郭軻軼

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

立井井筒是礦業(yè)工程重要的結(jié)構(gòu)組成部分，是礦業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的咽喉要道，擔(dān)負(fù)著礦井的提升、通風(fēng)及安全出口等任務(wù)，它的變形和破壞不僅會(huì)明顯影響礦井的安全生產(chǎn)，而且還會(huì)給煤礦企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。河南省某礦北山風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)建有進(jìn)風(fēng)立井以及絞車房、壓風(fēng)機(jī)房、變壓站、鍋爐房等建(構(gòu))筑物。近年來，受工業(yè)場(chǎng)地周邊煤層的開采影響，進(jìn)風(fēng)井出現(xiàn)了較為明顯的變形和破壞，危及井筒的正常安全運(yùn)行。本文結(jié)合井筒偏斜及井壁破壞的特征，初步分析了進(jìn)風(fēng)井井筒的破壞原因及影響因素，提出了相應(yīng)的維修加固技術(shù)措施。

1 開采情況

1.1 地質(zhì)采礦條件

北山工業(yè)場(chǎng)地區(qū)域賦存可采煤層主要為丁、戊、己組煤層，其中丁組煤已基本回采結(jié)束，戊、己組煤仍在持續(xù)開采中。丁組煤開采丁5-6煤層，平均采厚3.5 m，傾角9°，采深382～889 m；戊組煤開采戊8、戊9-10煤層，采厚分別為2.1 m、2.9 m，傾角9°，采深496～944 m；己組煤開采己15、己16-17煤層，采厚分別為1.6 m、3.8 m，傾角9°，采深597～911 m；采煤方法為長(zhǎng)壁工作面炮采、普采及綜采，全陷法管理頂板。圖1為北山工業(yè)場(chǎng)地區(qū)域井上下對(duì)照?qǐng)D。

區(qū)域煤層上覆地層主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤層及第四系松散層等，松散層厚度約為30 m。北山工業(yè)場(chǎng)地附近地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，未揭露大、中型斷裂構(gòu)造，小型斷層較為發(fā)育，優(yōu)勢(shì)走向?yàn)楸北睎|向和北東向，次為近南北向，斷層傾角一般在70°左右，落差以2 m以下為主。

1.2 井筒

北山進(jìn)風(fēng)井位于工業(yè)場(chǎng)地中西部，采用混凝土碹，井筒凈寬徑6.8 m，凈斷面36.3 m2，至丁組煤層垂深669.5 m，進(jìn)風(fēng)井擔(dān)負(fù)礦井材料、設(shè)備、人員升降任務(wù)，兼進(jìn)風(fēng)和安全出口。該進(jìn)風(fēng)井自2011年開始，先后多次出現(xiàn)不同程度的變形和破壞，主要表現(xiàn)為下井口西側(cè)鼓幫、井壁脫落以及主罐罐籠東側(cè)與井筒東側(cè)管子梁安全距離變小等現(xiàn)象。據(jù)2019年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)風(fēng)井井口中心坐標(biāo)相比井筒原設(shè)計(jì)坐標(biāo)向北偏移0.207 m，向西偏移1.096 m，標(biāo)高下降0.893 m。目前，受周邊煤層開采持續(xù)影響，井筒變形和破壞仍在加劇中。

圖1 北山工業(yè)場(chǎng)地區(qū)域井上下對(duì)照?qǐng)D

2 井筒損害分析

2.1 采動(dòng)損害分析

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“三下”采煤規(guī)范)的有關(guān)規(guī)定，我國對(duì)于深度大于和等于400 m或者穿過煤層群的主、副井，要求按邊界角設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱，保護(hù)煤柱受護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)包括井架(井塔)、提升機(jī)房和圍護(hù)帶(立井圍護(hù)帶寬度為20 m)，保護(hù)范圍內(nèi)允許地表下沉值不超過10 mm，以此確保受護(hù)對(duì)象不會(huì)受到地下開采活動(dòng)影響。對(duì)于工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱的留設(shè)，主要是按移動(dòng)角(即臨界地表變形值)來劃定保護(hù)煤柱范圍的，保護(hù)范圍(含15 m寬維護(hù)帶)內(nèi)允許地表變形值不超過傾斜i=±3 mm/m、曲率K=±0.2×10-3/m或水平變形ε=±2 mm/m，確保保護(hù)范圍內(nèi)的建筑物所受采動(dòng)影響不超過Ⅰ級(jí)變形，受護(hù)建筑物不出現(xiàn)損壞或僅出現(xiàn)輕微損壞。當(dāng)立井包括在工業(yè)場(chǎng)地以內(nèi)時(shí)，需分別按井筒和工廣保護(hù)煤柱留設(shè)要求設(shè)計(jì)保護(hù)煤柱，并以最外側(cè)邊界做為保護(hù)煤柱的最終邊界[3]。

依據(jù) “三下”采煤規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，并參考礦區(qū)巖移實(shí)測(cè)參數(shù)，選取北山工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱留設(shè)參數(shù)為：松散層移動(dòng)角φ=45°，走向移動(dòng)角δ=63°、上山移動(dòng)角γ=63°，下山移動(dòng)角β=59°，走向邊界角δ0=54°、上山邊界角γ0=55°，下山邊界角β0=55°，地表松散層厚度取30 m。受護(hù)對(duì)象包括北一工廣、進(jìn)風(fēng)井等，采用垂直剖面法劃定保護(hù)煤柱范圍，具體見圖2。

圖2 丁、戊、己組煤層保護(hù)煤柱留設(shè)示意圖

如圖2所示，北山工業(yè)場(chǎng)地附近丁、戊、己組煤層的開采范圍均已進(jìn)入工廣保護(hù)煤柱線以內(nèi)，開采活動(dòng)勢(shì)必會(huì)對(duì)井筒及工廣造成一定程度的采動(dòng)影響，因此認(rèn)為，井筒變形與破壞與附近煤層的開采活動(dòng)有關(guān)。

2.2 井筒受力分析

北山工業(yè)場(chǎng)地周邊煤層開采后，在工廣區(qū)域形成了一個(gè)孤島煤柱，煤柱內(nèi)部所承載的荷載急劇增大。當(dāng)井壁剛度接近或小于圍巖剛度，井壁和圍巖變形便會(huì)基本保持同步，井壁也就不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)井壁剛度大于圍巖剛度，圍巖在垂直方向產(chǎn)生的位移便會(huì)比井壁在垂直方向產(chǎn)生的位移大，從而對(duì)井壁施加一個(gè)巨大的豎向附加力(也稱為沿井壁外表面垂直向下的剪切力)，使井壁出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)豎向累加應(yīng)力超過井壁混凝土極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，也會(huì)造成井壁破壞[4-5]。由于北山區(qū)煤層埋深大，在多煤層重復(fù)采動(dòng)影響下，工廣煤柱承受著上覆地層的巨大壓力，極易在地層薄弱處出現(xiàn)集中變形，造成井壁破壞和脫落?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查證實(shí)，進(jìn)風(fēng)井鼓幫、井壁脫落位置為丁組煤賦存層位。

3 沉陷變形預(yù)測(cè)

由于井筒和工廣附近煤層已進(jìn)行了大范圍的開采，在今后較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)工廣范圍內(nèi)仍將有少量的殘余下沉和變形，而附近新的開采活動(dòng)還將對(duì)采空區(qū)造成一定的活化影響，加劇井筒的移動(dòng)與變形。依據(jù)區(qū)域覆巖巖性、開采情況等，對(duì)工廣區(qū)域今后的移動(dòng)變形情況進(jìn)行預(yù)計(jì)，采用概率積分法進(jìn)行計(jì)算，選取參數(shù)為：下沉系數(shù)：q=0.05、水平移動(dòng)系數(shù):b=0.35、 主要影響角正切：tgβ=1.5、開采影響傳播系數(shù)：k=0.6、拐點(diǎn)偏移距：s/H=0.05。

經(jīng)計(jì)算，得出了井筒區(qū)域地表移動(dòng)與變形最大值，見表1所示，通過計(jì)算結(jié)果可以看出，北山進(jìn)風(fēng)井仍將受到一定的沉陷變形影響。同時(shí)，計(jì)算了北山進(jìn)風(fēng)井井筒的偏斜與豎向變形，見表1、圖3，井筒以后的偏斜方向與當(dāng)前偏斜方向一致。

表1北山進(jìn)風(fēng)井地表移動(dòng)變形值

圖3 井筒偏斜與豎向變形曲線圖

3 維修加固措施

(1)補(bǔ)挖井壁。在井壁破壞段及圍巖軟弱處(井筒穿丁組煤處)開切卸壓槽，卸壓槽內(nèi)充填可伸縮性材料，將原來的剛性井壁更換為可伸縮井壁，以有效減小井壁的破壞。一次開挖井壁寬度不超過1.5 m，拆挖高度為600 mm。施工中應(yīng)挖除內(nèi)層井壁中已破壞的混凝土，并要求鋪設(shè)的可伸縮性材料與圍巖有一定的間隙(水平間隙不小于300 mm)，避免斷面內(nèi)形成應(yīng)力集中。

(2)加固井壁與圍巖。用錨桿將井壁與圍巖固定在一起，水平的錨桿可以在一定的限度內(nèi)阻止井壁和圍巖的相對(duì)移動(dòng)，并對(duì)圍巖進(jìn)行深淺孔混合注漿加固[6]。井底車場(chǎng)周圍巷道也要進(jìn)行加固注漿處理。

(3)掛金屬井圈。掛金屬井圈可在井壁水平截面上施加均勻反力，可阻止井壁破壞或防止破壞范圍繼續(xù)擴(kuò)大。

(4)切割罐道梁，罐道梁的變形與井筒徑向變形是一致的，為使罐道梁能適應(yīng)拉伸與壓縮變形，可將其切開，用滑動(dòng)夾板連接，使之既能伸又能縮。

(5)調(diào)整罐道。對(duì)于因井筒偏斜引起罐道磨損加劇，可進(jìn)行長(zhǎng)距離的順坡，并對(duì)罐道接頭間距進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[7-8]。

(6)調(diào)整排水管、壓風(fēng)管。在井筒偏斜和變形較小的情況下，可在管路上安裝剛性伸縮接頭，如果井筒變形較大，可在受壓部位分段安裝高壓軟管以調(diào)節(jié)變形，或采取割焊的方法。

(7)加強(qiáng)工業(yè)場(chǎng)地周邊煤層開采的管理，劃定保護(hù)煤柱范圍，嚴(yán)禁在保護(hù)煤柱范圍內(nèi)進(jìn)行開采活動(dòng)。

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合周邊煤層開采情況和井筒偏斜、井壁破壞特征，確定北山進(jìn)風(fēng)井井筒的損害與附近煤層的開采活動(dòng)有關(guān)，煤層采動(dòng)影響和煤柱荷載增大引發(fā)井筒變形和破壞。

(2)計(jì)算了井筒今后的沉陷變形情況，預(yù)計(jì)井筒最大下沉為150 mm，最大軸向變形為0.9 mm/m，最大偏斜距為106 mm，最大偏斜率為0.4 mm/m，井筒仍需監(jiān)測(cè)和維護(hù)。

(3)提出了補(bǔ)挖井壁、加固井壁與圍巖、掛金屬井圈、切割罐道梁、調(diào)整罐道等維修措施。