興隆莊煤礦副井井筒安全性評(píng)價(jià)方法及治理

官云章,李旭東,許延春,郝亦純

(1.兗礦集團(tuán)地質(zhì)測(cè)量部,山東鄒城 273500;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

興隆莊煤礦副井井筒安全性評(píng)價(jià)方法及治理

官云章1,李旭東2,許延春2,郝亦純2

(1.兗礦集團(tuán)地質(zhì)測(cè)量部,山東鄒城 273500;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083)

為了確定興隆莊煤礦副井井筒的安全性,提出了井筒破裂可能性的預(yù)測(cè)方法。采用了卸壓槽壓縮量、治理工程服務(wù)年限、水位降及地層壓縮量因素等判斷井筒破裂的可能性,并利用模糊數(shù)學(xué)將多因素判別變?yōu)閱我蛩嘏袆e,提高了評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。評(píng)價(jià)結(jié)果表明,興隆莊煤礦副井井筒 2008年底具有破裂的可能性,應(yīng)進(jìn)行預(yù)防性治理工程。興隆莊煤礦依據(jù)治理方案對(duì)副井進(jìn)行了治理,保證了井筒安全。

井筒破裂;評(píng)價(jià)方法;治理

黃淮地區(qū)是我國(guó)重要的煤炭能源基地,分布有淮南、淮北、大屯、徐州、棗莊、兗州和邢臺(tái)等大型礦區(qū),建有井筒數(shù)百個(gè),年產(chǎn)煤量數(shù)億噸。然而,自 1987年淮北臨渙礦區(qū)、大屯礦區(qū)突發(fā)立井井筒破裂災(zāi)害以來(lái),該地區(qū)發(fā)生過(guò)破裂的井筒已有近百個(gè)[1]。

立井井筒是礦井的咽喉,是地面與井下連接的重要通道,井筒的破裂容易造成人員傷亡事故和重大的經(jīng)濟(jì)損失。為避免事故發(fā)生,煤礦企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)對(duì)井筒破壞機(jī)理及治理方法進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐工作[2-6]。經(jīng)研究表明,黃淮地區(qū)井筒破裂或多次破裂的機(jī)理基本相同,即“豎直附加力”說(shuō):在第四系松散層下部存在與基巖有水力聯(lián)系的含水層,在這種特殊條件下,由于井巷工程和開(kāi)采活動(dòng)造成該含水層的水位持續(xù)下降,引起該含水地層及周?chē)翆庸探Y(jié)壓縮,從而引發(fā)上覆地層沉降。與此同時(shí),沉降地層對(duì)井壁外表面作用有豎直向下的附加力 (負(fù)摩擦力),導(dǎo)致井壁內(nèi)產(chǎn)生附加壓應(yīng)力,該附加力是在井壁設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到的,這是井壁破裂的主要因素。

興隆莊煤礦隸屬兗州礦區(qū),其副井井筒已經(jīng)進(jìn)行過(guò) 2次預(yù)防性破壞治理工程。為保證副井的安全性和穩(wěn)定性,需對(duì) 2008年底井筒破裂可能性做出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。由于目前尚未形成評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)井筒再次破壞的較好標(biāo)準(zhǔn),是尚待研究與探索的科技問(wèn)題之一。本文作者根據(jù)興隆莊煤礦的實(shí)際情況,提出了幾種評(píng)價(jià)方法。這些方法對(duì)黃淮地區(qū)其他礦井井筒的預(yù)防性治理工程具有推廣借鑒意義。

1 副井井筒的基本情況

興隆莊煤礦副井 1997年 6月 26日開(kāi)始出現(xiàn)破壞現(xiàn)象,之后采用“破壁注漿 +卸壓槽”的預(yù)防性治理方案對(duì)副井井筒進(jìn)行了第 1次治理。治理過(guò)程中,實(shí)際注入水泥 323.6t,水玻璃 17.0t,卸壓槽高度 400mm,采用瀝青防腐的松木塊作為壓縮木,高度為 380mm。2002年 12月副井卸壓槽壓縮量已達(dá)到設(shè)計(jì)值,為保證礦井安全生產(chǎn),興隆莊煤礦采用“化學(xué)注漿 +原位擴(kuò)槽”的治理方案對(duì)副井井筒進(jìn)行了第 2次治理。治理中,實(shí)際注入化學(xué)漿液 52.0t,在原位將卸壓槽高度擴(kuò)為 520mm,壓縮木高度為500mm。

2007年底,興隆莊煤礦副井卸壓槽出現(xiàn)局部滲水現(xiàn)象,2008年 10月整個(gè)卸壓槽開(kāi)始滲水,并有逐漸增加的趨勢(shì)。為保證副井安全,需對(duì)井筒發(fā)生再次破裂的可能性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)興隆莊煤礦的實(shí)際情況及黃淮地區(qū)井筒發(fā)生破裂和再次破裂的機(jī)理,從卸壓槽壓縮量、水位降、地層壓縮量及治理工程服務(wù)年限等多個(gè)方面,對(duì)副井井筒的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià),并通過(guò)模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法將多因素轉(zhuǎn)化為單因素進(jìn)行判別,增加了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

2.1 卸壓槽壓縮量

對(duì)于以卸壓槽為主的治理工程,卸壓槽是否有效是一個(gè)重要指標(biāo)。設(shè)計(jì)卸壓槽的極限壓縮量為卸壓槽高度的 30%左右,根據(jù)興隆莊煤礦和楊村煤礦經(jīng)驗(yàn),如果卸壓槽的壓縮量大于卸壓槽高度的25%,則需準(zhǔn)備破裂防治工程。

根據(jù)副井第 2次治理后卸壓槽累計(jì)壓縮量,繪制圖1。

圖1 副井卸壓槽累計(jì)壓縮曲線

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果,整理副井卸壓槽累計(jì)壓縮量與時(shí)間的關(guān)系,通過(guò)多項(xiàng)式擬合曲線,得副井卸壓槽的回歸公式為:

式中,x為時(shí)間 (月),以 2003年 1月 28日為起始點(diǎn);R2為相關(guān)系數(shù)。

預(yù)計(jì) 2008年 12月 31日時(shí) (x=71個(gè)月),卸壓槽的累計(jì)壓縮量為 y=121.5mm。

預(yù)計(jì) 2009年 6月 30日時(shí) (x=77個(gè)月),卸壓槽的累計(jì)壓縮量為 y=134.8mm。

副井卸壓槽高度為 520mm,按 30%壓縮率,設(shè)計(jì)壓縮量為 156mm,2009年 6月 30日卸壓槽壓縮量將達(dá)到 134.8 mm,為卸壓槽高度的 25.9%,達(dá)到卸壓槽設(shè)計(jì)壓縮量的 86.4%。根據(jù)興隆莊煤礦以往治理經(jīng)驗(yàn)大于 25%卸壓槽高度時(shí),可實(shí)施防治工程,即 2009年上半年需實(shí)施井筒破壞防治工程。

2.2 治理工程服務(wù)年限

是否接近或達(dá)到上次井筒破壞治理工程的服務(wù)年限,是一個(gè)綜合性的指標(biāo),如果井筒最后一次治理后遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到治理工程的設(shè)計(jì)服務(wù)年限或也未達(dá)到前次治理工程的實(shí)際服務(wù)年限,則破壞可能性低。

整理副井井筒治理工程服務(wù)年限,見(jiàn)表 1。

表 1 興隆莊煤礦副井井筒服務(wù)年限

至 2008年底副井第 2次防治工程的服務(wù)年限為 6a,已經(jīng)超過(guò)設(shè)計(jì)的治理工程服務(wù)年限,并且已經(jīng)超過(guò)了第 1次治理工程的實(shí)際服務(wù)年限。因此,判斷至 2008年底副井應(yīng)該準(zhǔn)備實(shí)施第 3次治理工程。

2.3 水位下降量

第四系松散層底的含水層 (“三含”)水位下降是松散地層壓縮和井筒破壞的動(dòng)力,是礦井觀測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)、取得資料最豐富的相關(guān)參數(shù)。如果水位下降量已大于第 1次治理服務(wù)年限期間的水位降,則井筒有出現(xiàn)再次破壞的可能性。然而各觀測(cè)孔水位有時(shí)存在較大的差異。

整理興隆莊煤礦副井第 1次治理后至開(kāi)始第 2次井筒破壞治理期間的“三含”水位下降量,第 2次破壞治理后至 2008年底的“三含”水位下降量,見(jiàn)表 2。2008年 12月 31日各水文孔水位根據(jù)日常觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合預(yù)計(jì)得到,其他時(shí)間點(diǎn)水位由實(shí)際觀測(cè)得到。

表2 Q下水位因素分析

由表 2可知:Q下-5,Q下-6和Q下-11的水位降已經(jīng)分別達(dá)到上次治理水位降的 125.0%, 91.1%和 59.0%,表明副井需要治理的可能性大。

2.4 地層壓縮量

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果,興隆莊煤礦主井第 1次治理工程結(jié)束至第 2次開(kāi)始治理期間 (1997年 11月 -2001年 9月)卸壓槽累計(jì)壓縮量 107mm,地層壓縮量 197mm,兩者之比為 0.54。

主、副井附近實(shí)測(cè) (2001年 7月 16日—2005年 11月 12日)地層壓縮速率為 4.66mm/月。副井第 2次治理完畢至 2008年年底 (2002年 12月29日—2008年 12月 31日),共 72個(gè)月,預(yù)計(jì)地層壓縮 335.52mm,需要卸壓槽壓縮量為335.52mm×0.54=181.18mm,超過(guò)卸壓槽設(shè)計(jì)壓縮量 156mm(按 30%壓縮率)。因此,副井應(yīng)當(dāng)治理。

2.5 模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)

模糊數(shù)學(xué)是研究和處理模糊現(xiàn)象的科學(xué),其所揭示的是客觀事物之間差異的中介過(guò)渡性引起的劃分上的一種不確定性。井筒可分為已經(jīng)破裂和尚未破裂 2類(lèi),井筒破裂是由地層結(jié)構(gòu)性質(zhì)、變形沉降、水位變化和井筒結(jié)構(gòu)等諸多因素共同決定的,而且各因素發(fā)展的程度與井筒發(fā)生破裂具有非線性關(guān)系特征。因此,采用模糊聚類(lèi)的方法,通過(guò)建立模糊關(guān)系將客觀事物予以分類(lèi),并且變多因素判別為單因素判別,提高了評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

井筒初次破裂治理后由于增加了治理工程的影響因素,因此,評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)井筒再次破裂更加復(fù)雜。根據(jù)對(duì)井筒多次破裂的認(rèn)識(shí),選擇 8個(gè)影響因素:井筒直徑 (Y1)、沖積層厚度 (Y2)、水位降(Y3)、卸壓槽壓縮率 (Y4)、多處破裂 (Y5)、服務(wù)年限率 (Y6)、治理方式 (Y7,“0”為卸壓槽法、“1”為套壁法)、沖積層壓縮速率 (Y8),對(duì)興隆莊煤礦副井 2008年底破壞可能性進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表 3。由表 3得:

表3 已經(jīng)破壞井筒的評(píng)價(jià)

(1)聚類(lèi)評(píng)價(jià)值越大,表明井筒破壞的可能性越大;

(2)已經(jīng)破壞的井筒,除興隆莊煤礦東風(fēng)井采用套壁治理法其聚類(lèi)值 (0.088)較小外,其他聚類(lèi)評(píng)價(jià)值均大于 0.110,評(píng)價(jià)的興隆莊煤礦副井的聚類(lèi)值為 0.163,已經(jīng)大于 5個(gè)已知破壞的井筒樣本,表明到 2008年底副井破壞的可能性較大,需要積極準(zhǔn)備擴(kuò)大卸壓槽施工。

3 治理施工

經(jīng)過(guò)以上評(píng)價(jià)認(rèn)為副井井筒 2008年底具有破壞的可能性,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)井筒的日常觀測(cè)并制定治理措施。經(jīng)研究治理措施為:擴(kuò)大埋深 194.4m(標(biāo)高 -145.2m)處卸壓槽 (更換壓縮木),設(shè)計(jì)卸壓槽高度為 520mm,壓縮木高度為 500mm;為增強(qiáng)井壁防水能力,確保擴(kuò)卸壓槽時(shí)的施工安全,在標(biāo)高 -141.8～-145.8m范圍內(nèi)進(jìn)行壁后馬麗散化學(xué)注漿。注漿孔布置見(jiàn)圖 2。之后,興隆莊煤礦對(duì)其副井進(jìn)行了第 3次治理工程,確保了井筒安全。

圖2 馬麗散注漿孔布置

4 結(jié)論

井筒是礦井的咽喉,如發(fā)現(xiàn)滲水和破裂等現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)治理,以免造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。評(píng)價(jià)井筒破裂可能性,特別是井筒再次破裂可能性是比較復(fù)雜的問(wèn)題,沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可遵循。通過(guò)對(duì)興隆莊煤礦副井井筒安全性評(píng)價(jià)及治理措施的實(shí)施,有效地確保了井筒安全。上述評(píng)價(jià)方法對(duì)黃淮各礦區(qū)的井筒安全性評(píng)價(jià)具有借鑒和推廣意義。

[1]倪興華,許延春,王同福,等 .厚沖積層立井破裂機(jī)理與防治 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007.

[2]席京德,許延春,官云章,等 .注漿法治理井筒破壞的理論分析 [J].建井技術(shù),1998(4).

[3]王樹(shù)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).

[4]蘇 駿,程 樺 .疏水沉降地層中井筒附加力理論分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000(3).

[5]張黎明,楊建華,張廣學(xué),等 .深厚表土層井筒破壞預(yù)防性治理技術(shù) [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008(4).

[6]王建軍,駱念海,白振明 .開(kāi)采引起的層間滑動(dòng)與黃淮地區(qū)煤礦井筒破裂關(guān)系研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003 (7).

[責(zé)任編輯:周景林]

Safety Evaluation M ethod for Auxiliary Shaft and Its Treatment in Xinglongzhuang Colliery

GUAN Yun-zhang1,L IXu-dong2,XU Yan-chun2,HAO Yi-chun2

(1.Geological SurveyDepartment,YanzhouMining Group,Zoucheng 273500,China; 2.Resources&Safety Engineering School,China University ofMining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

This paper put for ward a prediction method of shaft current fracture for ensuring safety of auxiliary shaft in Xinglongzhuang Colliery.Thismethod applied compression amount of pressure-relief slot,service life of treatment engineering,water level decline and strata compression to judging possibility of shaft fracture. It changed multi-factor judgment into single-factor judgment by fuzzy mathematic,which improved precise of evaluation and prediction.Evaluation result showed that auxiliary shaft of Xinglongzhuang Colliery might fracture at the end of 2008 and needed prevention.Actual prevention engineering ensured shaft safety.

shaft fracture;evaluation method;treatment

TD262

A

1006-6225(2010)03-0033-03

2009-12-25

官云章 (1964-),男,山東鄆城人,碩士,高級(jí)工程師,主要從事礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)技術(shù)工作。