地層沉降協(xié)調法防治煤礦立井破壞試驗研究*

周 鑫 于 慶

(中國礦業(yè)大學， 資源與地球科學學院， 徐州 221116， 中國)

0 引 言

煤礦立井是人員、設備、材料運輸?shù)闹匾ǖ?，其變形破壞，除了嚴重影響到煤礦正常運行，還會附帶巨大的安全隱患和經(jīng)濟損失(隋旺華等， 2019)。煤礦立井穿越越來越深的復雜地層，其附加應力對立井井壁破壞和變形的影響權重不斷增加(劉環(huán)宇等， 2007； 周揚等， 2008； 許延春等， 2015)，加之以往經(jīng)過治理后的井壁出現(xiàn)重復破壞的例子也越來越多，如何有效徹底地解決井壁附加應力是當前急需解決的關鍵問題(李文平， 2000； 蔡榮等， 2003； 陳祥福等， 2010； 郝秀強等， 2015)。

諸多專家學者對煤礦立井井壁附加應力的治理措施進行了深入研究。目前國內采用的井壁附加應力消除措施主要有：注漿法、卸壓槽法、改變井壁結構法以及含水層注水法等(經(jīng)來盛， 2001； 葛曉光， 2002； 劉環(huán)宇等， 2005； 高杰等， 2009； Yu et al.， 2012； 宗保東， 2016)。國內學者從礦井井壁破裂的機理分析入手，總結了地面注漿方法的優(yōu)缺點(梁化強等， 2006)，實測分析堵水效應為注漿法本質(經(jīng)來旺等， 2005)，以黃淮礦區(qū)為例分析了井壁卸壓槽的方法(楊俊杰， 1999； 姚直書等， 2001； 蔡海兵， 2010)，利用解析方法研究卸壓套壁法(崔廣心1998， 2005； 琚宜文等， 2003)，以東灘煤礦為例分析地層變形受注水的影響(陳若躍， 2014)，提出了注水減沉法(徐延春等， 2014)。

現(xiàn)有的各種治理方法有一定的治理效果，但是也存在一些無法回避的缺點。注漿法有一定時效性，立井會再次破壞； 井壁開切卸壓槽后，隨著卸壓槽充填材料壓縮變形的增加和井壁縱向附加力釋放，后期卸壓效果相對變差。重復性井壁破裂的工程案例有很多(李文平，2000)，例如：在兗州礦區(qū)濟三煤礦的主井、副井以及風井，分別采取注漿法和卸壓槽法進行井壁破裂治理，治理后長期監(jiān)測顯示主井井壁繼續(xù)發(fā)生變形，含水層水位繼續(xù)發(fā)生下降，井壁壓應變持續(xù)增大，井壁發(fā)生再次破壞； 淮北礦區(qū)許疃煤礦副井采用了特殊井壁結構，但是在建成后的5年內發(fā)生了破裂。注水法目前尚無實際工程應用的先例，部分學者在東灘煤礦等礦井對其進行一些工業(yè)性試驗，考慮到礦井反復注排水對井壁會產(chǎn)生反復影響以及注水參數(shù)較難控制，可以預期實際治理效果并不理想(Zhang et al.， 2016)。此外還需要較長的施工時間，注水量不易控制，水源水質會影響含水層水體。

本文依托華東地區(qū)大量井筒破壞發(fā)生礦區(qū)的工程數(shù)據(jù)，并以鮑店煤礦的地層信息為典型地層建立試驗模型，在以往學者對井壁破裂治理的研究基礎上，以地層沉降協(xié)調機制為原理，提出消除附加應力的新方法，分析其作用機理，進行土層中立井井壁附加應力變化的試驗研究，對地層沉降協(xié)調法穩(wěn)定附加應力的有效性進行分析。本研究對于解決煤礦立井地下結構變形破壞防治、保障井筒運行維護等安全地質問題，有著重要的指導意義和實用價值。

1 地層沉降協(xié)調原理

含水層在疏排水過程中水位呈長期下降趨勢，表土層將會呈現(xiàn)長期壓縮變形(曹宇清等， 2019；劉忠玉等， 2019)，要保持立井穩(wěn)定就要減小或消除地層沉降的影響。含水層失水導致土層固結壓縮是產(chǎn)生附加力的直接原因，因此，減少井筒周圍土體沉降，從而減少井壁和土體之間的相對位移，是穩(wěn)定和減少井壁附加力的根本方法。將井壁周圍一定范圍內的土體與范圍外土體用隔離體隔離開，隔離兩者的豎向力和位移，可使協(xié)調范圍內的土體和井壁間的相對位移減小； 另一方面，隔離體可以保證水平力的存在，使井筒保持穩(wěn)定。

因此，地層沉降協(xié)調法的機理是通過隔離協(xié)調圈層，將立井周圍特定區(qū)域內地層設定邊界，與外部區(qū)域進行分隔，隔離外部區(qū)域地層沉降變形的影響，以降低井壁附加力的產(chǎn)生，同時還能傳遞水平力，保證井筒的正摩阻力穩(wěn)定，實現(xiàn)防治煤礦立井破壞。如圖 1所示，對隔離范圍內注漿可以控制含水層的失水壓縮，因此由失水沉降引起的井筒附加應力將不會增長，大量現(xiàn)場注漿數(shù)據(jù)也表明，對含水層加固后，有效應力得到了很好的控制； 通過隔離協(xié)調圈層，設定邊界與外部地層進行分隔，減少圈層內因含水層疏排水而引起的沉降量，即可削弱地層沉降對井筒的負摩阻力作用。

圖 1 地層沉降協(xié)調機理示意圖Fig. 1 The conceptual mechanism of strata settlement coordination treatment method

表 1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

表 2 試驗參數(shù)Table 2 Experimental parameters

2 試驗設備及試驗方法

2.1 試驗材料及裝置

在模擬試驗中，幾何參數(shù)、相似材料和邊界條件幾方面與實際工況有一定的比例關系，模擬地層沉降時土體與井筒的動態(tài)過程。

利用已研制的立井井壁動變影響試驗模型箱(于慶等， 2015)，其尺寸為1200mm×1200mm×1000mm，初步確定本次試驗幾何相似比CL=100。立井原型尺寸：長度×外徑×內徑=100m×10m×8m，按照100的相似比，模型尺寸為1000mm×100mm×80mm。模擬的地層實際尺寸為長×寬×高=120m×120m×100m，土體、井筒模型、協(xié)調隔離體的空間布局如圖 2所示。

圖 2 試驗模型箱示意圖(單位為：mm)Fig. 2 Sketch of the model chamber(unit: mm)

相似材料方面，由于本次模擬試驗所用模型井筒尺寸較小，如果采用建造實際井筒的混凝土材料來制作，存在模具制作成型的難題。綜合考慮到亞克力有機玻璃管透明度好，便于貼片觀察，加工制作過程簡單，彈性模量適中，符合試驗測試精度需求，因此模型井筒采用亞克力有機玻璃筒?；炷敛牧吓c亞克力有機玻璃筒參數(shù)對照見表 1。試驗參數(shù)見表 2。隔離體材料采用兩種隔離協(xié)調材料，一種厚度為1mm的聚四氟乙烯板，該板有一定的強度，且摩擦系數(shù)小，符合隔離協(xié)調材料的要求。另外一種材料為樹脂，通過在井筒模型周圍一定范圍鉆設小孔灌注來設置隔離體。

模擬試驗中，在模型井壁外側粘涂一薄層粒徑均勻的砂粒，模擬與土體的接觸。為降低試驗箱尺寸效應引起的邊界條件影響，在試驗準備階段時，先在試驗箱內壁涂一層凡士林，起到潤滑作用，以消除試驗箱內壁對土體應力場的影響。

2.2 試驗方法

含水層失水導致上方土層固結壓縮是產(chǎn)生附加力的直接原因，本文所涉及的模擬試驗是通過對含水層進行疏排水來實現(xiàn)井筒周圍地層的沉降，進而產(chǎn)生井壁上的豎向附加力。在試驗箱底部設置的排水閥門進行排水，設置主動抽水泵來控制排水量。為使沉降效果明顯，可以合理加大排水量以及排水速率。

本次試驗主要驗證地層失水沉降對井壁附加應力的影響，因此采用應變傳感器來監(jiān)測井壁受地層沉降的影響。測量土層沉降采用YWD-10型位移傳感器，BA120-5AA應變計用于測量應變。在距離井筒中心7.5cm處的環(huán)形均勻設置4個沉降點，作為隔離體內沉降監(jiān)測點； 在距離井筒中心25.0cm處的環(huán)形均勻設置4個沉降點，作為隔離體外沉降監(jiān)測點。距離井筒底部20cm處的內側粘貼應變計，如圖 3所示，因8組應變片所得的橫、縱向應變與時間關系圖基本一致，下文只對1、2號應變計所得數(shù)據(jù)作代表介紹分析，相應記井壁縱向應變?yōu)閂1、V2，橫向應變?yōu)镠1、H2。

圖 3 應變片粘貼示意圖Fig. 3 Strain gauge layout a. 應變片局部俯視圖； b. 應變片局部剖面圖

圖 4 4組試驗沉降過程中井壁縱向應變與時間關系圖Fig. 4 Relationship between shaft-lining vertical strain and time in 4 strata settlement experiments process a. 井壁縱向應變V1與時間關系圖； b. 井壁縱向應變V2與時間關系圖

以砂土作為含水層，以黏土或其他隔水材料作為含水層上覆隔水層，研究在井筒周圍地層沉降過程中，不同協(xié)調材料及隔離范圍條件下立井井壁的受力狀態(tài)以及土體表面沉降變形，驗證地層沉降變形協(xié)調法的可行性。模擬試驗共進行4組，每組試驗重復進行3次，試驗安排見表 3。

表 3 試驗安排Table 3 Experimental planning

3 試驗結果分析

3.1 井壁縱向應變變化

如圖 4所示，井壁縱向應變與時間關系曲線中，第1組試驗曲線斜率明顯大于第2、3、4組試驗中的曲線斜率。此外，第1組試驗縱向應變變化比后續(xù)3組試驗應變變化持續(xù)時間較長，第2、3、4組應變經(jīng)歷開始的突增后很快趨于穩(wěn)定，應變穩(wěn)定后，縱向應變平均值最大的是第1組，第2、3、4組的數(shù)據(jù)明顯小于第1組。這說明采用地層沉降變形協(xié)調法后，隔離協(xié)調體可以顯著減緩井壁縱向應變的變化速率和井壁縱向應變穩(wěn)定值，可以減小隔離體外地層沉降對井筒的作用，加設隔離體可以有效防治井壁破裂。

另外，根據(jù)縱向應變曲線可知，3種不同隔離協(xié)調半徑對縱向應變的影響區(qū)別不是很大，但是不同隔離材料對縱向應變的影響還是比較明顯。聚四氟乙烯材料的隔離體隔離協(xié)調效果優(yōu)于樹脂材料的隔離體，這是因為聚四氟乙烯表面十分光滑，摩擦系數(shù)很小，同時也具有一定的強度。

3.2 井壁橫向應變變化

如圖 5對比分析4組試驗所得的井壁橫向應變隨時間變化曲線， 4組試驗所得橫向應變變化曲線走勢基本一致， 4組試驗所得橫向應變穩(wěn)定值相差不大， 4條曲線較為接近。隨著含水層排水地層沉降的繼續(xù)發(fā)生，土體開始出現(xiàn)固結壓縮，在工程實際中體現(xiàn)為井筒井壁的橫向應變受拉幅度及受拉趨勢逐步增大。測點處的井壁橫向應變隨著地層沉降的過程均經(jīng)歷了先突然增加然后趨于穩(wěn)定，中間有小范圍的波動。

圖 5a和圖5b的第2組和第4組曲線較為接近，第1組和第3組曲線較為接近，且第2組和第4組的曲線低于第1組和第3組的曲線，這是因為隔離協(xié)調材料的原因，在第2組和4組試驗中，隔離協(xié)調材料是聚四氟乙烯，而第3組試驗則是樹脂材料，由圖中曲線可以明顯看出其具有一定的差別。圖 5a顯示的是H1點在4組試驗中的橫向應變變化曲線，4條曲線十分接近，說明該點處的隔離協(xié)調效果很好，基本保證了井壁橫向應變不發(fā)生較大變化。

圖 5 4組試驗沉降過程中井壁橫向應變變化與時間關系圖Fig. 5 Relationship between shaft-lining horizontal strain and time in 4 strata settlement experiments process a. 井壁橫向應變H1與時間關系圖； b. 井壁橫向應變H2與時間關系圖

圖 6 4組試驗中隔離體內側沉降點平均沉降與時間關系圖Fig. 6 Relationship between soil surface subsidence and time on the inside of the isolator layer under four strata settlement experiments

綜上分析可知，采用地層協(xié)調方法后，井壁的橫向應變和未加隔離協(xié)調體的變化趨勢基本一致，橫向應變均在合理的范圍內未發(fā)生較大變化，說明該方法可以維持井壁的橫向變形的穩(wěn)定。

3.3 地層沉降試驗過程土表沉降情況

3.3.1 隔離體內側土表沉降情況

如圖 6所示，不同分隔條件下，含水層初始排水時，地層存在滯后沉降，繼續(xù)排水后，滯后效應消失，地層產(chǎn)生緩慢沉降，曲線斜率變大，并且沉降斜率與不同的隔離協(xié)調條件有關。觀察4條曲線可以看出：在4組不同協(xié)調條件的試驗中，第1組試驗開始后約2min時，土體沒有產(chǎn)生沉降， 2min后土體開始出現(xiàn)緩慢的沉降，在6min時，土體沉降曲線開始發(fā)生轉折，曲線斜率增大，沉降有明顯的增大。最終在65min時，土體表面沉降達到了3.16mm。第2組試驗在排水開始后的3min內沒有明顯的地層表面沉降，整個過程土體表面最終下降了0.79mm； 第3組試驗整個過程沉降變化依然較為平緩，最終沉降量為0.92mm。相比之下，第4組試驗的沉降變化更加緩慢，最終沉降量也更小，只有0.52mm。

分析對比圖中的曲線，加設隔離體后，平均沉降發(fā)生了明顯改變， 3組加設隔離體的試驗均可有效減小隔離體內地表沉降，對減緩和抑制對井壁的豎向附加力有積極的作用。隔離半徑為R=4r的第4組試驗的沉降減小量最大。R=2r、R=4r比R=3r的最終沉降均要小，主要原因是隔離體所采用的材質和設置方式不同，鉆設小孔灌注設置的樹脂材料比聚四氟乙烯板隔離治理效果稍微差一些，但也同樣有效果。

3.3.2 隔離體外側土表沉降情況

如圖 7所示，觀察4條不同的隔離體外側沉降監(jiān)測點的沉降曲線，可以看出：加設隔離體后，在其外側的平均沉降變化不大。4組試驗在初始的5min內沉降變化均較小， 10min左右曲線出現(xiàn)明顯拐點，沉降曲線斜率明顯增大，對比之下，第1組試驗曲線斜率最大，第3組次之，斜率最小的是第4組試驗。4組試驗所得最終沉降量差別不是很大，但是加設隔離體后的最終沉降量仍然有所減小， 4組試驗的最終沉降依次為： 3.59mm， 3.27mm， 3.51mm和3.15mm。

圖 7 4組試驗中隔離體外側沉降點平均沉降與時間關系圖Fig. 7 Relationship between soil surface subsidence and time on the outside of the isolator layer under four strata settlement experiments

對比圖 6和圖 7可以發(fā)現(xiàn)，在第1組試驗中隔離體外側沉降點監(jiān)測到的平均沉降量(3.59mm)要大于隔離體內側沉降點監(jiān)測到的平均沉降量(3.16mm)。原因在于外側沉降點距離排水口較近，在試驗過程中該處地層受到排水壓縮影響明顯。

通過對4組試驗中兩處監(jiān)測點得到的沉降曲線對比分析，可以得出：隔離體能夠有效減緩其內側地層沉降速率，減少其內側的最終地表沉降量。對于隔離體外側的地表沉降影響不明顯。根據(jù)附加應力產(chǎn)生機理，地層沉降協(xié)調法對于減緩附加應力增長有著積極的作用。

4 結論與應用說明

本文以地層沉降協(xié)調機制為原理，提出了消除或減少附加應力的新方法，并進行試驗研究，對地層沉降協(xié)調法穩(wěn)定附加應力的有效性進行了分析，得到以下結論。

(1)地層沉降協(xié)調法的機理是通過隔離圈層，將豎向結構特定范圍內地層與外部區(qū)域進行分隔，協(xié)調豎向變形以減少結構附加力，并能保持水平力的存在。

(2)加設隔離體的試驗縱向附加應變值明顯低于未加隔離體的試驗。隔離協(xié)調體對井壁縱向應變的突變有減小作用，可以維持橫向變形的穩(wěn)定。隔離體能夠有效減緩其內側地層沉降速率以及最終沉降量。

(3)地層沉降協(xié)調法可以明顯降低沉降過程中井壁縱向附加應變，同時可以保持橫向變形及受力的穩(wěn)定。

地層沉降協(xié)調法在實際工程中可以按以下步驟：先計算隔離協(xié)調范圍； 注漿加固范圍內的含水層； 開設隔離體充填槽或充填孔，選擇合適填充材料，形成隔離體圈層。

填充材料可以選用注漿加固材料，基本要求為成型后邊界光滑。隔離體的主要作用是隔離其內外側地層的豎向變形，保持水平力的穩(wěn)定。在計算隔離協(xié)調范圍時，可以根據(jù)允許偏斜率和靶域式鉆孔技術方式計算隔離范圍，也可以按經(jīng)驗取2～4倍井筒外半徑的距離。對隔離協(xié)調范圍以內的含水層進行注漿加固形成含水層加固體，以達到減少隔離體內側含水層壓縮變形和止水加固的目的。