板集礦副井破損井壁修復及變形監(jiān)測研究 ①

汪 偉， 王曉健， 史正景， 洪士保， 劉 杰

(1.安徽理工大學土木建筑學院， 安徽 淮南 232001；2.中煤新集能源股份有限公司板集煤礦，安徽 亳州 236000)

0 引 言

隨著礦井開采深度增加，高地壓采動及疏水等對井筒的危害加大，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來巨大的挑戰(zhàn)[1]。井壁常因為底部含水層疏水固結(jié)產(chǎn)生豎直附加力而破壞，多發(fā)生于厚表土與薄基巖處，自上世紀80年代以來，已有近100多個礦井發(fā)生厚表土薄基巖井壁破裂事故[2-4]。破損后的井筒多采用“豎讓橫抗”的修復方案，治理效果良好[5-9]。同時，變形監(jiān)測對井壁的安全可靠評估起著非常重要的支撐作用[9-10]。

板集礦副井井筒于2009年4月18日發(fā)生突水淹井事故，通過井筒注漿、凍結(jié)工程，在既有井壁周圍形成防水帷幕，在井筒排水后對受損井壁進行修復，同時為反映修復井筒的變形情況，建立井壁監(jiān)測系統(tǒng)，對井壁安全起到預警作用。

1 工程概況

板集礦位于安徽省亳州市利辛縣胡集鎮(zhèn)，工業(yè)場地內(nèi)設(shè)主、副、風三個立井井筒。井筒表土段采用鉆井法施工，基巖段采用鉆爆法施工，且施工中穿過厚度達580.0m的地層沖積層。

根據(jù)該礦井井筒檢查孔地質(zhì)資料，井筒穿過的地層自上而下有新生界松散層和二疊系。副井自上而下共有4個含水層和3個隔水層，其中4含為富水性中等。井筒基巖地層總厚度為192.50m，巖性如圖1。由于副井馬頭門被迫位于煤系和花斑狀泥巖地層，巖性較差。

(a)地層柱狀圖 (b)井壁結(jié)構(gòu)圖

2 破損井壁修復治理

2.1 破損井壁修復

在注漿、凍結(jié)形成防水帷幕，并清淤后，針對原鉆井鋼板井壁不同的破損狀態(tài)，采取相應(yīng)的修復方法。(1)當鉆井井壁接頭法蘭盤拉開間隙≤50 mm時，首先在內(nèi)緣塞入環(huán)行鋼筋進行周圈焊接，然后注入微膨脹水泥漿進入井壁拉開縫隙內(nèi)；(2)當鉆井井壁接頭法蘭盤拉開間隙>50 mm時，首先貼焊環(huán)形鋼板至井壁內(nèi)緣連接上下法蘭盤，然后澆入C80高強細石混凝土；(3)對沒有豎向拉開，而水平錯動的鋼板井壁接頭，僅沿接頭環(huán)向焊接10mm高；(4)對初始突水潰砂，呈“魚嘴狀”破壞處的鋼板井壁接頭，在內(nèi)側(cè)配筋、外側(cè)貼焊鋼板、澆入C80細石混凝土。

2.2 內(nèi)套鋼板井壁施工

在修復破損井壁后，為恢復井筒使用功能，在原鉆井井筒基礎(chǔ)上內(nèi)套鋼板+混凝土井壁，其中內(nèi)套鋼板井壁施工具有工序轉(zhuǎn)換點多、工藝復雜、鋼板裝配精度高、焊接難度大、施工速度慢等特點，在國內(nèi)尚屬首次。首先內(nèi)層鋼板筒由4-5塊在地面施工成型，并吊裝至井下吊盤工作面；隨后在二層吊盤周邊起吊點上通過手拉葫蘆將組合鋼板筒至設(shè)計位置；然后，環(huán)向焊縫使用3臺半自動CO2保護焊機同時焊接，豎向焊縫采用氣電立焊機進行自動焊接，與傳統(tǒng)的手工電弧焊相比，工效提高了20～30倍；組后，在組合鋼板井壁內(nèi)澆筑高強混凝土。

圖2 復合井壁計算簡圖

3 監(jiān)測預警值計算

副井井筒以內(nèi)套井壁方式修復，內(nèi)套井壁與原井壁構(gòu)成組合筒體結(jié)構(gòu)，共同承擔深厚土和巖體的作用力。外力作用下，井筒中混凝土層和鋼板層發(fā)生徑向變形協(xié)調(diào)，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件求出各層之間的相互作用力，然后計算井壁的應(yīng)力，運用彈性力學中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系得到應(yīng)變值。對于副井的多層井壁采用彈性力學組合筒法計算，計算簡圖如圖2所示。第一層為內(nèi)套井壁鋼板層，第二層為內(nèi)套鋼筋混凝土層，第三層為原鉆井井壁鋼板層，第四層為原鉆井井壁鋼筋混凝土層，第五層為原鉆井井壁外鋼板層。

內(nèi)套井壁內(nèi)鋼板內(nèi)緣的環(huán)向應(yīng)力σθ的計算公式如式(1)：

(1)

式(1)中rn為內(nèi)套鋼板井壁內(nèi)緣半徑，m；rw為內(nèi)套鋼板井壁外緣半徑，m；t1=rw/rn;P21為內(nèi)套井壁鋼筋混凝土層對內(nèi)套井壁鋼板層的徑向壓力，MPa。

井筒監(jiān)測斷面處的豎向應(yīng)力如式(2):

σz=γH

(2)

式(2)中γ為巖石的重度，Ν/m3；H為監(jiān)測斷面埋深，m。

監(jiān)測斷面處內(nèi)套井壁內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)變?yōu)槭?3)：

(3)

式(3)中ν為泊松比；E為彈性模量，N/m2。

監(jiān)測斷面處內(nèi)套井壁內(nèi)緣豎向應(yīng)變?yōu)槭?4)：

(4)

受壓情況下井壁的富余應(yīng)變εf計算如式(5)：

εf=[ε]-C壓ε

(5)

式(5)中ε為極限壓應(yīng)變值，με；ε為內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)變或內(nèi)緣豎向應(yīng)變值，με；C壓為受壓情況下的荷載分項系數(shù)。

(6)

式(6)中C拉為受拉情況下的荷載分項系數(shù)；其余同上。

由于副井的監(jiān)測層位較多，故僅以組合筒計算原理對累深579m處關(guān)鍵層位進行計算，該水平采用光纖光柵傳感器監(jiān)測，井壁各層材料參數(shù)如表1所示。

表1 深579m處各層井壁材料參數(shù)

井壁所受側(cè)壓P=7.527MPa，P21=1.227MPa，將P21的值代入式(1)得，σθ=-107.022MPa，又有σΖ=-14.475MPa，將σθ，σΖ代入式(3)和式(4)得，εθ=-498.45με，εΖ=85.59με，內(nèi)側(cè)鋼板材料為Q345，其抗壓強度設(shè)計值為295MPa，極限壓應(yīng)變?yōu)?1432.04με。

考慮受壓情況下荷載分項系數(shù)分別為1.35，1.2，1時，聯(lián)立εθ，εΖ和式(5)，得到不同的井壁環(huán)向和豎向富余壓應(yīng)變值；在受拉時，考慮荷載分項系數(shù)為0.6，0.8和1時，聯(lián)立εθ，εz和式(6)得到不同的井壁環(huán)向和豎向富余拉應(yīng)變值?？紤]折減系數(shù)分別為0.75，0.85，0.95時，將預警級別分為黃色、橙色、紅色三個等級，分別對上面算得的環(huán)向和豎向富余壓應(yīng)變、環(huán)向和豎向富余拉應(yīng)變進行折減，得到黃色、橙色、紅色三個不同等級的預警值，如表2所示；副井其它監(jiān)測水平的預警值計算方法與以上相同。

表2 副井累深579m處內(nèi)鋼板變形預警值表

4 修復治理后內(nèi)套井壁監(jiān)測

4.1 監(jiān)測內(nèi)容與方法

板集礦在后期開采時，恢復礦井建設(shè)中井筒的受力將隨地下水和地應(yīng)力的變化而變化，這就需要對副井井筒井壁進行受力變形監(jiān)測，監(jiān)測對象主要為井壁鋼板和井壁混凝土，為確保井壁安全，則井壁內(nèi)鋼板應(yīng)變值應(yīng)小于其抗壓應(yīng)變設(shè)計值、井壁混凝土應(yīng)變也低于其抗壓應(yīng)變設(shè)計值。井筒的深度較大，若在井筒全深范圍內(nèi)監(jiān)測，不僅工程量大，且成本高，因此，只需依據(jù)各段井壁的水文地質(zhì)情況，將厚粘土層和前期出水砂層部位的井壁作為關(guān)鍵層位進行監(jiān)測。通過對關(guān)鍵層位鋼板應(yīng)變和混凝土應(yīng)變的監(jiān)測，及時掌握井壁所受外力的變化和分布規(guī)律。

4.2 監(jiān)測水平及元件安裝

依據(jù)副井井筒的地質(zhì)構(gòu)造和井壁結(jié)構(gòu)特征，確定在副井內(nèi)層井壁全深范圍內(nèi)布設(shè)三個關(guān)鍵層位，監(jiān)測內(nèi)容為各個層位的豎向和環(huán)向鋼板井壁表面應(yīng)變，各個監(jiān)測水平位置見表3。

表3 副井FBG傳感器監(jiān)測水平設(shè)置及巖性

副井光纖光柵傳感器監(jiān)測水平的測試元件布置如下：在一組序號為1，2，3的井筒水平面安設(shè)光纖光柵應(yīng)變計，每個水平共安裝8個，其中環(huán)向和豎向各4個，分別固定在內(nèi)層井壁外表面的4個測點上，每個測點含環(huán)向和豎向應(yīng)變計各一個，分別監(jiān)測鋼板井壁的環(huán)向應(yīng)變和豎向應(yīng)變，在相應(yīng)的監(jiān)測水平和位置安裝光纖光柵應(yīng)變計。其安裝方法如下：鋼結(jié)構(gòu)表面用角磨機磨平處理，由于部分鋼結(jié)構(gòu)表面銹蝕較多，必須將其打磨掉；應(yīng)變計的夾具被焊接在內(nèi)層鋼板表面；然后將光纖光柵應(yīng)變計裝入夾具中，將通信主光纜下放到累深396m(第一監(jiān)測水平)、累深579m(第二監(jiān)測水平)、累深640米(第三監(jiān)測水平)處，F(xiàn)BG光纖傳感器與通信次光纜相連接，再通過通信次光纜與通信主光纜相連接，累深579米(第二監(jiān)測水平)處FBG光纖傳感器直接與主光纜相連接，為保證監(jiān)測元件的長期穩(wěn)定，通信主光纜與次光纜的連接處需封裝處理，光纖光柵應(yīng)變計及其導線通過防水接線盒與通信主光纜相連接，如圖3所示。

圖3 副井光纖光柵監(jiān)測水平圖

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

板集礦副井井筒變形監(jiān)測系統(tǒng)于2019年7月份安裝調(diào)試完成后，系統(tǒng)實時對立井井筒的變形進行監(jiān)測，為評估實時監(jiān)測系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性以及井筒的實時變形狀況，以下為副井累深579m處光纖光柵傳感器監(jiān)測的從2020年7月6日到2021年6月8日的數(shù)據(jù)曲線圖。

該監(jiān)測平面的每個測點含環(huán)向和豎向應(yīng)變傳感器各一個，其中測點方位為西南上、東南上、東北上、西北上的傳感器為環(huán)向應(yīng)變傳感器，測點方位為西南下、東南下、東北下、西北下的傳感器為豎向應(yīng)變傳感器，累深579m處的應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)中能夠得到井筒環(huán)向變形最大值約為229.61με，環(huán)向變形平均值最大約為116.72με，由圖4(b)能夠得到豎向變形最大值約為-237.93με，豎向變形平均值最大約為125.34με，均未超出表2所列的監(jiān)測預警值，說明在該時段內(nèi)井壁變形在變形極限范圍內(nèi)。

(a) 環(huán)向應(yīng)變

綜上分析，井壁變形屬于彈性變形，其應(yīng)變變化量在一定范圍內(nèi)上下波動，呈非線性變化特征，從以上數(shù)據(jù)曲線圖可知，累深為579m處井筒環(huán)向和豎向應(yīng)變最大值分別占對應(yīng)黃色預警值的22.5%(環(huán)向)和20.5%(豎向)。

5 結(jié) 論

(1)板集副井井壁突水涌砂后，井壁呈現(xiàn)受拉破斷、水平錯動、受壓破損等多種破壞形態(tài)，據(jù)此，制定了相應(yīng)的修復方法；為恢復井筒原有功能，在井筒原有井壁基礎(chǔ)上內(nèi)套鋼板混凝土和鋼筋混凝土井壁。工程施工完成后，滿足井筒的正常運行。

(2)結(jié)合彈性力學中的組合筒計算原理，對副井井壁累深579m處內(nèi)鋼板變形預警值進行了計算，并得到黃色、橙色、紅色三級預警閾值，便于井筒實時安全分析，確保礦井生產(chǎn)安全。

(3)對副井累深579m處光纖光柵傳感器監(jiān)測從2020年7月6日到2021年6月8日的數(shù)據(jù)進行了分析。結(jié)果表明該處井筒環(huán)向和豎向應(yīng)變最大值分別占對應(yīng)黃色預警值的22.5%(環(huán)向)和20.5%(豎向)，板集井筒當前處于安全狀態(tài)。