995年兗州興隆莊西風(fēng)井在使用20 a后，井壁石料沿剝裂面剪斷，剝離高度達100～200 mm，橫筋露出，裂縫處涌水量達20 m3/h，造成經(jīng)濟損傷達數(shù)百萬之多[6]。據(jù)不完全統(tǒng)計[7-8]，自20世紀(jì)80年代以來，我國目前有百余個井筒已發(fā)生井壁破裂或存在破壞危險。井壁長期處于工作狀態(tài)，其變形破壞具有隱蔽性和突發(fā)性，在短時間內(nèi)就可能演化成井壁潰塌災(zāi)害，造成極大的生命財產(chǎn)損失。

立井井筒的安全評估與破壞預(yù)測對于有效地避免礦山特殊工程地質(zhì)災(zāi)害有著重要意義。常用方法是利用數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬進行井壁破裂極限預(yù)測。如劉環(huán)宇等[9-10]建立了井筒非采動破裂的非線性預(yù)測與判別方法；邵良杉等[11]建立了基于組合技術(shù)的立井井筒變形破壞KNN預(yù)測模型，并使用測試數(shù)據(jù)對模型進行測試；袁志剛等[12]考慮井筒變形破壞的多個影響因子，建立了煤礦立井井筒非采動破裂的遺傳-支持向量機預(yù)測模型，為快速準(zhǔn)確地預(yù)測立井井筒非采動破裂提供了一種新的方法和途徑；張向東等[13]以彈性理論為基礎(chǔ)，運用MatLab軟件建立了井壁破壞預(yù)測的數(shù)學(xué)模型，進而對井壁的受力變形情況進行了預(yù)測分析；許延春等[14]利用改進的經(jīng)驗擬合法和多元統(tǒng)計距離判別法，以興隆莊煤礦主井、副井、東風(fēng)井和西風(fēng)井為例，對其井筒安全性進行了評價；陳祥福等[15]、王傳武[16]、張輝[17]采用數(shù)值模擬方法對井壁破壞時的應(yīng)力應(yīng)變情況以及塑性區(qū)的范圍、破裂形態(tài)、破裂時間等問題進行了研究。弱膠結(jié)地層立井井筒的變形破壞是多因素綜合作用下的漸進式動態(tài)過程，因此在井筒破壞預(yù)測方面，理論計算和數(shù)值模擬方法均存在一定的局限性。理論計算過程中應(yīng)用大量的假設(shè)，將復(fù)雜問題理想化；而數(shù)值模擬方法往往忽略動力擾動、時空效應(yīng)等諸多可變因素，從而導(dǎo)致計算結(jié)果與實際結(jié)果存在一定偏差。

微變形監(jiān)測作為一種動態(tài)實時的測試技術(shù)，在立井井筒變形監(jiān)測中發(fā)揮著極其重要的作用。如Chai等[18]、邱標(biāo)[19]、劉化寬[20]、黃明利等[21]提出了以光纖光柵技術(shù)為主的變形監(jiān)測方法，建立了光纖光柵與井壁的應(yīng)變傳遞關(guān)系，能夠預(yù)測井筒真實受力變形情況，為井筒的破壞預(yù)測提供了依據(jù)。王渭明等[22]利用正交試驗確定井筒測試位置，實現(xiàn)了立井全深度、多層位、智能化監(jiān)控的目標(biāo)。但目前我國的立井井筒信息化程度遠(yuǎn)低于水利、橋梁等工程領(lǐng)域，監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)智能化、信息化存在以下幾個方面的問題：①井筒測試環(huán)境復(fù)雜惡劣，井壁結(jié)構(gòu)特殊，測試精度要求高；②井壁的破壞位置存在一定的不確定性，多區(qū)域連續(xù)監(jiān)測又需兼顧成本；③監(jiān)測系統(tǒng)的智能化程度不高，難以實現(xiàn)動態(tài)反饋。

已有的研究成果表明[23-24]，立井井筒在發(fā)生變形破壞之前，會產(chǎn)生明顯的變形。為此，在綜合分析地層特征及已有工程實踐的基礎(chǔ)上，建立智能監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)弱膠結(jié)地層立井井壁的實時動態(tài)監(jiān)控，結(jié)合理論模型預(yù)測井壁變形極限值，掌握井筒的變形規(guī)律，預(yù)測井壁的破壞時間和部位，對于弱膠結(jié)地層及類似地層中立井井筒災(zāi)變控制有著十分重要的意義。

圖1 巖土體各參數(shù)隨地層深度變化曲線Fig.1 Parameters of rock-soil varied with buried depth

2 工程地質(zhì)概況

新巨龍煤礦位于山東省菏澤市巨野縣龍固鎮(zhèn)，副井建成于2003年，井筒深度為780 m，弱膠結(jié)松散層(表土)厚度為320.5 m，底部含水層厚度為50 m，井筒凈直徑為8.0 m。表土段采用雙層鋼筋混凝土井壁，其厚度為1.1～1.8 m，基巖段為普通素混凝土井壁，其井壁厚度800 mm。

新巨龍煤礦井田基巖被厚度介于390.35～509.10 m之間的西北厚東南薄的新生界松散層覆蓋。弱膠結(jié)地層的松散層主要礦物組成為“次生礦物”(巖石風(fēng)化的產(chǎn)物)，厚度為50～500 m。該地層沿深度方向松散層由若干含水層和隔水層相間構(gòu)成，如表1所示。弱膠結(jié)松散沉積層是高度分散、富含空隙的三相體系，松散層處于塑性狀態(tài)的黏土中，其顆粒之間不是直接接觸，而是通過水化膜接觸，因此，松散沉積物質(zhì)之間的連接強度很弱，地層呈現(xiàn)弱膠結(jié)特性。

表1新巨龍礦區(qū)弱膠結(jié)地層結(jié)構(gòu)組成
Table1StructuralcompositionofweaklycementedstratainXinjulongminingarea

巖層厚度/m參數(shù)巖性第1含水層26q=0．021～0．603L/(s·m)中細(xì)粉第1隔水層25IP=17～22砂質(zhì)黏土第2含水層65q=0．199～2．73L/(s·m)中細(xì)砂第2隔水層70IP=18～29黏土第3含水層175k=3．22～12．14中粗砂第3隔水層40IP=20～30黏土第4含水層50q=0．524～1．935L/(s·m)中粗砂第4隔水層20—固結(jié)黏土

注：q為單位涌水量；k為滲透系數(shù)；Ip為塑性指數(shù)

根據(jù)Mohr-coulomb準(zhǔn)則[25-27]，反映巖土體強度的主要指標(biāo)有：彈性模量E，內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ。如圖1所示，在弱膠結(jié)地層中隨著地層深度的增加，飽和黏土的強度指標(biāo)變化并不是線性的[28]。地層各強度參數(shù)隨著深度的增加而上下波動，即弱膠結(jié)地層具有明顯的分層性，且分層強度差別較大，因此各個分層之間會產(chǎn)生強弱差異面。而在井壁深度方向強弱差異最大的位置最易發(fā)生變形破壞。

3 弱膠結(jié)地層立井井壁變形極限分析

3.1 井壁變形破壞的極限受力狀態(tài)響應(yīng)模型

根據(jù)井筒的非采動變形破壞特征可知，井壁在地層中處于三向受壓狀態(tài)，井壁的破壞是豎向、徑向以及環(huán)向三向應(yīng)力共同作用的結(jié)果[29-30]。井筒內(nèi)壁徑向壓力為0，井壁為處于兩向受壓狀態(tài)的危險截面。因此，井筒的變形破壞一般從井筒內(nèi)壁開始，逐漸向井筒外壁擴展，最終貫通。當(dāng)井筒內(nèi)壁破裂后，暴露的井壁依然處于兩向受力狀態(tài)，因此，可以采用雙向受壓混凝土強度破壞準(zhǔn)則，即第四強度理論(能量理論)來判斷井壁的極限狀態(tài)，即

(1)

式中：σ2為第2主應(yīng)力(MPa)；σ3為第3主應(yīng)力(MPa)；σa為混凝土的設(shè)計強度應(yīng)力(MPa)。

立井井筒可以假設(shè)為兩端均勻分布、縱向線性分布壓力的空間軸對稱厚壁圓筒[31-33]。對于厚壁圓筒問題，頂部所受均勻分布荷載P的大小為

(2)

式中：ur=ra為井壁徑向位移;K為側(cè)壓力沿縱向的分布斜率，一般取13 kN/m，K=q/H，q為井壁側(cè)向壓力,H為底部含水層埋深(m)；h為底部含水層的厚度(m)；μ為厚壁圓筒的泊松比；E為厚壁圓筒的彈性模量；ra和rb分別為井筒內(nèi)、外壁半徑(m)。

井筒所受縱向荷載主要由2部分組成，井筒自重G、上覆厚表土層的附加應(yīng)力疊加值σA，即有P=σA+G，G=γcH，γc為混凝土重度，一般取值為25 kN/m3。由此可得附加應(yīng)力疊加值σA為

(3)

弱膠結(jié)地層底部含水層與基巖段交界處的立井井壁最易發(fā)生變形破壞，即表土層與基巖的交界處井壁最易破壞。根據(jù)文獻[34]，該區(qū)域所受應(yīng)力狀態(tài)為

(4)

式中:σ1,σ2,σ3分別為井筒內(nèi)壁第1、第2、第3主應(yīng)力；σr為徑向應(yīng)力；σθ為切向應(yīng)力;σz為軸向應(yīng)力；τrθ為切向應(yīng)變。

按照極限狀態(tài)求解，即井筒內(nèi)壁鋼筋混凝土達到極限抗壓強度，此時豎向應(yīng)力σz即為井筒內(nèi)壁豎向極限承載能力，由此可得

(5)

取最大值可得

(6)

將式(4)代入式(6)可得極限狀態(tài)下井壁附加應(yīng)力為

(7)

3.2 極限破壞狀態(tài)下井筒內(nèi)壁變形值

新巨龍煤礦井筒主要參數(shù)如表2所示。

表2 立井井筒特征參數(shù)Table 2 Parameters of shaft lining

將表2的參數(shù)代入式(2)、式(3)可得

σA=6.003×104ur=ra-85.9 。

由式(7)可得

由此可得極限破壞狀態(tài)下井筒內(nèi)壁變形值ur=ra=2.369 mm。

4 弱膠結(jié)地層立井井筒變形監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 測試系統(tǒng)總體構(gòu)成

立井井筒變形監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊(多通道無線靜態(tài)應(yīng)變測試儀)和傳感器系統(tǒng)組成，采集模塊采集的數(shù)據(jù)通過導(dǎo)線傳輸進靜態(tài)應(yīng)變儀，應(yīng)變儀對數(shù)據(jù)綜合和分析后，可以通過有線和無線2種組網(wǎng)方式，將數(shù)據(jù)傳輸進計算機，計算機進行數(shù)據(jù)分析和采集，通過觀察分析數(shù)據(jù)的變化，對參數(shù)進行實時的監(jiān)控，判斷系統(tǒng)變形參數(shù)是否在正常工作變形范圍內(nèi)。測試系統(tǒng)整體布置如圖2所示。測試系統(tǒng)配置主要包括：主機、JM1900USB總線轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓電源、位移傳感器、超五類網(wǎng)線、系統(tǒng)軟件。

圖2 測試系統(tǒng)整體布置Fig.2 Diagram of the test system

測試系統(tǒng)位移傳感器選用電阻式線性位移傳感器。它具有線性度、分辨率都比較高，失真小的優(yōu)點，其線性精度為0.3%，溫漂系數(shù)為1.5×10-6/℃?？紤]到井筒潮濕、漏水，位移傳感器采用了防水設(shè)計。防水設(shè)計主要包括航空插頭式通訊電纜接頭與硅膠防水套，如圖3所示。

圖3 位移傳感器Fig.3 Displacement sensor

4.2 測試系統(tǒng)布置

根據(jù)近年來眾多學(xué)者專家對井筒破壞原因的分析，以及對井筒破壞位置的匯總比較，結(jié)合測試礦區(qū)典型地質(zhì)特征，本著精簡測點、節(jié)約成本、突出重點、力求創(chuàng)新的原則，在有可能發(fā)生變形破壞的井筒設(shè)置3個監(jiān)測區(qū)域站(以下簡稱測區(qū))。3個測區(qū)的位置分別為：第1測區(qū)，新生界含水層與隔水層交界處；第2測區(qū)，底部含水層與基巖交界處；第3測區(qū)，井筒馬頭門頂部。

綜合考慮水文、地質(zhì)條件，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及目前各個井筒的生產(chǎn)狀況等因素，滿足降低測試費用、減少對生產(chǎn)井筒正常使用干擾的要求，將理論研究與現(xiàn)場測試有機結(jié)合，力求用最少的測試參數(shù)反映出最全面的有效信息?？紤]巖層傾角不大，地壓沿井筒切向分布存在對稱性，3個測區(qū)選用相同的測試方式，每層測區(qū)對稱選擇4個測點，每個測點測試內(nèi)容包括井壁縱向位移和井壁徑向位移。

圖4 測試斷面元件布置Fig.4 Arrangement of elements in the test section

測區(qū)元件布置如圖4所示。每個測區(qū)布設(shè)一臺智能控制的分站檢測儀，負(fù)責(zé)本測區(qū)各測點的定期檢測和定時采樣，并將測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇傉緳z測站；總站檢測儀安裝在地面，負(fù)責(zé)向各分站檢測儀發(fā)送檢測指令，接收分站傳來的檢測信息，并將檢測信息及時送到計算機，通過信息反饋分析，出現(xiàn)井壁破裂險情時，發(fā)出報警指令。

4.3 監(jiān)測預(yù)警設(shè)置

監(jiān)測系統(tǒng)可根據(jù)前述理論模型得到的井壁變形極限值設(shè)定立井井壁變形預(yù)警的閾值。相應(yīng)的傳感器超出設(shè)置的報警界值后進行顏色或聲音報警。根據(jù)立井井壁變形程度不同，可設(shè)置二級預(yù)警系統(tǒng)。如圖5所示。

一旦井壁變形超出上、下常態(tài)值時進行預(yù)警，超出上、下預(yù)警界值時進行報警。

測試系統(tǒng)將每個監(jiān)測斷面的監(jiān)測分站用信號電纜串聯(lián)起來，沿灌道梁引到地面上，測試系統(tǒng)信號傳輸如圖6所示。

圖5 監(jiān)測預(yù)警分級Fig.5 Grading of monitoring warning

圖6 測試系統(tǒng)信號傳輸示意圖Fig.6 Signal transmission schemes of the test system

5 變形監(jiān)測方案

立井井筒全深度范圍內(nèi)進行變形監(jiān)測，不僅工作量大，而且經(jīng)濟投入多。因此，對于具體井筒的變形監(jiān)測，可以通過水文地質(zhì)情況以及井筒的結(jié)構(gòu)特征，選擇合適的監(jiān)測斷面進行重點監(jiān)測，以達到施工簡單、經(jīng)濟合理的要求。新巨龍煤礦所處地層中生界地層缺失，新生界與上古生界呈不整合接觸，上古生界二疊系石千峰組地層總厚127.1 m，其中301.5～343.3 m為風(fēng)化裂隙帶，以下為完整基巖段。新生界第四系松散層為河床、河漫灘及淺水湖泊相交互沉積的松散沉積地層。因此，所選測區(qū)如下。

第1測區(qū)：距地表垂直深度280 m，新生界含水層與隔水層交界處；從地質(zhì)柱狀圖可以看出，該區(qū)域位于新生界含水層以中細(xì)砂為主，其次為粗砂，夾多層灰綠色黏土及砂質(zhì)黏土，北部富水性強。

第2測區(qū)：距地表垂直深度430 m底部含水層與基巖交界處；在井壁結(jié)構(gòu)中位于大壁座位置。該區(qū)域主要有風(fēng)化細(xì)砂巖、黏土質(zhì)砂和風(fēng)化泥巖組成。風(fēng)化細(xì)砂巖顏色呈灰綠色，夾雜薄層泥巖，裂隙發(fā)育，裂隙面風(fēng)化嚴(yán)重。風(fēng)化泥巖呈深灰色，裂隙發(fā)育且較疏松。

第3測區(qū)：距地表垂直深度700 m，位于井筒馬頭門頂部；位于煤層編號25下煤底部，主要以泥巖、砂巖為主，局部為細(xì)、中、粗粒砂巖，巖石致密，裂隙不發(fā)育，屬中等穩(wěn)定巖層。

圖7 新巨龍煤礦井筒測試系統(tǒng)布置Fig.7 Arrangement of shaft lining test system in Xinjulong coal mine

如圖7所示，新巨龍煤礦井筒測試系統(tǒng)包括3個測試斷面、12個水平位移傳感器和12個垂直位移傳感器，測試總站計算機安放在距離井筒70 m的井口電氣設(shè)備控制機房。在筒壁上確定好8個傳感器的安裝位置，擬定為對稱布置(若遇到管道等設(shè)施時，可適當(dāng)調(diào)整)。

該監(jiān)測系統(tǒng)在計算機的控制下，可以長期定時自動檢測、存儲測試數(shù)據(jù)，通過軟件處理，自動顯示或打印出井筒徑向和縱向位移報表或變化曲線。地面測站人員可以通過計算機或報表研究井壁微小變形規(guī)律，及時分析并評估礦井井壁結(jié)構(gòu)的安全性，同時還可以通過局域網(wǎng)實現(xiàn)報表、曲線及其有關(guān)井壁穩(wěn)定性分析結(jié)果的數(shù)據(jù)共享。

6 變形監(jiān)測結(jié)果及井壁強度校核

6.1 監(jiān)測結(jié)果分析

新巨龍煤礦副井井筒變形監(jiān)測系統(tǒng)在2014年11月份安裝測試完成后，分時段對立井井筒的變形情況進行監(jiān)測。為分析從測試系統(tǒng)安裝以來到目前為止的井筒變形情況以及對監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行評價，將所采集的測試數(shù)據(jù)進行了匯總比較，并繪制3個不同深度的井壁縱向位移和徑向位移變化曲線。

6.1.1 第1檢測面(-280 m)

測試系統(tǒng)在選取的3個監(jiān)測平面上取4個方位進行徑向和縱向的位移監(jiān)測。其中：編號為1，2，4，6的傳感器為徑向位移傳感器；編號為3，5，7，8的傳感器為縱向位移傳感器(見圖7)。第1檢測面的變形監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。圖中初始日期為2014年11月20日。從圖8中可以看出井筒徑向變形最大值約0.48 mm，縱向變形最大值約1.5 mm，井壁變形在變形極限范圍內(nèi)。

圖8 第1測試斷面(-280 m)徑向位移和縱向位移Fig.8 Radial and longitudinal displacements of the first test section(-280 m)

6.1.2 第2檢測面(-430 m)

本監(jiān)測平面上取4個方位進行徑向和縱向的位移監(jiān)測。其中：編號為2，5，6，7的傳感器為徑向位移傳感器；編號為1，3，4，8的傳感器為縱向位移傳感器(見圖7)。第2檢測面的變形監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出井筒徑向變形最大值約1.95 mm，縱向變形最大值約1.8 mm，此處井壁變形量最大，約為井壁變形極限值的82.5%，在此期間應(yīng)密切關(guān)注井壁狀態(tài)，加強監(jiān)測。

圖9 第2測試斷面(-430 m)徑向位移和縱向位移Fig.9 Radial and longitudinal displacements of the second test section(-430 m)

6.1.3 第3檢測面(-700 m)

本監(jiān)測在選取的3個監(jiān)測平面上取4個方位進行徑向和縱向的位移監(jiān)測。其中：編號為1，3，4，7的傳感器為徑向位移傳感器；編號為2，5，6，8的傳感器為縱向位移傳感器(見圖7)。第3檢測面的變形監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出井筒徑向變形最大值約0.2 mm，縱向變形最大值約1.12 mm，井壁變形不大，此處井壁狀態(tài)良好。

圖10 第3測試斷面(-700 m)徑向位移和縱向位移Fig.10 Radial and longitudinal displacements of the third test section(-700 m)

綜上分析，井壁變形屬于彈性變形，增量在一定范圍內(nèi)波動，呈現(xiàn)非線性變化特征。從井壁變形曲線來看，井壁位移最大值出現(xiàn)在弱膠結(jié)地層底部含水層與基巖段交界處。井壁變形曲線在一段時間內(nèi)出現(xiàn)峰值，這表明井壁存在潛在的破壞期，應(yīng)對這個時期的井壁變形密切關(guān)注。因此，在井筒正常工作時，應(yīng)加強分時段分區(qū)域的監(jiān)測，做到主動防治，防患于未然。

6.2 井壁強度校核

井筒底部含水層與基巖段交界處井壁變形量最大，其中徑向位移為1.95 mm?，F(xiàn)對該位置井壁所受附加應(yīng)力進行校核，根據(jù)式(3)有

31.15 MPa<σa=60 MPa 。

因此，該井壁尚未達到破裂極限狀態(tài)，井壁處于彈性狀態(tài)。研究表明：井筒的變形破壞是一個循序漸進的過程，通過對井筒的變形實時動態(tài)進行監(jiān)測，根據(jù)變形量大小反演井筒的應(yīng)力狀態(tài)，可以有效地對井筒的安全狀態(tài)進行合理評價。

7 結(jié) 論

(1) 弱膠結(jié)地層具有明顯的分層性，立井井壁變形破壞最易發(fā)生在地層強度差異最大的位置。

(2) 根據(jù)雙向受壓混凝土強度破壞準(zhǔn)則和厚壁圓筒空間軸對稱問題位移解，得到了新巨龍煤礦井壁極限破壞狀態(tài)下井筒內(nèi)壁變形值為2.369 mm。

(3) 建立了多層位立井井筒變形智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了弱膠結(jié)地層深井多點變形的預(yù)測預(yù)報。監(jiān)測結(jié)果表明，井筒縱向變形最大值約1.8 mm，徑向變形最大值約1.95 mm；在弱膠結(jié)地層底部含水層與基巖段交界處立井井壁變形量最大，約為井壁變形極限值的82.5%。

(4) 根據(jù)監(jiān)測得到的變形量反演了井筒的應(yīng)力狀態(tài)，所得井壁最大變形位置的附加應(yīng)力值小于井壁極限抗壓強度，監(jiān)測結(jié)果能夠真實地反映井壁的受力狀態(tài)，監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)井壁安全狀態(tài)的實時動態(tài)智能評估。

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