深厚表土層筒破壞預(yù)防性治理技術(shù)

20世紀(jì)70年代，我國(guó)華東地區(qū)采用凍結(jié)法施工鑿井取得成功，但在工程設(shè)計(jì)和施工中也留下了一些尚未解決的理論和技術(shù)問題，給井壁留下了安全隱患[1-4]引。兗礦集團(tuán)采用凍結(jié)法施工的立井井筒自1995年6月以來，相繼有多個(gè)井壁發(fā)生破裂事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。相比破壞后治理而言，預(yù)防性治理具有費(fèi)用低、對(duì)礦井生產(chǎn)影響小等優(yōu)點(diǎn)，是防治井筒破壞的合理方案∞棚。。但是應(yīng)該指出，井壁未破壞前的治理與破壞后的治理差異很大，破壞后的井壁應(yīng)力已經(jīng)大量釋放，注漿過程相對(duì)比較安全，而接近破壞前的井壁應(yīng)力集中已很大。如果注漿過程中的注漿壓力控制不好，很容易導(dǎo)致井壁的局部破壞。本文對(duì)濟(jì)寧三號(hào)煤礦副井井壁破壞前治理過程中的井壁變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出了一些有益的經(jīng)驗(yàn)。1副井井壁結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件1。1副井井壁結(jié)構(gòu)副井井壁為鋼筋混凝土復(fù)合井壁，在表土段采用凍結(jié)法施工鑿井，凍結(jié)深度395m，表土凍結(jié)段井壁厚度為1100～l150mm，侏羅統(tǒng)凍結(jié)段井壁厚度950～1150mm，基巖段井壁厚度650mm，凍結(jié)段井壁為普通雙層鋼筋混凝土井壁。1．2第四系松散層結(jié)構(gòu)特征第四系地層厚116．67～255．90m，由黏土、砂質(zhì)黏土及砂礫層等組成，地層?xùn)|薄西厚，井田內(nèi)巖性及其結(jié)構(gòu)變化可分為上(Q上)、下(Q中下)2段。第四系砂層層數(shù)和累計(jì)厚度自南向：由東向西逐漸增多變厚。主要含水層為砂層，：部為黃褐色，結(jié)構(gòu)松散，透水性好，下部為灰白，結(jié)構(gòu)緊密，透水性差。第四系底部，大部分地分布一層厚0．40～27．60m的黏土層，對(duì)第四系礫層水下滲補(bǔ)給基巖具有一定的阻隔作用。濟(jì)寧：號(hào)煤礦副井地質(zhì)情況見表1。表1濟(jì)寧三號(hào)煤礦副井地質(zhì)情況序號(hào)

巖層名稱

層厚／m

累計(jì)層厚／m

備注

l

填土

4．144．14

—

2

iN-G~i0．90

5．04?！?/p>

3

黏土質(zhì)粉砂

2．95

7．99

—

4

褐黃色黏土

4．15

12．14

—

5

黃色細(xì)中砂

6．33

18．47

—

6

黏土質(zhì)粉砂

O．70

19．17

—

7

黃色細(xì)砂

2．80

21．97

—

8

黃色黏土

7．27

29．24

隔水層

9

黃色細(xì)砂

1．30

30．54

—

10

灰黃色黏土

5．66

36．20

隔水層

11

砂質(zhì)黏土

9．00

45．20

—

12

黃色黏土

10．44

55．64

隔水層

13

黃色細(xì)砂

1．30

56．94

—

14

黃色黏土

8．96

65．90

隔水層

15

黃色中粗砂

2．80

68．70

—

16

黃色黏土

4．80

73．50

隔水層

17

黃色細(xì)砂

4．70

78．20

一

18

黃色黏土

4．10

82．30

隔水層

19

淺白色粗砂

10．70

93．oo

含水層

20

淺灰色黏土

6．40

99．40

隔水層

21

淺黃色粗砂

3．60

103．00

—

22

淺白色黏土

4．80

107．80

N；gN

23

淺白色粗砂

3．0

110．80

含水層

24

N~

6．70

117．50?！?/p>

25

灰白色粗砂

4．20

12l70

含水層

26

．淺灰色黏土

3．20

124．90

—

27

灰白色粗砂

13．50

138．40

含水層

28

灰白色黏土

8．00

146．40

隔水層

29

淺白色粗砂

5．50

151．90

含水層

30

褐黃色黏土

6．10

158．00

—

31

淺白色粉砂

16．10

174．10

含水層

、32

淺白色黏土

9．40

183．50

隔水層

33

灰綠色灰長(zhǎng)巖

45．94

229．44

基巖

2．1上段(上組)以棕黃色、灰黃色黏土、砂質(zhì)黏土及褐黃色砂層為主，厚55．02~90．40m，砂層純且松散，透水性好。第四系砂層水面近似水平。C7-6號(hào)孔附近進(jìn)行5次抽水試驗(yàn)，水位標(biāo)高+32．68～+33．40m，單位涌水量O．7746~1．521(s?m)，滲透系數(shù)5．671~15．559~d。抽水孔砂層的深度一般在50~80m，抽水時(shí)觀測(cè)50m以上砂層水位均不下降，說明砂層之間黏土層隔水性好。1．2。2下段(中組+下組)主要由灰綠、灰白色砂礫、黏土質(zhì)砂礫、黏土、砂質(zhì)黏土等組成，含0～3層呈半固結(jié)狀高嶺土，視電阻率高，與砂層曲線相同。砂層以粗砂為主，含細(xì)礫，多含長(zhǎng)石顆粒，長(zhǎng)石呈風(fēng)化狀，使砂層多含白色黏土，失水后固結(jié)較好。原精查勘探在水6號(hào)孔抽下段水，水位標(biāo)高+30．79m，單位涌水量1．593L／(s?m)，滲透系數(shù)2．824~d，屬中等富水性的含水層。1997年9月施工Q下-1水文孔時(shí)，水位標(biāo)高+22．21m，單位涌水量0．053(s?m)，滲透系數(shù)0．266m／d。1．3第四系松散層水動(dòng)態(tài)特征第四系松散層水動(dòng)態(tài)特征：①松散層底部有穩(wěn)定的、并且平均厚度為6．44m的黏土層，對(duì)第四系砂礫層水下滲補(bǔ)給基巖具有良好的阻隔作用，松散層向基巖含水層越流補(bǔ)給量小；②Q下一1下面為煤系地層，開采造成煤系地層含水層的水下泄，松散含水層越流補(bǔ)給，造成水位下降；⑧Q下一l孔觀測(cè)下組全段含水層的水位，而濟(jì)寧三號(hào)煤礦開采和附近泗河煤礦疏降的主要為下組下段含水層的水位，因此可能存在Q下一l觀測(cè)水位降偏小的情況。2004年9月23日觀測(cè)Q下-1孔下段下部砂層水位為+22．75m，表明受礦井排水(主要為井筒淋水)影響，下組水位較精查勘探期間已下降12．7m左右。水6號(hào)孔抽第四系下段水時(shí)，觀測(cè)相距3m的水3號(hào)孔第四系上段水位不下降，說明第四系上段與下段之間的水力聯(lián)系不密切。2煤礦副井井壁提前治理的必要性煤礦井筒處于深厚表土層地區(qū)，2000年正式投產(chǎn)，2003年實(shí)際生產(chǎn)能力已達(dá)1000萬(wàn)t／a。2004年8月風(fēng)井井壁產(chǎn)生了一定的破裂，涌水量由日常的2m3／h左右增大到20m3／h，井深-130-～134m井壁東北側(cè)滑模接茬處開裂。檢查副井井壁發(fā)現(xiàn)局部有爆皮現(xiàn)象，并伴有少量滲水。副井和風(fēng)井距離很近，地層情況相似，而且副井井壁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明井壁的軸向應(yīng)變已接近混凝土井壁的極限應(yīng)變，這些都說明井壁已經(jīng)臨近破壞狀態(tài)。若在井壁破壞后治理，礦井必須停產(chǎn)進(jìn)行搶修加固，這樣會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。另外，破壞后治理一般要對(duì)破壞處進(jìn)行架井圈和噴漿加固，這將占用井筒斷面，影響罐籠、箕斗和井壁的最小安全提升間距，顯然預(yù)防性治理比破壞后治理更具合理性。因此，采用在146～184m破壁水泥注漿以及157．5m開卸壓槽和注漿段井圈加固方法進(jìn)行治理，其中卸壓槽槽深600Inm、高度450mme3注漿過程井壁應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析副井注漿時(shí)問為2005年3月23日至7月15日，注漿層位120～160m。在注漿整個(gè)過程中對(duì)井壁應(yīng)變進(jìn)行了同步動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)方案在粗砂底部設(shè)置了4個(gè)應(yīng)變測(cè)試水平，分別為135，150，168．180m，每個(gè)水平布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)有2個(gè)傳感器，分別監(jiān)測(cè)井壁的軸向和徑向應(yīng)變。3。1壁后注漿過程結(jié)果分析井壁應(yīng)變監(jiān)測(cè)資料表明，副井井壁注漿明顯分為2個(gè)階段：穩(wěn)定階段和波動(dòng)階段。注漿穩(wěn)定階段從注漿開始到2005年5月中旬，期間井壁受力較小，變形也不大；注漿波動(dòng)階段從5月中旬到7月初注漿完成，期間井壁受力狀態(tài)變化較大，應(yīng)變值大，而且呈現(xiàn)變形不均勻的現(xiàn)象。以第4水平測(cè)點(diǎn)(大范圍分布粗砂層，為壁后注漿治理的重點(diǎn)層位)為例，對(duì)其軸向應(yīng)變進(jìn)行分析。如圖1所示，注漿初期即2005年5月中旬以前，井壁的軸向應(yīng)變變化平緩，最大應(yīng)變值也不大，應(yīng)變的變化率不到8％，但是軸向應(yīng)變有減小的趨向，即井壁有從受壓狀態(tài)緩慢變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)的趨勢(shì)，從總體情況來看井壁處于穩(wěn)定變化階段；從5月中旬到7月注漿完畢期間，井壁應(yīng)變變化特別明顯，軸向應(yīng)變值直線上升，井壁由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，最大微應(yīng)變值達(dá)到400，比井壁注漿初期應(yīng)變值高出很多。3。2治理前后井壁應(yīng)變結(jié)果分析治理前井壁第4水平的軸向應(yīng)變變化如圖2a所示。從圖2a中可以看出，在注漿治理前，井壁應(yīng)變變化很快，應(yīng)變處于穩(wěn)定增加狀態(tài)，如4水平1測(cè)點(diǎn)的垂直壓微應(yīng)變?cè)?003年4月為一100，而圖1第4測(cè)試水平軸向應(yīng)燹變化曲線到2004年10月變?yōu)橐?00。治理后井壁各水平的軸向應(yīng)變變化如圖2b所示。從井壁治理后7月份至今，井壁的應(yīng)變處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，應(yīng)變量基本沒有變化。其中，對(duì)第1，2水平而言，微應(yīng)變量穩(wěn)定在350～400，但對(duì)第3，4水平而言，注漿后井壁有一定程度的抬升，井壁軸向應(yīng)變變成了拉應(yīng)變，第3水平拉微應(yīng)變穩(wěn)定在200左右，第4水平拉微應(yīng)變穩(wěn)定在400左右。4.副井井壁預(yù)防性治理的經(jīng)驗(yàn)1)通過對(duì)注漿監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析可以看出，注鬃能明顯改善井壁的變形受力特征，避免了井壁破不的發(fā)展。在注漿過程中對(duì)井壁變形過程的同步動(dòng)薟監(jiān)控，對(duì)井壁注漿的安全合理施工有重要的指導(dǎo)作用。2)在井壁治理以前，井壁壁后土層(主要為沙土)的孔隙率大，含水量高，注漿初期漿液的主要作用為填充土壤中的孑L隙，排擠地下水，并向四面八方不斷擴(kuò)散，而且阻力很小，所以初期注漿會(huì)出現(xiàn)井壁變形較為穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著注漿的不斷進(jìn)行，起初注入的漿液和井壁周邊土壤的不斷固結(jié)融合，漿液擴(kuò)散的阻力會(huì)越來越大，這就造成漿液主要集中在井壁附近，使得漿體回壓較大，出現(xiàn)井壁變形波動(dòng)階段。3)后期井壁變形受力波動(dòng)階段注漿應(yīng)該循序漸進(jìn)進(jìn)行，充分鞏固初期注漿的效果，并逐漸使井壁土層加固。在后期注漿回漿壓力特別大的時(shí)候，特別注意不能總在井壁同一層位同一個(gè)部位注漿，宜該根據(jù)同步動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整注漿壓力和注漿部位。4)由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜，漿液的流動(dòng)方向很難控制，導(dǎo)致井壁的應(yīng)變變化極不均勻。此時(shí)應(yīng)變的安全監(jiān)測(cè)報(bào)警值不應(yīng)該采用具體的應(yīng)變值，而直采用控制應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率作為報(bào)警限值。當(dāng)環(huán)向應(yīng)變值突變時(shí)，說明漿液已到達(dá)井壁，不管報(bào)警與否，馬上停止注漿并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，防止?jié){液長(zhǎng)時(shí)間作用于井壁。5結(jié)語(yǔ)井壁未破壞前的治理與破壞后的治理差異很大，注漿過程中的監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。副井井壁壁后注漿分為注漿穩(wěn)定階段和波動(dòng)階段2個(gè)階段。初期注漿應(yīng)該充分降低土層含水量和孔隙率；后期注漿應(yīng)該循序漸進(jìn)進(jìn)行，逐漸鞏固初期注漿的效果。在后期注漿回漿壓力特別大的時(shí)候，特別注意不能總在井壁同一層位同一個(gè)部位注漿，應(yīng)根據(jù)同步動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整注漿層位和壓力。針對(duì)井壁應(yīng)變的安全監(jiān)測(cè)報(bào)警值問題，提出采用控制應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率作為報(bào)警限值。參考文獻(xiàn)：[1]陸孝軍．立井井壁破裂原因分析[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，1994f121．[2]陳湘生．華東地區(qū)立井井壁破壞原因淺析[J]．建井技術(shù)，1997(6)．[3]畢思文．徐淮地區(qū)煤礦豎井變形破壞特征與機(jī)理探討[J]．建井技術(shù)，1997(3)．[4]王樹常，葛洪章．兗州礦區(qū)立井井壁破裂的原因分析及防治[J]．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999(5)．