某煤礦井筒破壞與監(jiān)測信息研究分析

鄭有雷 楊建華 閆昆鵬 吳 鐸

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟寧三號煤礦）

對礦井井筒信息的監(jiān)測是研究井筒現(xiàn)階段破壞和前期變形的重要手段，通過對監(jiān)測信息的處理分析，可以找到與井筒破壞相聯(lián)系的因素特征，為井筒的破壞修復(fù)和防治提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。劉煥新［1］通過分析張雙樓煤礦廠區(qū)內(nèi)不同井筒的沉降數(shù)據(jù)，并結(jié)合了不同區(qū)域以及不同含水層的水位沉降變化情況，分析了井壁發(fā)生破壞的3個主要原因，為礦井后期的治理提供了參考；荊留杰等［2］通過對姚橋煤礦主井井壁安全監(jiān)測系統(tǒng)所采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及歷年監(jiān)測資料分析，以地表沉降以及井壁溫度為基礎(chǔ)，結(jié)合井壁受力分析了井壁的附加應(yīng)變隨季節(jié)變化規(guī)律。

周國慶等［3-7］通過對徐淮礦區(qū)多個井壁監(jiān)測系統(tǒng)所采集到的信息加以編譯整理，對處于正常工作狀態(tài)以及已經(jīng)發(fā)生破裂的煤礦井筒的附加應(yīng)變進行了大量現(xiàn)場實測研究，并結(jié)合煤礦注漿治理工程的治理效果得到了大量有用成果。

山東某礦目前有主井、副井和風(fēng)井3個井筒，全部布置在工業(yè)場地中，3個井筒在地下沖積層部分采用鋼筋混凝土復(fù)合井壁的形式并結(jié)合凍結(jié)法施工。通過對井筒周圍地層沉降、地下水位變化、井筒應(yīng)力應(yīng)變以及卸壓槽變形等其他信息的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)井筒外圍地下水位等地層因素的變化與井筒破壞有著密切聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上，本研究提取了與井筒破壞相關(guān)的地下水位高度變化和井壁應(yīng)變2個因素，對其進行處理分析。

1 井筒及其破壞防治的基本情況

3個井筒的標(biāo)高均為+38.0 m。其中副井井筒為內(nèi)外層雙層井壁結(jié)構(gòu)，井筒凈直徑8 m，凍結(jié)段井筒為普通雙層鋼筋混凝土井壁，基巖段為單層素混凝土井壁，采用C40強度的混凝土，各井筒參數(shù)見表1。

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2004年9月，該礦井的風(fēng)井發(fā)生井筒局部混凝土剝落，井筒內(nèi)發(fā)生大量涌水，之后對該井筒通過開卸壓槽的方式進行了治理。同時為保證相鄰主井和副井的安全，該礦也對主井和副井進行了地面注漿和開卸壓槽預(yù)防性治理。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的布置情況

該礦井的監(jiān)測系統(tǒng)包括第四系水位監(jiān)測、井壁應(yīng)力應(yīng)變卸壓槽變形監(jiān)測、第四系地層變形監(jiān)測和地表沉降觀測4部分。其中第四系水位監(jiān)測共有5個監(jiān)測點，對應(yīng)風(fēng)井、副井和一采各1個，主井2個。用以觀測該礦井地下水位變化。井壁應(yīng)力應(yīng)變卸壓槽變形監(jiān)測采用青島理工大學(xué)設(shè)計的礦井監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)分別在主井、副井和風(fēng)井井筒布置應(yīng)力計、應(yīng)變計和位移計。井壁監(jiān)測傳感器設(shè)置示意圖見圖1和圖2。

第四系地層變形監(jiān)測系統(tǒng)由西安科技大學(xué)設(shè)計、施工。在鉆孔內(nèi)距地面104.33～176.50 m的地層內(nèi)，安裝了10個層位的光纖光柵傳感器，設(shè)計傳感器18個，安裝后正常工作17個。地層沉降觀測系統(tǒng)通過在礦井井筒周圍設(shè)置觀測點來實現(xiàn)，其中主井井設(shè)地表點8個（1#~8#），井塔點4個，井壁點3個（A、B、C）；副井設(shè)周圍點3個（FW2、FS3、FE4），井壁點2個（D1、D2）；風(fēng)井設(shè)周圍點3個（風(fēng)1、ZE4、風(fēng)2），井壁點2個（F1、F2），詳見圖3。

3 井筒監(jiān)測

根據(jù)上述監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測統(tǒng)計，下面對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行說明和分析。

3.1 井筒外圍含水層監(jiān)測

通過歷年對該礦井筒水位的監(jiān)測，將數(shù)據(jù)進行回歸線擬合并繪制出水位隨時間的變化曲線，見圖4（a）~（c）。圖4（a）為主井處監(jiān)測孔的水位變化，主井井筒處監(jiān)測孔的水位高度隨時間呈下降趨勢，并在前中期水位變化比較平穩(wěn)。圖4（b）為副井處監(jiān)測孔的水位變化，從曲線可以看出副井井筒監(jiān)測孔的水位整體也呈下降趨勢，但在2014年4月的時間節(jié)點出現(xiàn)了水位上升的情況，這是因為外部因素導(dǎo)致注水孔堵塞引發(fā)注水困難，并在2014年對該孔進行洗井并注水，產(chǎn)生了水位上升的現(xiàn)象。圖4（c）為風(fēng)井處監(jiān)測孔的水位監(jiān)測變化，可以看出，風(fēng)井的水位變化與主井相似，表現(xiàn)為持續(xù)下降并產(chǎn)生小范圍波動。

通過對3個井筒地下水位的監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)在開采期間，地下水位高度整體上隨時間逐漸降低，前期水位下降速度較快但平穩(wěn)，后期水位下降速度慢并伴隨一定的波動。

3.2 井壁應(yīng)變監(jiān)測

根據(jù)井壁應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以副井井筒為代表，作豎向應(yīng)變曲線圖5和環(huán)向應(yīng)變曲線圖6。從豎向應(yīng)變曲線圖看出到2013年12月—2017年7月之間，副井井壁所受應(yīng)變隨時間不斷變化，整體上豎向應(yīng)變存在波峰與波谷交替變化現(xiàn)象。其中在2014年2月、2015年1月、2016年1月附近出現(xiàn)豎向應(yīng)變波谷，2014年7月、2015年7月、2016年8月附近出現(xiàn)豎向應(yīng)變波峰。從環(huán)向應(yīng)變曲線可以看出，環(huán)向應(yīng)變與豎向應(yīng)變發(fā)展趨勢相似，也表現(xiàn)出井壁應(yīng)變的波峰與波谷交替變化。根據(jù)2個應(yīng)變曲線（圖5、圖6）可以看出，應(yīng)變量增長較為緩慢，所測最大應(yīng)變值約為-778μ?。

井壁的豎向應(yīng)變在2013年12月—2017年7月間的波峰整體呈現(xiàn)下降趨勢，環(huán)向應(yīng)變的波峰也呈現(xiàn)出下降趨勢，但在數(shù)值上不如豎向應(yīng)變明顯。

3.3 井壁卸壓槽變形量監(jiān)測

圖7為副井井壁卸壓槽近幾年來不同測點的變形量隨時間變化趨勢圖。從曲線的斜率變化來看，可以看出卸壓槽壓縮量的增長率逐漸增大，另外從卸壓槽4個測點來看，處于卸壓槽不同測點所監(jiān)測到的變形量并不完全相等，變形量最大值出現(xiàn)在卸壓槽第4測點，該測點在2017年壓縮量達到3.6 mm。這與井壁周圍圍巖土體的密實程度有關(guān)，由于井壁受力不均勻使得井壁在不同方位所發(fā)生的變形量并不能保持完全一致。從卸壓槽的壓縮量數(shù)值上來看，卸壓槽壓縮量還遠未達到理論計算的極限值。卸壓槽變形量在近幾年來總體呈增大趨勢并伴隨小的波動。

3.4 地表沉降及地層變化監(jiān)測

礦區(qū)內(nèi)地下水受采礦活動的影響，由圖4可知地下水位是不斷下降的，并且在地下水位的下降過程中表現(xiàn)出季節(jié)性的變化，其中夏季水位下降較為緩慢，冬季水位下降較快。加上采礦期間地質(zhì)構(gòu)造運動以及降水等，不可避免地會對井壁周圍土體造成不同程度的影響，引起了礦區(qū)地層壓縮量的變化，由于含水層水位的下降，飽和土體的孔隙水壓力減小，同時該層土體固結(jié)壓縮，使得上層土體發(fā)生沉降。深部土體的沉降必然會導(dǎo)致土體的地表出現(xiàn)不同程度的沉降變化。

3.4.1 松散層壓縮變形監(jiān)測

由圖8可知，松散地層在深度上呈拉伸、壓縮變化規(guī)律。目前，壓縮變形主要集中在第15、24、38層，第38層變化最大，是井壁破壞的薄弱段。且這3層除2009、2010、2011年變化幅度較大外，整體呈增加趨勢。其余各層呈拉伸或穩(wěn)定狀態(tài)。分析2010、2011年變化幅度較大的原因，可能為2010年3月Z1孔進行工業(yè)注水試驗，2011年7月注水系統(tǒng)正式注水，對松散地層形成沖擊影響所致，在應(yīng)變變化幅度曲線上反映較明顯。另外第38層巖性為黏土，為第四系地層基底，是井壁受力的最終落腳點，累計應(yīng)變整體呈逐年增大趨勢。目前，累計應(yīng)變量-966.19μ?，接近土體壓縮量極限值。由西安科技大學(xué)所安裝的光纖光柵傳感器，最終統(tǒng)計地層全段累計沉降21 mm，第四系基底黏土壓縮11.2 mm。

3.4.2 地表沉降監(jiān)測

圖9為根據(jù)近幾年的監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的副井井壁測點以及附近地表測點監(jiān)測到的地表沉降數(shù)據(jù)繪制出的曲線圖，從圖9可以看出，自2011年7月—2016年7月，井筒周圍地表沉降約為60 mm，由曲線擬合結(jié)果可知，副井井壁測點平均年沉降約為12.11 mm，地表測點的平均年沉降約為16.52 mm。

松散地層的應(yīng)變在整體上除第38層外應(yīng)變規(guī)律不明顯，但井壁點及其附近的位移監(jiān)測值呈現(xiàn)逐年增大的趨勢，可見井壁點與地表點表現(xiàn)出不同的沉降值，即由于井壁與土體的不同步沉降會導(dǎo)致附加應(yīng)力的產(chǎn)生，同時作用于井壁導(dǎo)致井壁破裂，這與井壁附加應(yīng)力學(xué)說［8］保持一致。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

對該礦地下水位和地表沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得出地下水位變化對井筒的變形產(chǎn)生的影響。在采礦期間，從地下水位變化的監(jiān)測來看，采礦活動導(dǎo)致了地下水位不斷下降，在地下水位下降以后，土層的孔隙水壓力逐漸減小，土顆粒間有效應(yīng)力增加，使得井筒外圍的土層被不斷壓實，造成土體不同程度的沉降。根據(jù)對井壁上監(jiān)測點和井壁外圍礦區(qū)的地層沉降監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，井壁與井壁外圍的土層在變形上表現(xiàn)出不同步的特征，這種沉降的差異導(dǎo)致土層產(chǎn)生作用在井壁上的豎向附加力［9］，當(dāng)豎向附加力累積到井壁的極限荷載時，就造成了井壁的破壞。根據(jù)井壁豎向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變對比分析，發(fā)現(xiàn)處于同一水平監(jiān)測區(qū)域的2種應(yīng)變值，豎向應(yīng)變整體上小于環(huán)向應(yīng)變。從深度方向看，最下方的監(jiān)測區(qū)域應(yīng)變總體要大于其他水平，符合隨著表土層的深度不斷增加，產(chǎn)生的附加應(yīng)力增大的規(guī)律。從應(yīng)變后期的發(fā)展來看，應(yīng)變曲線表現(xiàn)出隨季節(jié)溫度變化產(chǎn)生應(yīng)變累積和應(yīng)變釋放交替的特征，并且隨底部含水層疏水引發(fā)的豎向應(yīng)力增大，應(yīng)變值出現(xiàn)不斷累積增加且不可恢復(fù)的特征［7］。由井壁卸壓槽變形量曲線來看，卸壓槽變形在近幾年波動較為密集，不同測點處卸壓槽變形量略有不同，但整體呈下降趨勢。卸壓槽不同測點所監(jiān)測到的壓縮量最大值為3.6 mm，遠未達到卸壓槽極限壓縮量值，但測點4的卸壓槽變形曲線有著增長率明顯變大的情況，這說明卸壓槽需要特別注意變形量最大的監(jiān)測點處的應(yīng)變值。

以上分析可知，采礦期間地下水位的下降造成了井壁和外圍土體的不同步變形，其中井壁的變形表現(xiàn)出隨季節(jié)交替、整體增加且不可恢復(fù)的特征，隨著井壁變形在整體上隨時間交替性增加，卸壓槽也表現(xiàn)出不同測點不同步性變形，卸壓槽某一點的變形率先達到極限壓縮量時，豎向附加力會重新累加到井壁上，當(dāng)附加力達到井壁的極限荷載就會造成井壁的破壞［8］。

5 結(jié)論

（1）受采礦活動影響，地下水位下降成為造成井壁與土層不同步變形的主要外部因素，這種不同步變形導(dǎo)致土層產(chǎn)生了作用于井壁的豎向附加力，隨著附加力的累積，當(dāng)數(shù)值達到井壁的極限荷載時就會造成井筒的破壞。

（2）當(dāng)井壁上豎向附加力產(chǎn)生時，同一水平的井壁上的應(yīng)變并不是均勻同步變化的，卸壓槽會表現(xiàn)出某一點壓縮量明顯高于其他測點的情況，這是在后期井筒監(jiān)測中特別需要注意的。