立井井筒的損壞原因分析及治理措施

郭軻軼

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

立井井筒是礦業(yè)工程重要的結(jié)構(gòu)組成部分，是礦業(yè)生產(chǎn)活動的咽喉要道，擔負著礦井的提升、通風及安全出口等任務(wù)，它的變形和破壞不僅會明顯影響礦井的安全生產(chǎn)，而且還會給煤礦企業(yè)造成嚴重的經(jīng)濟損失[1-2]。河南省某礦北山風井工業(yè)場地內(nèi)建有進風立井以及絞車房、壓風機房、變壓站、鍋爐房等建(構(gòu))筑物。近年來，受工業(yè)場地周邊煤層的開采影響，進風井出現(xiàn)了較為明顯的變形和破壞，危及井筒的正常安全運行。本文結(jié)合井筒偏斜及井壁破壞的特征，初步分析了進風井井筒的破壞原因及影響因素，提出了相應(yīng)的維修加固技術(shù)措施。

1 開采情況

1.1 地質(zhì)采礦條件

北山工業(yè)場地區(qū)域賦存可采煤層主要為丁、戊、己組煤層，其中丁組煤已基本回采結(jié)束，戊、己組煤仍在持續(xù)開采中。丁組煤開采丁5-6煤層，平均采厚3.5 m，傾角9°，采深382～889 m；戊組煤開采戊8、戊9-10煤層，采厚分別為2.1 m、2.9 m，傾角9°，采深496～944 m；己組煤開采己15、己16-17煤層，采厚分別為1.6 m、3.8 m，傾角9°，采深597～911 m；采煤方法為長壁工作面炮采、普采及綜采，全陷法管理頂板。圖1為北山工業(yè)場地區(qū)域井上下對照圖。

區(qū)域煤層上覆地層主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤層及第四系松散層等，松散層厚度約為30 m。北山工業(yè)場地附近地質(zhì)構(gòu)造簡單，未揭露大、中型斷裂構(gòu)造，小型斷層較為發(fā)育，優(yōu)勢走向為北北東向和北東向，次為近南北向，斷層傾角一般在70°左右，落差以2 m以下為主。

1.2 井筒

北山進風井位于工業(yè)場地中西部，采用混凝土碹，井筒凈寬徑6.8 m，凈斷面36.3 m2，至丁組煤層垂深669.5 m，進風井擔負礦井材料、設(shè)備、人員升降任務(wù)，兼進風和安全出口。該進風井自2011年開始，先后多次出現(xiàn)不同程度的變形和破壞，主要表現(xiàn)為下井口西側(cè)鼓幫、井壁脫落以及主罐罐籠東側(cè)與井筒東側(cè)管子梁安全距離變小等現(xiàn)象。據(jù)2019年實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，進風井井口中心坐標相比井筒原設(shè)計坐標向北偏移0.207 m，向西偏移1.096 m，標高下降0.893 m。目前，受周邊煤層開采持續(xù)影響，井筒變形和破壞仍在加劇中。

圖1 北山工業(yè)場地區(qū)域井上下對照圖

2 井筒損害分析

2.1 采動損害分析

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡稱“三下”采煤規(guī)范)的有關(guān)規(guī)定，我國對于深度大于和等于400 m或者穿過煤層群的主、副井，要求按邊界角設(shè)計保護煤柱，保護煤柱受護范圍應(yīng)當包括井架(井塔)、提升機房和圍護帶(立井圍護帶寬度為20 m)，保護范圍內(nèi)允許地表下沉值不超過10 mm，以此確保受護對象不會受到地下開采活動影響。對于工業(yè)場地保護煤柱的留設(shè)，主要是按移動角(即臨界地表變形值)來劃定保護煤柱范圍的，保護范圍(含15 m寬維護帶)內(nèi)允許地表變形值不超過傾斜i=±3 mm/m、曲率K=±0.2×10-3/m或水平變形ε=±2 mm/m，確保保護范圍內(nèi)的建筑物所受采動影響不超過Ⅰ級變形，受護建筑物不出現(xiàn)損壞或僅出現(xiàn)輕微損壞。當立井包括在工業(yè)場地以內(nèi)時，需分別按井筒和工廣保護煤柱留設(shè)要求設(shè)計保護煤柱，并以最外側(cè)邊界做為保護煤柱的最終邊界[3]。

依據(jù) “三下”采煤規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，并參考礦區(qū)巖移實測參數(shù)，選取北山工業(yè)場地保護煤柱留設(shè)參數(shù)為：松散層移動角φ=45°，走向移動角δ=63°、上山移動角γ=63°，下山移動角β=59°，走向邊界角δ0=54°、上山邊界角γ0=55°，下山邊界角β0=55°，地表松散層厚度取30 m。受護對象包括北一工廣、進風井等，采用垂直剖面法劃定保護煤柱范圍，具體見圖2。

圖2 丁、戊、己組煤層保護煤柱留設(shè)示意圖

如圖2所示，北山工業(yè)場地附近丁、戊、己組煤層的開采范圍均已進入工廣保護煤柱線以內(nèi)，開采活動勢必會對井筒及工廣造成一定程度的采動影響，因此認為，井筒變形與破壞與附近煤層的開采活動有關(guān)。

2.2 井筒受力分析

北山工業(yè)場地周邊煤層開采后，在工廣區(qū)域形成了一個孤島煤柱，煤柱內(nèi)部所承載的荷載急劇增大。當井壁剛度接近或小于圍巖剛度，井壁和圍巖變形便會基本保持同步，井壁也就不會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當井壁剛度大于圍巖剛度，圍巖在垂直方向產(chǎn)生的位移便會比井壁在垂直方向產(chǎn)生的位移大，從而對井壁施加一個巨大的豎向附加力(也稱為沿井壁外表面垂直向下的剪切力)，使井壁出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當豎向累加應(yīng)力超過井壁混凝土極限抗壓強度時，也會造成井壁破壞[4-5]。由于北山區(qū)煤層埋深大，在多煤層重復采動影響下，工廣煤柱承受著上覆地層的巨大壓力，極易在地層薄弱處出現(xiàn)集中變形，造成井壁破壞和脫落。現(xiàn)場調(diào)查證實，進風井鼓幫、井壁脫落位置為丁組煤賦存層位。

3 沉陷變形預測

由于井筒和工廣附近煤層已進行了大范圍的開采，在今后較長的時期內(nèi)工廣范圍內(nèi)仍將有少量的殘余下沉和變形，而附近新的開采活動還將對采空區(qū)造成一定的活化影響，加劇井筒的移動與變形。依據(jù)區(qū)域覆巖巖性、開采情況等，對工廣區(qū)域今后的移動變形情況進行預計，采用概率積分法進行計算，選取參數(shù)為：下沉系數(shù)：q=0.05、水平移動系數(shù):b=0.35、 主要影響角正切：tgβ=1.5、開采影響傳播系數(shù)：k=0.6、拐點偏移距：s/H=0.05。

經(jīng)計算，得出了井筒區(qū)域地表移動與變形最大值，見表1所示，通過計算結(jié)果可以看出，北山進風井仍將受到一定的沉陷變形影響。同時，計算了北山進風井井筒的偏斜與豎向變形，見表1、圖3，井筒以后的偏斜方向與當前偏斜方向一致。

表1北山進風井地表移動變形值

圖3 井筒偏斜與豎向變形曲線圖

3 維修加固措施

(1)補挖井壁。在井壁破壞段及圍巖軟弱處(井筒穿丁組煤處)開切卸壓槽，卸壓槽內(nèi)充填可伸縮性材料，將原來的剛性井壁更換為可伸縮井壁，以有效減小井壁的破壞。一次開挖井壁寬度不超過1.5 m，拆挖高度為600 mm。施工中應(yīng)挖除內(nèi)層井壁中已破壞的混凝土，并要求鋪設(shè)的可伸縮性材料與圍巖有一定的間隙(水平間隙不小于300 mm)，避免斷面內(nèi)形成應(yīng)力集中。

(2)加固井壁與圍巖。用錨桿將井壁與圍巖固定在一起，水平的錨桿可以在一定的限度內(nèi)阻止井壁和圍巖的相對移動，并對圍巖進行深淺孔混合注漿加固[6]。井底車場周圍巷道也要進行加固注漿處理。

(3)掛金屬井圈。掛金屬井圈可在井壁水平截面上施加均勻反力，可阻止井壁破壞或防止破壞范圍繼續(xù)擴大。

(4)切割罐道梁，罐道梁的變形與井筒徑向變形是一致的，為使罐道梁能適應(yīng)拉伸與壓縮變形，可將其切開，用滑動夾板連接，使之既能伸又能縮。

(5)調(diào)整罐道。對于因井筒偏斜引起罐道磨損加劇，可進行長距離的順坡，并對罐道接頭間距進行適當調(diào)整[7-8]。

(6)調(diào)整排水管、壓風管。在井筒偏斜和變形較小的情況下，可在管路上安裝剛性伸縮接頭，如果井筒變形較大，可在受壓部位分段安裝高壓軟管以調(diào)節(jié)變形，或采取割焊的方法。

(7)加強工業(yè)場地周邊煤層開采的管理，劃定保護煤柱范圍，嚴禁在保護煤柱范圍內(nèi)進行開采活動。

4 結(jié) 論

(1)結(jié)合周邊煤層開采情況和井筒偏斜、井壁破壞特征，確定北山進風井井筒的損害與附近煤層的開采活動有關(guān)，煤層采動影響和煤柱荷載增大引發(fā)井筒變形和破壞。

(2)計算了井筒今后的沉陷變形情況，預計井筒最大下沉為150 mm，最大軸向變形為0.9 mm/m，最大偏斜距為106 mm，最大偏斜率為0.4 mm/m，井筒仍需監(jiān)測和維護。

(3)提出了補挖井壁、加固井壁與圍巖、掛金屬井圈、切割罐道梁、調(diào)整罐道等維修措施。