周 鑫 于 慶

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)， 資源與地球科學(xué)學(xué)院， 徐州 221116， 中國(guó))

0 引 言

煤礦立井是人員、設(shè)備、材料運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ?，其變形破壞，除了?yán)重影響到煤礦正常運(yùn)行，還會(huì)附帶巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失(隋旺華等， 2019)。煤礦立井穿越越來(lái)越深的復(fù)雜地層，其附加應(yīng)力對(duì)立井井壁破壞和變形的影響權(quán)重不斷增加(劉環(huán)宇等， 2007； 周揚(yáng)等， 2008； 許延春等， 2015)，加之以往經(jīng)過(guò)治理后的井壁出現(xiàn)重復(fù)破壞的例子也越來(lái)越多，如何有效徹底地解決井壁附加應(yīng)力是當(dāng)前急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題(李文平， 2000； 蔡榮等， 2003； 陳祥福等， 2010； 郝秀強(qiáng)等， 2015)。

諸多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)煤礦立井井壁附加應(yīng)力的治理措施進(jìn)行了深入研究。目前國(guó)內(nèi)采用的井壁附加應(yīng)力消除措施主要有：注漿法、卸壓槽法、改變井壁結(jié)構(gòu)法以及含水層注水法等(經(jīng)來(lái)盛， 2001； 葛曉光， 2002； 劉環(huán)宇等， 2005； 高杰等， 2009； Yu et al.， 2012； 宗保東， 2016)。國(guó)內(nèi)學(xué)者從礦井井壁破裂的機(jī)理分析入手，總結(jié)了地面注漿方法的優(yōu)缺點(diǎn)(梁化強(qiáng)等， 2006)，實(shí)測(cè)分析堵水效應(yīng)為注漿法本質(zhì)(經(jīng)來(lái)旺等， 2005)，以黃淮礦區(qū)為例分析了井壁卸壓槽的方法(楊俊杰， 1999； 姚直書(shū)等， 2001； 蔡海兵， 2010)，利用解析方法研究卸壓套壁法(崔廣心1998， 2005； 琚宜文等， 2003)，以東灘煤礦為例分析地層變形受注水的影響(陳若躍， 2014)，提出了注水減沉法(徐延春等， 2014)。

現(xiàn)有的各種治理方法有一定的治理效果，但是也存在一些無(wú)法回避的缺點(diǎn)。注漿法有一定時(shí)效性，立井會(huì)再次破壞； 井壁開(kāi)切卸壓槽后，隨著卸壓槽充填材料壓縮變形的增加和井壁縱向附加力釋放，后期卸壓效果相對(duì)變差。重復(fù)性井壁破裂的工程案例有很多(李文平，2000)，例如：在兗州礦區(qū)濟(jì)三煤礦的主井、副井以及風(fēng)井，分別采取注漿法和卸壓槽法進(jìn)行井壁破裂治理，治理后長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)顯示主井井壁繼續(xù)發(fā)生變形，含水層水位繼續(xù)發(fā)生下降，井壁壓應(yīng)變持續(xù)增大，井壁發(fā)生再次破壞； 淮北礦區(qū)許疃煤礦副井采用了特殊井壁結(jié)構(gòu)，但是在建成后的5年內(nèi)發(fā)生了破裂。注水法目前尚無(wú)實(shí)際工程應(yīng)用的先例，部分學(xué)者在東灘煤礦等礦井對(duì)其進(jìn)行一些工業(yè)性試驗(yàn)，考慮到礦井反復(fù)注排水對(duì)井壁會(huì)產(chǎn)生反復(fù)影響以及注水參數(shù)較難控制，可以預(yù)期實(shí)際治理效果并不理想(Zhang et al.， 2016)。此外還需要較長(zhǎng)的施工時(shí)間，注水量不易控制，水源水質(zhì)會(huì)影響含水層水體。

本文依托華東地區(qū)大量井筒破壞發(fā)生礦區(qū)的工程數(shù)據(jù)，并以鮑店煤礦的地層信息為典型地層建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ停谝酝鶎W(xué)者對(duì)井壁破裂治理的研究基礎(chǔ)上，以地層沉降協(xié)調(diào)機(jī)制為原理，提出消除附加應(yīng)力的新方法，分析其作用機(jī)理，進(jìn)行土層中立井井壁附加應(yīng)力變化的試驗(yàn)研究，對(duì)地層沉降協(xié)調(diào)法穩(wěn)定附加應(yīng)力的有效性進(jìn)行分析。本研究對(duì)于解決煤礦立井地下結(jié)構(gòu)變形破壞防治、保障井筒運(yùn)行維護(hù)等安全地質(zhì)問(wèn)題，有著重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 地層沉降協(xié)調(diào)原理

含水層在疏排水過(guò)程中水位呈長(zhǎng)期下降趨勢(shì)，表土層將會(huì)呈現(xiàn)長(zhǎng)期壓縮變形(曹宇清等， 2019；劉忠玉等， 2019)，要保持立井穩(wěn)定就要減小或消除地層沉降的影響。含水層失水導(dǎo)致土層固結(jié)壓縮是產(chǎn)生附加力的直接原因，因此，減少井筒周?chē)馏w沉降，從而減少井壁和土體之間的相對(duì)位移，是穩(wěn)定和減少井壁附加力的根本方法。將井壁周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的土體與范圍外土體用隔離體隔離開(kāi)，隔離兩者的豎向力和位移，可使協(xié)調(diào)范圍內(nèi)的土體和井壁間的相對(duì)位移減??； 另一方面，隔離體可以保證水平力的存在，使井筒保持穩(wěn)定。

因此，地層沉降協(xié)調(diào)法的機(jī)理是通過(guò)隔離協(xié)調(diào)圈層，將立井周?chē)囟▍^(qū)域內(nèi)地層設(shè)定邊界，與外部區(qū)域進(jìn)行分隔，隔離外部區(qū)域地層沉降變形的影響，以降低井壁附加力的產(chǎn)生，同時(shí)還能傳遞水平力，保證井筒的正摩阻力穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)防治煤礦立井破壞。如圖 1所示，對(duì)隔離范圍內(nèi)注漿可以控制含水層的失水壓縮，因此由失水沉降引起的井筒附加應(yīng)力將不會(huì)增長(zhǎng)，大量現(xiàn)場(chǎng)注漿數(shù)據(jù)也表明，對(duì)含水層加固后，有效應(yīng)力得到了很好的控制； 通過(guò)隔離協(xié)調(diào)圈層，設(shè)定邊界與外部地層進(jìn)行分隔，減少圈層內(nèi)因含水層疏排水而引起的沉降量，即可削弱地層沉降對(duì)井筒的負(fù)摩阻力作用。

圖 1 地層沉降協(xié)調(diào)機(jī)理示意圖Fig. 1 The conceptual mechanism of strata settlement coordination treatment method

表 1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

表 2 試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameters

2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料及裝置

在模擬試驗(yàn)中，幾何參數(shù)、相似材料和邊界條件幾方面與實(shí)際工況有一定的比例關(guān)系，模擬地層沉降時(shí)土體與井筒的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

利用已研制的立井井壁動(dòng)變影響試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?于慶等， 2015)，其尺寸為1200mm×1200mm×1000mm，初步確定本次試驗(yàn)幾何相似比CL=100。立井原型尺寸：長(zhǎng)度×外徑×內(nèi)徑=100m×10m×8m，按照100的相似比，模型尺寸為1000mm×100mm×80mm。模擬的地層實(shí)際尺寸為長(zhǎng)×寬×高=120m×120m×100m，土體、井筒模型、協(xié)調(diào)隔離體的空間布局如圖 2所示。

圖 2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涫疽鈭D(單位為：mm)Fig. 2 Sketch of the model chamber(unit: mm)

相似材料方面，由于本次模擬試驗(yàn)所用模型井筒尺寸較小，如果采用建造實(shí)際井筒的混凝土材料來(lái)制作，存在模具制作成型的難題。綜合考慮到亞克力有機(jī)玻璃管透明度好，便于貼片觀察，加工制作過(guò)程簡(jiǎn)單，彈性模量適中，符合試驗(yàn)測(cè)試精度需求，因此模型井筒采用亞克力有機(jī)玻璃筒。混凝土材料與亞克力有機(jī)玻璃筒參數(shù)對(duì)照見(jiàn)表 1。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表 2。隔離體材料采用兩種隔離協(xié)調(diào)材料，一種厚度為1mm的聚四氟乙烯板，該板有一定的強(qiáng)度，且摩擦系數(shù)小，符合隔離協(xié)調(diào)材料的要求。另外一種材料為樹(shù)脂，通過(guò)在井筒模型周?chē)欢ǚ秶@設(shè)小孔灌注來(lái)設(shè)置隔離體。

模擬試驗(yàn)中，在模型井壁外側(cè)粘涂一薄層粒徑均勻的砂粒，模擬與土體的接觸。為降低試驗(yàn)箱尺寸效應(yīng)引起的邊界條件影響，在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段時(shí)，先在試驗(yàn)箱內(nèi)壁涂一層凡士林，起到潤(rùn)滑作用，以消除試驗(yàn)箱內(nèi)壁對(duì)土體應(yīng)力場(chǎng)的影響。

2.2 試驗(yàn)方法

含水層失水導(dǎo)致上方土層固結(jié)壓縮是產(chǎn)生附加力的直接原因，本文所涉及的模擬試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)含水層進(jìn)行疏排水來(lái)實(shí)現(xiàn)井筒周?chē)貙拥某两担M(jìn)而產(chǎn)生井壁上的豎向附加力。在試驗(yàn)箱底部設(shè)置的排水閥門(mén)進(jìn)行排水，設(shè)置主動(dòng)抽水泵來(lái)控制排水量。為使沉降效果明顯，可以合理加大排水量以及排水速率。

本次試驗(yàn)主要驗(yàn)證地層失水沉降對(duì)井壁附加應(yīng)力的影響，因此采用應(yīng)變傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)井壁受地層沉降的影響。測(cè)量土層沉降采用YWD-10型位移傳感器，BA120-5AA應(yīng)變計(jì)用于測(cè)量應(yīng)變。在距離井筒中心7.5cm處的環(huán)形均勻設(shè)置4個(gè)沉降點(diǎn)，作為隔離體內(nèi)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)； 在距離井筒中心25.0cm處的環(huán)形均勻設(shè)置4個(gè)沉降點(diǎn)，作為隔離體外沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。距離井筒底部20cm處的內(nèi)側(cè)粘貼應(yīng)變計(jì)，如圖 3所示，因8組應(yīng)變片所得的橫、縱向應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系圖基本一致，下文只對(duì)1、2號(hào)應(yīng)變計(jì)所得數(shù)據(jù)作代表介紹分析，相應(yīng)記井壁縱向應(yīng)變?yōu)閂1、V2，橫向應(yīng)變?yōu)镠1、H2。

圖 3 應(yīng)變片粘貼示意圖Fig. 3 Strain gauge layout a. 應(yīng)變片局部俯視圖； b. 應(yīng)變片局部剖面圖

圖 4 4組試驗(yàn)沉降過(guò)程中井壁縱向應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系圖Fig. 4 Relationship between shaft-lining vertical strain and time in 4 strata settlement experiments process a. 井壁縱向應(yīng)變V1與時(shí)間關(guān)系圖； b. 井壁縱向應(yīng)變V2與時(shí)間關(guān)系圖

以砂土作為含水層，以黏土或其他隔水材料作為含水層上覆隔水層，研究在井筒周?chē)貙映两颠^(guò)程中，不同協(xié)調(diào)材料及隔離范圍條件下立井井壁的受力狀態(tài)以及土體表面沉降變形，驗(yàn)證地層沉降變形協(xié)調(diào)法的可行性。模擬試驗(yàn)共進(jìn)行4組，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，試驗(yàn)安排見(jiàn)表 3。

表 3 試驗(yàn)安排Table 3 Experimental planning

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 井壁縱向應(yīng)變變化

如圖 4所示，井壁縱向應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線中，第1組試驗(yàn)曲線斜率明顯大于第2、3、4組試驗(yàn)中的曲線斜率。此外，第1組試驗(yàn)縱向應(yīng)變變化比后續(xù)3組試驗(yàn)應(yīng)變變化持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，第2、3、4組應(yīng)變經(jīng)歷開(kāi)始的突增后很快趨于穩(wěn)定，應(yīng)變穩(wěn)定后，縱向應(yīng)變平均值最大的是第1組，第2、3、4組的數(shù)據(jù)明顯小于第1組。這說(shuō)明采用地層沉降變形協(xié)調(diào)法后，隔離協(xié)調(diào)體可以顯著減緩井壁縱向應(yīng)變的變化速率和井壁縱向應(yīng)變穩(wěn)定值，可以減小隔離體外地層沉降對(duì)井筒的作用，加設(shè)隔離體可以有效防治井壁破裂。

另外，根據(jù)縱向應(yīng)變曲線可知，3種不同隔離協(xié)調(diào)半徑對(duì)縱向應(yīng)變的影響區(qū)別不是很大，但是不同隔離材料對(duì)縱向應(yīng)變的影響還是比較明顯。聚四氟乙烯材料的隔離體隔離協(xié)調(diào)效果優(yōu)于樹(shù)脂材料的隔離體，這是因?yàn)榫鬯姆蚁┍砻媸止饣?，摩擦系?shù)很小，同時(shí)也具有一定的強(qiáng)度。

3.2 井壁橫向應(yīng)變變化

如圖 5對(duì)比分析4組試驗(yàn)所得的井壁橫向應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線， 4組試驗(yàn)所得橫向應(yīng)變變化曲線走勢(shì)基本一致， 4組試驗(yàn)所得橫向應(yīng)變穩(wěn)定值相差不大， 4條曲線較為接近。隨著含水層排水地層沉降的繼續(xù)發(fā)生，土體開(kāi)始出現(xiàn)固結(jié)壓縮，在工程實(shí)際中體現(xiàn)為井筒井壁的橫向應(yīng)變受拉幅度及受拉趨勢(shì)逐步增大。測(cè)點(diǎn)處的井壁橫向應(yīng)變隨著地層沉降的過(guò)程均經(jīng)歷了先突然增加然后趨于穩(wěn)定，中間有小范圍的波動(dòng)。

圖 5a和圖5b的第2組和第4組曲線較為接近，第1組和第3組曲線較為接近，且第2組和第4組的曲線低于第1組和第3組的曲線，這是因?yàn)楦綦x協(xié)調(diào)材料的原因，在第2組和4組試驗(yàn)中，隔離協(xié)調(diào)材料是聚四氟乙烯，而第3組試驗(yàn)則是樹(shù)脂材料，由圖中曲線可以明顯看出其具有一定的差別。圖 5a顯示的是H1點(diǎn)在4組試驗(yàn)中的橫向應(yīng)變變化曲線，4條曲線十分接近，說(shuō)明該點(diǎn)處的隔離協(xié)調(diào)效果很好，基本保證了井壁橫向應(yīng)變不發(fā)生較大變化。

圖 5 4組試驗(yàn)沉降過(guò)程中井壁橫向應(yīng)變變化與時(shí)間關(guān)系圖Fig. 5 Relationship between shaft-lining horizontal strain and time in 4 strata settlement experiments process a. 井壁橫向應(yīng)變H1與時(shí)間關(guān)系圖； b. 井壁橫向應(yīng)變H2與時(shí)間關(guān)系圖

圖 6 4組試驗(yàn)中隔離體內(nèi)側(cè)沉降點(diǎn)平均沉降與時(shí)間關(guān)系圖Fig. 6 Relationship between soil surface subsidence and time on the inside of the isolator layer under four strata settlement experiments

綜上分析可知，采用地層協(xié)調(diào)方法后，井壁的橫向應(yīng)變和未加隔離協(xié)調(diào)體的變化趨勢(shì)基本一致，橫向應(yīng)變均在合理的范圍內(nèi)未發(fā)生較大變化，說(shuō)明該方法可以維持井壁的橫向變形的穩(wěn)定。

3.3 地層沉降試驗(yàn)過(guò)程土表沉降情況

3.3.1 隔離體內(nèi)側(cè)土表沉降情況

如圖 6所示，不同分隔條件下，含水層初始排水時(shí)，地層存在滯后沉降，繼續(xù)排水后，滯后效應(yīng)消失，地層產(chǎn)生緩慢沉降，曲線斜率變大，并且沉降斜率與不同的隔離協(xié)調(diào)條件有關(guān)。觀察4條曲線可以看出：在4組不同協(xié)調(diào)條件的試驗(yàn)中，第1組試驗(yàn)開(kāi)始后約2min時(shí)，土體沒(méi)有產(chǎn)生沉降， 2min后土體開(kāi)始出現(xiàn)緩慢的沉降，在6min時(shí)，土體沉降曲線開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)折，曲線斜率增大，沉降有明顯的增大。最終在65min時(shí)，土體表面沉降達(dá)到了3.16mm。第2組試驗(yàn)在排水開(kāi)始后的3min內(nèi)沒(méi)有明顯的地層表面沉降，整個(gè)過(guò)程土體表面最終下降了0.79mm； 第3組試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程沉降變化依然較為平緩，最終沉降量為0.92mm。相比之下，第4組試驗(yàn)的沉降變化更加緩慢，最終沉降量也更小，只有0.52mm。

分析對(duì)比圖中的曲線，加設(shè)隔離體后，平均沉降發(fā)生了明顯改變， 3組加設(shè)隔離體的試驗(yàn)均可有效減小隔離體內(nèi)地表沉降，對(duì)減緩和抑制對(duì)井壁的豎向附加力有積極的作用。隔離半徑為R=4r的第4組試驗(yàn)的沉降減小量最大。R=2r、R=4r比R=3r的最終沉降均要小，主要原因是隔離體所采用的材質(zhì)和設(shè)置方式不同，鉆設(shè)小孔灌注設(shè)置的樹(shù)脂材料比聚四氟乙烯板隔離治理效果稍微差一些，但也同樣有效果。

3.3.2 隔離體外側(cè)土表沉降情況

如圖 7所示，觀察4條不同的隔離體外側(cè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線，可以看出：加設(shè)隔離體后，在其外側(cè)的平均沉降變化不大。4組試驗(yàn)在初始的5min內(nèi)沉降變化均較小， 10min左右曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，沉降曲線斜率明顯增大，對(duì)比之下，第1組試驗(yàn)曲線斜率最大，第3組次之，斜率最小的是第4組試驗(yàn)。4組試驗(yàn)所得最終沉降量差別不是很大，但是加設(shè)隔離體后的最終沉降量仍然有所減小， 4組試驗(yàn)的最終沉降依次為： 3.59mm， 3.27mm， 3.51mm和3.15mm。

圖 7 4組試驗(yàn)中隔離體外側(cè)沉降點(diǎn)平均沉降與時(shí)間關(guān)系圖Fig. 7 Relationship between soil surface subsidence and time on the outside of the isolator layer under four strata settlement experiments

對(duì)比圖 6和圖 7可以發(fā)現(xiàn)，在第1組試驗(yàn)中隔離體外側(cè)沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的平均沉降量(3.59mm)要大于隔離體內(nèi)側(cè)沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的平均沉降量(3.16mm)。原因在于外側(cè)沉降點(diǎn)距離排水口較近，在試驗(yàn)過(guò)程中該處地層受到排水壓縮影響明顯。

通過(guò)對(duì)4組試驗(yàn)中兩處監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到的沉降曲線對(duì)比分析，可以得出：隔離體能夠有效減緩其內(nèi)側(cè)地層沉降速率，減少其內(nèi)側(cè)的最終地表沉降量。對(duì)于隔離體外側(cè)的地表沉降影響不明顯。根據(jù)附加應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理，地層沉降協(xié)調(diào)法對(duì)于減緩附加應(yīng)力增長(zhǎng)有著積極的作用。

4 結(jié)論與應(yīng)用說(shuō)明

本文以地層沉降協(xié)調(diào)機(jī)制為原理，提出了消除或減少附加應(yīng)力的新方法，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)地層沉降協(xié)調(diào)法穩(wěn)定附加應(yīng)力的有效性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

(1)地層沉降協(xié)調(diào)法的機(jī)理是通過(guò)隔離圈層，將豎向結(jié)構(gòu)特定范圍內(nèi)地層與外部區(qū)域進(jìn)行分隔，協(xié)調(diào)豎向變形以減少結(jié)構(gòu)附加力，并能保持水平力的存在。

(2)加設(shè)隔離體的試驗(yàn)縱向附加應(yīng)變值明顯低于未加隔離體的試驗(yàn)。隔離協(xié)調(diào)體對(duì)井壁縱向應(yīng)變的突變有減小作用，可以維持橫向變形的穩(wěn)定。隔離體能夠有效減緩其內(nèi)側(cè)地層沉降速率以及最終沉降量。

(3)地層沉降協(xié)調(diào)法可以明顯降低沉降過(guò)程中井壁縱向附加應(yīng)變，同時(shí)可以保持橫向變形及受力的穩(wěn)定。

地層沉降協(xié)調(diào)法在實(shí)際工程中可以按以下步驟：先計(jì)算隔離協(xié)調(diào)范圍； 注漿加固范圍內(nèi)的含水層； 開(kāi)設(shè)隔離體充填槽或充填孔，選擇合適填充材料，形成隔離體圈層。

填充材料可以選用注漿加固材料，基本要求為成型后邊界光滑。隔離體的主要作用是隔離其內(nèi)外側(cè)地層的豎向變形，保持水平力的穩(wěn)定。在計(jì)算隔離協(xié)調(diào)范圍時(shí)，可以根據(jù)允許偏斜率和靶域式鉆孔技術(shù)方式計(jì)算隔離范圍，也可以按經(jīng)驗(yàn)取2～4倍井筒外半徑的距離。對(duì)隔離協(xié)調(diào)范圍以內(nèi)的含水層進(jìn)行注漿加固形成含水層加固體，以達(dá)到減少隔離體內(nèi)側(cè)含水層壓縮變形和止水加固的目的。