臨渙礦區(qū)深厚松散層井壁變形破裂機理

張 輝

（安徽省煤田地質(zhì)局水文勘探隊，安徽 宿州 234000）

井筒是煤礦安全生產(chǎn)的咽喉部位，一旦發(fā)生破裂，往往嚴(yán)重地影響礦山的正常運營，危及生產(chǎn)安全，造成重大經(jīng)濟損失。作為工程中面臨且必須解決的核心問題，井筒破裂問題已逐漸成為巖土工程研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點，并取得了許多應(yīng)用性成果和相關(guān)學(xué)說，其中較為著名的有“井壁豎向附加應(yīng)力說”[1-5]、“新構(gòu)造運動說”[6]、“滲流變形說”[7-8]、“井壁施工質(zhì)量說”[9]。毫無疑問，這些學(xué)說對井壁破裂治理措施的制定起到了巨大的促進作用，但是由于地質(zhì)條件的差異性，不同區(qū)域井筒變形破裂機理可能不同。

臨渙礦區(qū)自建井以來，先后有10余對井筒出現(xiàn)不同程度的破裂。破裂以來許多學(xué)者、專家對破裂原因從不同角度提出了許多有益的見解[7,10]，并針對破裂原因提出了一些防治措施（井圈加固、開設(shè)卸壓槽等），但該區(qū)井筒破裂仍未得到有效根治，最近兩年在臨渙礦區(qū)又有兩對礦井的井筒相繼發(fā)生了井壁破裂事故，并已影響到煤礦安全生產(chǎn)。為此，本文以臨渙礦區(qū)某煤礦副井為例，在系統(tǒng)分析、歸納和總結(jié)井壁破裂各種相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，通過松散層現(xiàn)場取樣及室內(nèi)實驗測得的物理力學(xué)參數(shù)，分別采用解析分析對深厚表土四含失水進行研究。

1 研究區(qū)水文、工程地質(zhì)概況及井壁破裂的特征

1.1 研究區(qū)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)特征

根據(jù)工業(yè)廣場各種鉆孔資料統(tǒng)計分析，第四系松散表土層厚度為235.0～289.8m，土層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般可分為三個隔水層和四個含水層共七個工程地質(zhì)巖組。主要水文與工程地質(zhì)特征如下：

（1）一含受地表水及大氣降水的直接補給，每年枯豐期水位有2m 左右的波動，二含平均厚度較薄、底板平均埋深小，根據(jù)工廣及附近水源井統(tǒng)計資料，從建井初期到井壁破裂出水，二含水位最大降深5.2m，水位變化小，故失水導(dǎo)致的壓縮變形微乎其微。三含砂層較純，骨架強度高，壓縮模量大，其結(jié)構(gòu)特點決定了三含失水亦不會產(chǎn)生較大的壓縮變形[10]。

（2）含、隔水層的交界面因含水層的疏排水導(dǎo)致孔隙水壓減小，但隔水層堅硬、密實的工程地質(zhì)特性使其并不會向相鄰含水層產(chǎn)生滲流而壓縮。

（3）四含下部常發(fā)育有一厚度變化大，分布極不穩(wěn)定的強風(fēng)化帶，在一些薄弱或尖滅地段易與基巖的原生與次生裂隙形成“優(yōu)勢水流通道”，使得四含在一定水動力條件下以越流下滲的方式泄入礦井。

（4）第三隔水層層位穩(wěn)定，工廣范圍揭露厚度為47.2～98.2m，含水率較小，液性指數(shù)小于零，呈堅硬狀態(tài)，為區(qū)域性良好隔水層，使得四含與第三隔水層以上含水層失去水力聯(lián)系。

（5）四含粒度成分極不均勻，其組成結(jié)構(gòu)特點決定了其水壓下降，內(nèi)部擁有自由重力水的粘土質(zhì)砂、砂礫層、粗砂等必然會產(chǎn)生較大的壓縮變形。圖1為該副井附近地表沉降與四含水位下降關(guān)系曲線，可以看出，兩者關(guān)聯(lián)性非常明顯，呈同步的下降趨勢。

綜上所述，四含以上含、隔水層均不會造成較大的壓縮變形，工業(yè)廣場地面沉降的主要原因是四含失水壓縮固結(jié)“攜迫”上覆土體同步下沉造成的，這一點已在圖1中兩者呈高度正相關(guān)關(guān)系可見一斑。由于井壁坐落于堅硬的基巖中，相當(dāng)于固定支撐端，井壁在破裂前不能隨地層同步下沉，使得井壁與表土層間存在著一個相對滑動量，宏觀上對固立于基巖壁座上的井筒產(chǎn)生了一個負(fù)摩阻力，即豎直附加應(yīng)力。

圖1 地表沉降與四含水位下降關(guān)系曲線

1.2 副井井壁破裂特征

該煤礦副井井筒采用凍結(jié)法施工，壁座以上為雙層井壁，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，井壁破裂特征如下：井壁混凝土開裂、脫落；內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋外露，間距減??；縱向鋼筋有明顯向井筒內(nèi)凸出、錯動跡象；破裂帶呈近似水平環(huán)狀；如圖2所示。根據(jù)莫爾強度理論可知[11]，當(dāng)井壁破裂是由水平地壓引起時，其主破裂面應(yīng)沿井壁軸向分布，且破裂面與井壁環(huán)向切線方向的夾角為25°～35，這顯然與實際情況不符，當(dāng)井壁破裂是由豎向荷載引起時，其破裂面應(yīng)沿井壁的環(huán)向發(fā)展，表現(xiàn)為環(huán)向破裂帶，這與現(xiàn)場破裂特征相吻合，從而說明豎向荷載是導(dǎo)致井壁破裂的主控因素。

圖2 煤礦副井井壁破裂現(xiàn)場圖

2 四含疏水沉降時的井壁受力分析

只有系統(tǒng)的分析、歸納和總結(jié)破裂井筒圍土的水文、工程地質(zhì)特性，找到了誘發(fā)井筒破裂的主控因素，在此基礎(chǔ)上建立有關(guān)井筒破裂的力學(xué)模型才能客觀、全面地反映其原型條件。

該煤礦副井井筒內(nèi)徑R=3.0m，外徑R0=4.0m，井筒穿過松散層厚度約為244m，井筒周圍的地層主要為粘土質(zhì)砂層，松散層下部為一厚度為28m的含水層，根據(jù)黃家會等的相似模擬實驗[12]，井壁的平均豎直附加力fn與含水層水壓下降量Δp近似呈正比關(guān)系，即：

式中：b——回歸系數(shù)，kPa/MPa，在模擬深度為244m，井筒圍土主要為粘土質(zhì)砂的情況下取b=122.1。

該井從建井起初到井壁破裂出水，井筒附近四含水頭累計下降70m即（Δp=0.7MPa），故

深部土層失水變形時土與井壁的相互作用是從深部開始的，深部相互作用位移大，可進入塑性變形[13]。故在極限狀態(tài)下，井壁與四含之間會首先出現(xiàn)相對滑動，由于井壁外緣十分粗糙，可認(rèn)為是四含（實際上有一定寬度的接觸帶）產(chǎn)生塑性破壞所引起的，可根據(jù)莫爾庫倫準(zhǔn)則，計算井壁與松散層之間的摩擦力fn2[14]為：

式中：P′——作用在井壁的水平荷載，MPa，根據(jù)深厚表土層中立井建設(shè)工程實踐，按重液地壓經(jīng)驗公式[15]計算立井地壓P′=γz；

γ——水土混合重液的容重，一般取為11～13kN/m3，此處取γ=11kN/m3；

z——計算點的深度，此處取三隔與四含交界面埋深，即松散層的厚度z=244m；

φ、c——四含與井壁接觸帶的粘聚力和內(nèi)摩擦角，根據(jù)室內(nèi)實驗測得：c=70kPa，φ=16°。

當(dāng)井壁豎向受力達到其極限強度時，井壁就會產(chǎn)生破裂，因此fn的最大值應(yīng)等于fn1與fn2中的最小值，即：

根據(jù)公式（2）和（3）計算結(jié)果fn1=85.5kPa ＜fn2=789.2kPa，故取fnmax=fn1。

在fn作用下井壁所受的最大豎直附加應(yīng)力σz為：

當(dāng)四含水位下降70m時井壁所受最大豎直附加應(yīng)力達23.8MPa，加上一般井壁自重應(yīng)力和井塔重所引起的應(yīng)力之和（8MPa），會超過井壁鋼筋混凝土強度(一般允許強度為23～30MPa)，井壁便開始破裂。

3 井壁破裂的機理與防治

根據(jù)四含失水沉降時的井壁受力分析、井壁破裂實際情況，可對井壁初次和重復(fù)破裂機理做如下剖析（圖3）。

圖3 井壁破裂機理與地面注漿加固分析圖解

井筒穿過第四系深厚表土244m，在四含失水之前，井壁豎向只受其自重應(yīng)力和井塔重力σ1+σ2=8MPa，由于井壁設(shè)計時已考慮過它們的存在，故σ1+σ2是不足以引起井壁破裂的。隨著四含的疏水降壓，井壁會受到豎直附加應(yīng)力σ3的作用，并隨著四含水位下降的增大而增大（圖中OA段）。當(dāng)t1時刻，即四含失水70m 時，σ1+σ2+σ3達到井壁所能承受的極限附加應(yīng)力σf=31.8MPa 時，井壁產(chǎn)生第一次破裂（副井井筒于2018年6月初次破裂），井壁附加應(yīng)力得到了部分釋放，降至σr(即殘余附加應(yīng)力，并有σr＜σf=31.8MPa)；由于四含疏排水的繼續(xù)，且井壁與土接觸面剪切強度并沒有因第一次井壁破裂而降低，井壁附加力又以一定規(guī)律發(fā)展（圖中BC段）；如果在井壁第一次破裂后的t2時刻對井壁破裂段進行治理（2018年12月對井壁破裂段開設(shè)卸壓槽）。根據(jù)文獻[16]，卸壓槽可以釋放和衰減井壁縱向應(yīng)力；井壁附加應(yīng)力會進一步釋放(圖中DE段)，減至σw，由于卸壓槽僅局限于井壁本身，對阻止井筒外側(cè)地表沉降不起作用，在四含水頭進一步降低的情況下應(yīng)力會重新集聚，并沿曲線EF的趨勢發(fā)展。在未來t4時刻井壁所受的豎直附加應(yīng)力可能會再次達到井壁所能承受的極限強度而破壞。

工程實踐證實，地面注漿可以達到預(yù)防和治理井壁破裂的目的。故可在t3時刻對含水層進行地面注漿，因大量漿液的擠入，使上覆地層向上位移或產(chǎn)生上移趨勢，井壁附加應(yīng)力得以緩釋（圖3中GH段），附加應(yīng)力減至σw1，若不考慮地面注漿加固對抑制四含失水的作用，附加力將沿曲線HI的趨勢發(fā)展，井壁可能推遲到t5時刻發(fā)生破裂。事實上，地面注漿能起到對立井井筒周圍底部含水層和風(fēng)化帶的整體加固作用，減小了四含因疏排水而產(chǎn)生的壓縮量，從而減小上覆土層的下沉速率，井壁附加力隨時間增長的斜率必將產(chǎn)生變化（曲線HJ），因此，地面注漿具有抑制附加應(yīng)力（t時刻為m）和緩釋附加應(yīng)力（t時刻為n）的雙重效應(yīng)，從而最大限度地延緩井壁附加應(yīng)力的積聚，保證生產(chǎn)期間井壁的安全。

4 結(jié)論

（1）深厚表土層四含失水是導(dǎo)致臨渙礦區(qū)煤礦厚松散層井壁破裂的主控因素。

（2）采用解析分析計算了四含失水時井壁的豎直附加應(yīng)力，認(rèn)為井壁豎直附加應(yīng)力隨四含水位降深的增大而增大，并最終達到井壁的破裂極限，

（3）揭示了該礦立井井筒破裂的力學(xué)機理，并提出相應(yīng)的治理措施，認(rèn)為地面注漿加固有“抑制”和“緩釋”井壁附加應(yīng)力的雙重效應(yīng)。