煤礦井壁破壞的原因分析及對策

唐方圓

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

井筒是礦井的咽喉部位，是井下工作人員上升到地面上的唯一通道，井筒的安全關(guān)乎井下工作人員的生命安全，不可小覷。由于井筒埋深較大，經(jīng)過各個地層，巷道在此處立體交叉相互交錯，集中應(yīng)力大，受力狀態(tài)復(fù)雜。很多井筒都會在井壁處發(fā)生不同程度的破裂。煤礦井壁的破壞，給煤礦帶來了巨大的安全隱患以及經(jīng)濟(jì)損失。我國自1987年7月臨渙、海孜、童亭三個礦井9井筒發(fā)生嚴(yán)重破裂以來，全國約有200約個井筒發(fā)生不同程度的破壞。盡管該問題已有前人做出了大量的模擬實驗與論證，發(fā)現(xiàn)了豎直附加力是破壞井壁的最主要原因，但是近年來仍有煤礦井壁破壞的發(fā)生。本文試圖通過對40多個煤礦井壁破壞實例的統(tǒng)計分析，找出其一些破壞規(guī)律與特殊特征，并對已壞井壁的加固修復(fù)方法進(jìn)行總結(jié)完善，選出最優(yōu)方案。以期對今后防止煤礦井壁破壞和決策修復(fù)加固方案起到一定的指導(dǎo)作用。

1 破壞的規(guī)律性分析

1.1 井壁各種破壞因素

統(tǒng)計結(jié)果見表1，從表1來看，總共40多例破壞井壁，井壁的破壞與5個因素有關(guān)表1，分別是疏水沉降、凍結(jié)融沉、開采沉降、地下水酸堿腐蝕、淋水作用和施工質(zhì)量、設(shè)計缺陷等問題因素；其中疏水沉降的井壁有27例，凍結(jié)融沉破壞的井壁有10例；地下水酸堿腐蝕，淋水作用破壞的井壁有8例，開采沉降、施工質(zhì)量、設(shè)計等問題破壞的井壁共有8例，破壞的數(shù)量并不很大。另外，有的井壁破壞是由其中總結(jié)因素綜合影響下的破壞。從表1中看，疏水沉降所占權(quán)重比為50%，說明井壁的破壞大部分是由于疏水沉降造成的，作為井壁破壞的首要影響因子。而凍結(jié)融沉造成的井壁破壞所占權(quán)重比為18%，地下水酸堿腐蝕，淋水作用造成的井壁破壞所占權(quán)重比為15%，這兩大因素所占權(quán)重比中等，是井壁破壞的第二影響因子。對于開采沉降，施工質(zhì)量，設(shè)計等問題這兩大因素，對于井壁破壞所占權(quán)重比分別為7.5%和7.5%，對于井壁的破壞為第三影響因子。

表1 部分井壁破壞因素統(tǒng)計表

1.2 疏水沉降因素的時間規(guī)律

通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計收集，發(fā)現(xiàn)特定的井壁破壞因素有著特定的時間規(guī)律。通過origin軟件將收集的數(shù)據(jù)表格通過散點圖的形式展現(xiàn)出來，可以更加直觀地發(fā)現(xiàn)時間規(guī)律。

通過圖1發(fā)現(xiàn)，疏水沉降造成的井壁破壞大都在煤礦竣工結(jié)束后5年到15年間發(fā)生破壞，基本上在10年周圍波動，從中可以得出疏水沉降造成井壁破壞是一個極其緩慢的過程，時間跨度比較長，對于一個新礦井壁的預(yù)防時間可以設(shè)為10年為預(yù)警檢查值。對于首要因素不可以避免但是可以減緩和預(yù)防。

圖1 疏水沉降時間關(guān)系表

1.3 井壁破壞時間規(guī)律

通過對數(shù)據(jù)中的50多例礦井破壞月份的統(tǒng)計，繪制出圖2～3。

圖2 礦井破壞月份散點圖

圖3 破壞月份權(quán)重比柱形圖

從圖2可以很直觀地看出，在一年中，大量的井壁破壞發(fā)生在6月附近。再通過圖3可以看出，5～8月，井壁破壞的數(shù)量權(quán)重比占得比較大，分別為14.29%，23.8%，19.04%，而其他月份則相應(yīng)地減少，圖形類似于正態(tài)分布，查閱安徽省氣象預(yù)報官網(wǎng)，對比安徽省(研究的礦井大多是安徽省內(nèi)和周圍省份的礦井)一年中的各月份平均氣溫繪制圖像見圖4，同時將圖3做成點線圖見圖5，發(fā)現(xiàn)兩圖有近似相同的趨勢。

通過圖4～5可以分析出井筒破壞與季節(jié)溫度是有關(guān)系的，在溫度越高的月份，破壞的井筒數(shù)量越多，可以推測出在高溫季節(jié)井壁破壞的概率更大，由于井筒內(nèi)的風(fēng)流溫度在夏季和冬季可相差20℃左右，溫度變化引起井筒的熱脹冷縮在高溫季節(jié)井筒要縱向膨脹，由于受到周圍層的約束，井壁將受到方向向下的附加力作用，反之在低溫季節(jié)井壁會受到方向向上的力的作用，因此，井壁在高溫季節(jié)處于更不利的受力條件下，這也是為什么井壁破裂多發(fā)生在5～8月。

圖4 安徽省全年溫度點線圖

圖5 破壞月份權(quán)重比折線圖

2 破壞原因與修復(fù)方法及其具體措施

2.1 疏水沉降

表土含水層的水壓因開采活動以及地質(zhì)構(gòu)造活動而下降，該疏水層的有效應(yīng)力增大產(chǎn)生固結(jié)壓縮,并引起了上覆土體下沉，土體在下沉過程中對井壁外表面作用有向下的豎直附加力。

2.2 凍結(jié)融沉

人工凍結(jié)法通過人工制冷的方法，將地層中的水凍結(jié)，把自然狀態(tài)的巖土變成人工凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，作為臨時的加固措施。但是這種方法的缺點是凍土在融化時排水固結(jié)引起融沉，破壞井壁。

2.3 開采沉降

礦產(chǎn)被采出以后，采區(qū)周圍巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)受到了破壞，使巖層發(fā)生了移動、變形和破壞。當(dāng)開采面積達(dá)到一定范圍之后，移動和破壞將波及到地表。其中對井壁的破壞也是不容小覷的。

以上因素的根本還是由于井壁受到了地層對其向下拉力，即豎直附加力。豎直附加力是導(dǎo)致表土段立井井壁破裂的主要原因，因此，防治井壁破裂應(yīng)主要從改變井壁結(jié)構(gòu)和減小疏水層的壓縮量這兩方面入手。為適應(yīng)地層下沉,在井筒內(nèi)壁(凍結(jié)井井壁)或井壁內(nèi)側(cè)部分(鉆井井壁 )開一個環(huán)形卸壓槽 ,允許井壁隨地層沉降而發(fā)生縱向位移,通過這種方式消除或削弱豎直附加力。同時應(yīng)加固含水層,減小其固結(jié)壓縮量和地層整體沉降量,從而減小豎直附加力。在這個思路的指導(dǎo)下,破壁注漿和地面注漿加固地層，治理井壁技術(shù)先后被研究應(yīng)用。

2.4 地下水酸堿腐蝕，淋水作用

井壁淋水中高濃度硫酸根離子與井壁混凝土中的水泥石體反應(yīng)，生成難溶性膨脹物質(zhì)，最終造成混凝土崩解粉化。一般都是高濃度硫酸根離子的腐蝕作用，腐蝕井壁。修復(fù)方法滲漏水點化學(xué)注漿封堵，粉化破裂區(qū)塊錨網(wǎng)噴修復(fù)壁面并且使用硅烷浸漬防腐。用膨脹混凝土澆筑內(nèi)壁并取消防水夾層,以防止內(nèi)壁混凝土因自身收縮而開裂和與外壁脫離形成串水通道;增大內(nèi)壁厚度,提高井壁滲能力;在外壁混凝土中摻加早強(qiáng)減水劑,外壁采用小角度刃角模板接茬以改善其封水性能。過去沒有重視地下水腐蝕對井壁的破壞，因此，在統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)有大量的井壁是由于地下水的腐蝕而導(dǎo)致井壁的粉化涌水，所以需要從根本上預(yù)防地下水的腐蝕，在設(shè)計施工期間，就應(yīng)對井壁外側(cè)進(jìn)行相應(yīng)處理。

3 結(jié) 論

1)井壁的破壞因素中，疏水沉降和凍結(jié)融沉占大多數(shù)，地下水酸堿腐蝕、淋水作用也很常見，而開采沉降、施工質(zhì)量、設(shè)計等問題所占比例較小，要重視地下水對井壁的腐蝕。

2)疏水沉降有顯著的時間規(guī)律。

3)煤礦井壁的破壞大部分集中在5～8月。

4)不同的破壞原因有專門對應(yīng)的修復(fù)方法，但仍然需要結(jié)合各個礦井的地質(zhì)條件。

4 結(jié) 語

井壁的破壞問題，國內(nèi)外已經(jīng)研究了很多年，豎直附加力的發(fā)現(xiàn)和提出對現(xiàn)在的設(shè)計、施工以及破壞后的修復(fù)治理，都有著相當(dāng)大的幫助，對于這個問題，我們也積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗。筆者認(rèn)為只要在設(shè)計、施工、預(yù)防上重視，下功夫，井壁破裂可大大減少。井壁的破壞最主要的還是地質(zhì)條件的原因，因而應(yīng)加強(qiáng)水的治理，減少施工對地層的影響。

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