立井井筒偏斜原因分析及其治理技術(shù)探究

蔡有京,許光泉

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南232001）

0 引言

自徐州市張雙樓煤礦于1987年發(fā)生副井井壁破裂事故以來，我國華東地區(qū)厚表土層煤礦出現(xiàn)數(shù)十處井筒偏斜破裂事故，嚴重影響煤礦生產(chǎn)。多年來，眾多學(xué)者針對這種井筒偏斜破裂現(xiàn)象展開原因分析與治理修復(fù)的研究，并且取得良好成果。在原因分析研究上：崔廣興根據(jù)自張雙樓煤礦立井偏斜破裂事故發(fā)生以來十年類似事故的研究，發(fā)現(xiàn)該類事故皆因厚表土層煤礦松散層底部含水層失水引起[1]經(jīng)來旺通過松散層疏水沉降模型試驗研究井筒所受應(yīng)力的變化規(guī)律，進一步分析松散層底部含水層水位變化與井筒偏斜破裂對應(yīng)關(guān)系[2]劉環(huán)宇根據(jù)兗州礦區(qū)井筒偏斜破裂事故的現(xiàn)場調(diào)查，通過數(shù)值模擬，計算土體滲流壓縮變形量，從水體與土、土體與井筒相互作用分析兗州礦區(qū)井筒偏斜破裂機制[3]在治理修復(fù)研究方面，張文泉根據(jù)井筒偏斜破壞機制，從井壁、地層、水頭三方面，提出不同治理思路，并對比研究各種技術(shù)優(yōu)劣性[4];邱集煤礦通過破壁注漿技術(shù)，修復(fù)井筒破裂突水，成功降低井筒涌水量;嶺煤礦南風(fēng)井通過地面注漿成功修復(fù)井筒破裂，封堵涌水，避免了經(jīng)濟進一步損失。

本文以山東某礦風(fēng)井偏斜井筒為例，通過井筒結(jié)構(gòu)、井下開采、井筒周邊地層特征三個角度綜合分析偏斜原因，并對治理修復(fù)進行初步探究。

1 地層概況

山東某礦現(xiàn)階段主要開采煤層為3煤層（主要為3下煤層），礦區(qū)內(nèi)均被新生界巨厚松散層覆蓋，厚度達570 m左右，屬于典型的厚表土層煤礦。根據(jù)鉆孔揭露，新生界新生界松散層段含、隔水層共有為5段，具體情況見表1：

表1 含、隔水層具體概況

2 井筒偏斜原因分析

山東某礦隨著的開采，風(fēng)井自投產(chǎn)后，地面沉陷監(jiān)測站發(fā)現(xiàn)井筒周邊地面發(fā)生不均勻沉陷且井筒發(fā)生偏斜。其中：井筒向西北方向偏斜，偏斜主要層段為松散層段，偏斜量為335 mm。本文根據(jù)井筒結(jié)構(gòu)、井下開采與井筒地層特征三方面分析偏斜原因，現(xiàn)分析如下：

2.1 井筒結(jié)構(gòu)

如圖1所示，風(fēng)井井筒松散層段以及部分基巖段采用凍結(jié)法施工。凍結(jié)法施工通過對井筒周邊地層布設(shè)凍結(jié)孔進行地層加固凍結(jié)，以抵抗地下水與土體壓力，隔絕水體聯(lián)系，但在井筒建設(shè)完畢后，井筒附近的凍結(jié)孔會停止凍結(jié)，當(dāng)凍結(jié)圈內(nèi)地層發(fā)生融凍后，井筒周邊地下水會由靜水變?yōu)閯铀问剑暗缀彼w通過下部發(fā)育的縱向裂隙，以及被凍結(jié)孔貫通的井下建筑物與井壁進行入滲，使得“底含”水位降低，壓力下降，造成地層發(fā)生不均勻沉降。

圖1 風(fēng)井井筒結(jié)構(gòu)圖

2.2 井下開采

山東某礦自投產(chǎn)以來，采區(qū)工作面不斷增加，礦區(qū)工業(yè)疏排水量日益增大，該礦自2009 年生產(chǎn)后，礦井涌水疏放量由50 m3/h達到現(xiàn)今的500～600 m3/h，由于疏放水體與“底含”水體存在一定水力聯(lián)系，在疏排煤層頂板水體的同時，存在部分“底含”水體疏排。根據(jù)2009年該礦主井巷道掘進時頂板冒落事故的調(diào)查，調(diào)查發(fā)現(xiàn)：事故發(fā)生時礦井涌水量達300 m3/h，因未及時治理，連續(xù)5年出水，總出水量達1 300 萬m3。根據(jù)對突水水體進行水質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)突水水樣為混合水體，其水樣中包含松散層底部含水層水體。此調(diào)查也印證該礦在疏排煤層頂板水體時，有部分“底含”水體發(fā)生流失。

2.3 井筒地層特征

風(fēng)井井筒位于向斜軸部東側(cè)附近，受軸部構(gòu)造應(yīng)力作用相對集中，根據(jù)風(fēng)氧化帶超聲波探測技術(shù)，檢驗孔在松散層下部基巖段發(fā)現(xiàn)11條以南北方向為主的張性裂隙，且連通性較好，可作為導(dǎo)水通道。另外由于“底含”直接覆蓋于下部風(fēng)氧化帶含水層上，風(fēng)氧化帶受氧化影響，縱向風(fēng)化裂隙較為發(fā)育，在對下部風(fēng)氧化帶砂巖含水層勘探中，發(fā)現(xiàn)部分漏水點，漏水率達58.3 %，且漏水位置皆為風(fēng)氧化帶與斷層附近，因此“底含”水體極易通過構(gòu)造裂隙與風(fēng)化裂隙進入下部含水層，另外由于“底含”水流方向自東向西流動且流速大，風(fēng)井井筒受水力沖擊作用向水流運動方向偏斜。

3 治理研究

3.1 治理思路與技術(shù)

本著不影響礦井生產(chǎn)、保證礦區(qū)工作人員生命安全以及長期治理修復(fù)的原則，根據(jù)上文山東某礦偏斜原因分析，修復(fù)治理可從井壁、水體、土體三個方面入手[4]。

對于井壁而言，一般通過增加井壁自身強度和提高抵抗地層受力變形能力的方法來加固井壁，現(xiàn)有方法是向內(nèi)部井壁變形最大地段安裝卸壓槽以及增加井壁壁厚的方法進行治理，其技術(shù)在鮑店煤礦北風(fēng)井取得良好效果。但由于山東某礦僅有一風(fēng)井，為不影響生產(chǎn)，并且卸壓槽隨井壁下沉要隨時檢修管道，相對費時，故不能適用于該礦治理；而針對水體治理，一般通過人工注水維持偏斜前水位的方法，花費太高且影響生產(chǎn)，故不太適用于工業(yè)廣場內(nèi)井筒修復(fù)；然而針對土體變形治理井筒偏斜，注漿技術(shù)通過加固松散地層，改變地層巖性，封堵地下水水力通道的方法取得較大成功，施工方案較為可行。現(xiàn)有的礦井注漿修復(fù)技術(shù)分為地面注漿與破壁注漿兩種注漿措施，且二者各有優(yōu)劣性[4]。

破壁注漿法是在井筒內(nèi)部施工，通過井壁向外側(cè)打孔注漿，優(yōu)點在于可有效地觀察到破裂部位，并且花費較少，可快速注漿加固；但是由于井筒內(nèi)部施工危險性較高，操作難度大，影響礦井生產(chǎn)，且在20世紀(jì)80年代，采用破裂注漿技術(shù)針對張雙樓煤礦主、副井偏斜破裂，雖當(dāng)時治理效果較好，但沒過多久便發(fā)生內(nèi)壁土體剝落，井筒涌水等現(xiàn)象，因而破壁注漿技術(shù)更適用于井筒嚴重破裂緊急搶修堵水的情況，而不能作為主要的井筒注漿修復(fù)手段[5]。相反地面注漿法由于在地面開設(shè)鉆孔對井筒周邊地層進行加固，不影響礦井生產(chǎn)，且地面施工安全性較高，加固效果長久可靠，雖花費成本較高，技術(shù)難度較大，但較為專家認可。根據(jù)山東某礦偏斜情況，綜合考量認為地面注漿法修復(fù)井筒偏斜較為可行。

3.2 檢驗孔地面注漿試驗

為驗證地面注漿技術(shù)實際可行性，山東某礦風(fēng)井井筒旁檢驗3孔進行了一次地面注漿試驗。

本次地面注漿由于注漿地層為孔隙含水層，孔徑較小，采用顆粒較細的水泥漿材。此次注漿采用自下而上式注漿法。

地面注漿試驗歷時一個月，松散層各含水層段均進行注漿。檢驗孔地面注漿試驗完成后，根據(jù)地面監(jiān)測站觀測：井筒旁觀測點在注漿后12天，監(jiān)測點位向偏斜反方向運動，各監(jiān)測點平均修復(fù)位移量為49 mm，風(fēng)井現(xiàn)偏斜348 mm，偏斜修復(fù)量完成14 %，修復(fù)效果顯著。

此次地面注漿試驗表明：地面注漿修復(fù)實際可行，且修復(fù)成果較為可觀，可以為后續(xù)正式地面注漿修復(fù)工程以及其他該類型治理工程提供借鑒經(jīng)驗。

4 總結(jié)

根據(jù)此次對山東某礦立井井筒偏斜情況，通過對立井井筒偏斜原因分析以及修復(fù)治理技術(shù)的初步探究，得出以下結(jié)論：

（1）影響山東某礦井筒偏斜主要層段為松散層，且主要向西偏斜。

（2）風(fēng)井偏斜主要由于凍結(jié)松散層段發(fā)生融凍，“底含”水體通過凍結(jié)孔孔壁以及下部風(fēng)化裂隙與構(gòu)造裂隙向下部巖層滲入，根據(jù)有效應(yīng)力原理，地層應(yīng)力增加，地層壓縮導(dǎo)致井筒發(fā)生偏斜，且由于“底含”向西流動且水力坡度較大，所以井筒主要向西側(cè)偏斜。

（3）地面注漿針對山東某礦偏斜修復(fù)工程較適用，檢驗孔地面注漿試驗較為成功，后續(xù)正式地面注漿可以借鑒經(jīng)驗。

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[3]劉環(huán)宇，陳衛(wèi)忠,王爭鳴.兗州礦區(qū)立井井筒破壞機制的理論分析[J].巖石力學(xué)與工程力學(xué)學(xué)報，2006,26(07):2620-2626.

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