豎井井筒偏斜原因及治理措施研究

趙 堃

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

自20世紀(jì)80年代末至現(xiàn)在，我國煤礦出現(xiàn)十幾處豎井井筒偏斜破裂事故，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。近些年，國內(nèi)許多學(xué)者對豎井井筒偏斜破裂的原因進行了研究，提出了多種治理措施，經(jīng)過現(xiàn)場試驗取得良好效果。例如：于保華[1]、經(jīng)來旺[2-3]、崔廣心[4-6]、榮傳新[7-8]等，通過研究得出豎井井筒偏斜破裂的主要原因是井筒底部厚含水層在多種影響因素(工作面開采、土體裂隙貫通)下產(chǎn)生大面積、大流量的失水造成的；張文泉等[9]依據(jù)井筒偏斜破裂情況，針對不同治理主體提出不同治理方案，并探究各個方案的優(yōu)缺點；王檔良等[10]通過研究地面注漿方案修復(fù)井筒偏斜破裂，取得良好的治理效果。本文以某礦豎井井筒偏斜為例，從井筒地質(zhì)條件、井筒施工方法及礦井涌水量分析井筒偏斜原因，并針對該礦井，以既安全又不影響生產(chǎn)為原則，初步探究其合理的治理方案。

1 礦井主要含、隔水層概況

目前，該礦開采煤層為3號煤層，整個礦區(qū)覆蓋著約500 m厚的松散土層，屬典型的深厚松散表土層礦井。依據(jù)地質(zhì)鉆孔揭露的地層分析可知，該松散表土層有3段主要含水層和2段主要隔水層共5段。詳情見表1。

2 井筒偏斜原因分析

井筒自建成投產(chǎn)使用后，隨著工作面的開采，通過分析地表沉陷監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)井筒周邊區(qū)域地表發(fā)生不均勻沉陷及井筒在松散厚土層段向西方偏斜，總平均偏斜量約為314 mm。下面從井筒地質(zhì)條件、井筒施工方法及礦井涌水量三方面進行分析。

2.1 井筒地質(zhì)條件

井筒穿過向斜構(gòu)造，且位于軸部東側(cè)，井壁承受相當(dāng)大的集中構(gòu)造應(yīng)力。借助先進的聲波探測手段，經(jīng)過檢測數(shù)據(jù)分析得出有數(shù)十條南北朝向的張性裂隙在風(fēng)化基巖段被檢測出來，裂隙彼此間聯(lián)系性較強，故這些大張度裂隙可以作為良好的導(dǎo)水通道，且基巖段上覆為三含水層，并在基巖段勘探出多處漏水點，因此，松散厚表土層底部含水層與風(fēng)氧化帶基巖段含水層將會憑借擴張性裂隙和氧化裂隙聯(lián)系在一起；另外由于地層?xùn)|高西低，低部含水層的水會自東向西流且流速快，引起井筒西側(cè)松散厚土層的固結(jié)沉降深度遠(yuǎn)大于東側(cè)土層的固結(jié)沉降深度，導(dǎo)致井筒向西側(cè)偏斜。

表1 主要含、隔水層概況

2.2 井筒施工方法

該礦地質(zhì)條件屬于巨厚松散表土層，且具有多段富水含水層，綜合分析其實際地質(zhì)情況，采用凍結(jié)法施工井筒。凍結(jié)期間，利用低溫形成的一定厚度的凍結(jié)壁能夠暫時隔絕井筒與外界地下水的聯(lián)系，但隨著井筒建設(shè)完工停止凍結(jié)，凍結(jié)壁會逐步解凍，井筒周圍的水的循環(huán)速度也逐漸加快，形成具有一定流速的動態(tài)水；另外凍結(jié)過后的松散土層孔隙度變大，加上井筒周圍的凍結(jié)鉆孔，松散土層裂隙比凍結(jié)前更加發(fā)育，井壁本身存在接茬縫，致使低部含水層的水快速向下部及井壁滲透，引起水位下降、地層的不均勻沉降及井壁豎直附加力劇烈增加，導(dǎo)致井筒偏斜甚至破裂。

2.3 礦井涌水量

該礦自建成投產(chǎn)以來，隨著采掘工作面數(shù)目及采空區(qū)面積逐漸增加，礦井涌水量日益變大，據(jù)不完全資料統(tǒng)計，礦井涌水量從投產(chǎn)時的約70 m3/h增加到現(xiàn)今的640 m3/h左右，礦井涌水量累計總量為2 000萬m3，這其中包括低部含水層流向礦井的水量，因為低部含水層不僅從松散表土層段與基巖段的裂隙流入礦井，而且也會通過有工作面采動引起新生擴張裂隙流入，低部含水層與其它水體的水力聯(lián)系進一步加強。通過對礦井排出的水體檢測證明其含有三含水層水。

3 治理修復(fù)研究

3.1 治理方案對比

遵循確保礦井安全、正常生產(chǎn)及治理修復(fù)經(jīng)濟化原則，根據(jù)以上對該礦井筒偏斜的原因分析，治理修復(fù)該井筒偏斜問題可從井壁、水體、土體三個角度入手，現(xiàn)分析對比結(jié)果如下：

1) 井壁。針對井壁而言，正常從提高井壁的拉剪抗壓能力方面來整治，可以采用改變井壁材料特性、增加井壁厚度及安裝卸壓槽的方法治理，現(xiàn)今井筒都已經(jīng)投產(chǎn)使用，且花費極其大，很顯然改變井壁材料特性和增加井壁厚度這兩個方法不可取。該井筒為礦井唯一風(fēng)井，肩負(fù)整個礦井的通風(fēng)責(zé)任，在該井筒井壁安裝卸壓槽會影響礦井通風(fēng)，耽誤礦井的正常生產(chǎn)，另外井壁、卸壓槽下沉?xí)r對管道要求很嚴(yán)格，必須及時檢修，相對費時費工，故不適宜該礦。

2) 水體。針對水體而言，地下水巨大流失，必然會引起地下水位下降，可以利用人為注水提升地下水位達(dá)到最原始的地下水位，減小井筒周圍松散表土層的固結(jié)沉降，從而達(dá)到保護井筒的目的，目前為止，該方法在技術(shù)方面不夠成熟，存在一定的技術(shù)難關(guān)，并且需要投入大量的研發(fā)經(jīng)費，就該礦實際情況來說，采用該方法會造成巨大經(jīng)濟負(fù)擔(dān)及影響礦井正常生產(chǎn)，故不適宜該礦。

3) 土體。針對土體而言，地面注漿技術(shù)可以封堵地層裂隙、加固地層及提高地層強度，該方法在煤礦實際應(yīng)用上相對成熟，安全系數(shù)高，能有效填堵地層裂隙，封堵地下水的聯(lián)絡(luò)通道，加固持續(xù)時間長，經(jīng)濟投入相對來說較少，并且不影響礦井正常生產(chǎn)，故該方案比較適合該礦。

3.2 地面注漿方案可行性試驗

針對治理修復(fù)井筒偏斜問題，根據(jù)以上分析對比后選擇地面注漿的方案，但是在大規(guī)模的開始注漿治理前，應(yīng)該對地面注漿方案的可行性進行驗證，所以，在井筒東側(cè)布置3個注漿孔，注漿孔孔心距井筒中心30 m，注漿孔間距15 m，孔徑200 mm，注漿壓力10 MPa，并根據(jù)現(xiàn)場注漿果實際情況調(diào)整(見圖1)。

此次選擇松散表土層為注漿地層，注漿方向從下往上，以便能更好地排除孔隙水，由于裂隙較小，注漿漿液可以選擇小粒徑的水泥漿材，試驗時間為期一個月。

利用設(shè)立的監(jiān)測站對注漿試驗完成前后進行不間斷的監(jiān)測，在東側(cè)井壁50 m、100 m、150 m、200 m、250 m分別布置1號、2號、3號、4號、5號測點共5個測點進行地面注漿試驗效果觀測(見圖2)，以此來驗證地面注漿方案在該礦的可行性?？紤]漿液凝固時間，監(jiān)測數(shù)據(jù)取漿液凝固之后連續(xù)15 d的數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：1號、2號、3號、4號、5號監(jiān)測點向井筒偏斜反方向移動，1號、2號、3號、4號、5號各監(jiān)測點的平均修復(fù)位移量分別約為50 mm、43 mm、39 mm、31 mm、25 mm，該井筒的總平均偏斜量約為314 mm，故1號、2號、3號、4號、5號的偏斜修復(fù)率分別為15.9%、13.6%、12.4%、10.0%、8.1%，從得出的數(shù)據(jù)顯示該方案針對井筒偏斜問題修復(fù)效果顯著(見圖3)。

圖1 注漿方案

圖2 監(jiān)測點布置

本次試驗證明：地面注漿方案切合實際，修復(fù)效果顯著，具有很強的可行性，可以為后續(xù)大批量的注漿工程提供借鑒。

4 結(jié) 語

1) 井筒處于地質(zhì)構(gòu)造的集中應(yīng)力處時，將承受很大的構(gòu)造應(yīng)力，再加上含水層失水，井壁很容易發(fā)生剪切破壞。

2) 地層裂隙在人為因素影響下，形成大面積的貫通裂隙，造成含水層通過導(dǎo)水裂隙大量失水，致使井筒周邊區(qū)域土層不均勻固結(jié)沉降，導(dǎo)致井筒偏斜，且偏斜方向為固結(jié)沉降厚度大的方向。

3) 針對該礦實際情況，地面注漿方案適合該礦井筒偏斜修復(fù)治理，通過3個注漿孔地面注漿試驗的成功，為該礦后續(xù)大面積注漿工程及其他礦井類似情況提供借鑒。

圖3 監(jiān)測點位移