深部黏土層對(duì)立井井筒周圍地表長(zhǎng)期沉降的貢獻(xiàn)分析

車 平 刁志翔 王奇石 商翔宇

(1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局,江蘇 南京 210007;2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;3.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

華東礦區(qū)是我國非常重要的煤炭能源基地。自1987年以來,該礦區(qū)相繼發(fā)生井筒破裂100余處,嚴(yán)重影響了礦區(qū)的安全生產(chǎn)。為此,學(xué)者們圍繞立井井筒的破壞機(jī)理開展了大量研究。目前,附加應(yīng)力破壞理論已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可[1]:即底部含水層疏水引發(fā)周圍土層固結(jié)和沉降,沉降地層在立井井筒上施加豎直向下的附加應(yīng)力,附加應(yīng)力與井筒原有的應(yīng)力疊加,導(dǎo)致井筒破裂。在此基礎(chǔ)上,學(xué)者們開發(fā)出多種有效技術(shù)措施來防治井壁破裂[2,3]。然而,經(jīng)修復(fù)加固后的破裂井壁僅能在不確定的一段時(shí)間內(nèi)安全運(yùn)行,并且?guī)缀醪豢杀苊獾貢?huì)再次發(fā)生破裂[4]。歸根結(jié)底,這是由于井筒周圍地層長(zhǎng)期持續(xù)沉降造成的。

已有大量研究表明,底部含水層疏水是造成立井井筒周圍深厚地層沉降的主要原因[1,5,6]。也有關(guān)于立井井筒周圍不同深度地層變形對(duì)地表長(zhǎng)期沉降貢獻(xiàn)的研究。李文平和于雙忠分析認(rèn)為,深埋黏土天然含水量小于吸附結(jié)合水含量,因而可能不具有壓縮性[7];但李定龍分析認(rèn)為,底部含水層上、下的微弱隔水黏土層中部分弱結(jié)合水會(huì)隨底部含水層和下覆裂隙基巖水位的下降而逐漸釋放[6]。王秀艷等試驗(yàn)研究指出,深層黏土中以結(jié)合水為主,但仍能釋水壓縮[8];許延春等[5]的實(shí)測(cè)結(jié)果指出,底部含水層深部砂土及相鄰深埋黏土的壓縮變形是地表沉降的主要來源。柴敬和楊金宏等[9,10]基于光纖技術(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也表明,厚度較大的深部砂土和黏土層均壓縮明顯。由以上文獻(xiàn)分析可知,深部黏土地層的壓縮變形很可能對(duì)井筒周圍地表長(zhǎng)期沉降有貢獻(xiàn),但具體貢獻(xiàn)占比如何? 伴隨著井壁的局部破裂,其在井筒整個(gè)服役周期內(nèi)將如何變化? 這些問題的正確解答對(duì)于井筒治理工作具有重要意義[4],但目前尚未有相關(guān)研究報(bào)道。

筆者擬利用模擬方法,對(duì)華東礦區(qū)孔莊煤礦主井井筒周圍地表長(zhǎng)期沉降進(jìn)行模擬對(duì)比研究,以期初步回答前述問題,所獲研究結(jié)論對(duì)破裂立井井筒的長(zhǎng)期安全管理有借鑒意義。

1 立井井筒周圍地表長(zhǎng)期沉降數(shù)值模型

1.1 孔莊主井基本地質(zhì)條件

孔莊煤礦主井于1975年4月投入生產(chǎn),井筒深度465.8 m,井筒凈直徑5.00 m。根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料[14],貫穿主井井筒的第四系表土層厚度約為156 m,主要由黏土、砂質(zhì)黏土及砂層組成。根據(jù)實(shí)際情況及研究需要,為簡(jiǎn)化計(jì)算,將相似相近地層進(jìn)行合并,從而將實(shí)際地層簡(jiǎn)化為7個(gè)含水層及6 個(gè)弱透水層,其組成、厚度及埋深如表1所示。

表1 簡(jiǎn)化后的地層分布

1.2 數(shù)值模型采用的簡(jiǎn)化假設(shè)

由于該井筒建設(shè)年代較遠(yuǎn),缺少必要的土層力學(xué)和水力試驗(yàn)結(jié)果,本文假設(shè):①各弱透水層和含水層分別假設(shè)為同類均質(zhì)黏土和砂土,除了先期固結(jié)壓力和初始孔隙比不同外,其他力學(xué)參數(shù)均相同,滲透系數(shù)由孔隙比決定;②假定含水層及弱透水層均為正常固結(jié)狀態(tài)的飽和土體;③假設(shè)模擬土層的力學(xué)性質(zhì)和滲流性質(zhì)均為各向同性,土中水的運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律;④忽略地表建筑對(duì)地面沉降的影響;⑤根據(jù)該煤礦水文地質(zhì)資料,僅考慮地層靜水壓力;⑥主要關(guān)注井筒周圍地層的長(zhǎng)期沉降變形,不考慮大氣降水對(duì)淺部含水層孔隙水壓的波動(dòng)影響[1]。

1.3 數(shù)值模型的建立

計(jì)算基于商用有限元軟件ABAQUS 進(jìn)行,模型按常用的比奧固結(jié)理論,考慮滲流固結(jié)耦合作用;采用空間軸對(duì)稱模型,選用二階精度的減縮積分位移-孔壓耦合單元;模型高度取為156 m(與實(shí)際表土層厚度相同),模型寬度取為50 m(根據(jù)最遠(yuǎn)沉降觀測(cè)點(diǎn)距井筒的距離),因模型網(wǎng)格劃分相對(duì)規(guī)則,故不再給出圖示。參考該煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)年限,模型總模擬時(shí)間為100 a。

需要確定表1所示土層的力學(xué)參數(shù)以及滲流參數(shù)。土體采用修正劍橋模型,其中黏土力學(xué)參數(shù)見表2,系由前期同地區(qū)深部黏土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定[15]。其中,λ是臨界狀態(tài)線在v-lnp′平面(v為比容,p′為有效平均應(yīng)力)上的斜率,κ是卸載曲線在v-lnp′平面上的斜率,M是臨界狀態(tài)線在p′-q平面(q為等效偏應(yīng)力)上的斜率,e1是正常固結(jié)曲線在p′=1 kPa時(shí)的孔隙比,β是控制p′-q平面上屈服面形狀的參數(shù),K是控制偏平面上屈服面形狀的參數(shù),ν是泊松比。

表2 黏土力學(xué)參數(shù)

模型的砂土力學(xué)參數(shù)則參考文獻(xiàn)中典型標(biāo)準(zhǔn)砂的臨界土力學(xué)參數(shù)[16],具體見表3。

表3 砂土力學(xué)參數(shù)

由于不同深度土層的滲透系數(shù)不同,因此,考慮滲透系數(shù)隨孔隙比的非線性變化,具體變化規(guī)律采用作者前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[17]:

SPME獲得的樣品于安捷倫GC*GC-Q-TOF(7890B/7200型)進(jìn)行分析。調(diào)制周期：3 s；熱噴時(shí)間：350 ms。一維色譜柱為HP-5ms，30 m×0.25 mm×0.25 μm；二維色譜柱為DB-17HT，1.8 m×0.1 mm×0.1 μm。溶劑延遲時(shí)間：3 min，不分流進(jìn)樣，載氣為He，流速：1 mL/min。進(jìn)樣口溫度為250 ℃。升溫程序?yàn)?0 ℃保持2 min，5 ℃/min升至270 ℃，保持10 min，共58 min。質(zhì)譜為EI源，接口溫度：280 ℃，掃描范圍：40～700 m/z。

黏土的滲透系數(shù)由公式(1)計(jì)算,而砂土則參照經(jīng)驗(yàn),取有相同孔隙比黏土滲透系數(shù)的3倍。

模型的定界條件包括初始條件和邊界條件。其中模型初始條件包括各地層的初始豎向有效應(yīng)力、初始孔隙比、初始孔壓和初始干密度等,根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)情況以及前期深部土壓縮試驗(yàn)結(jié)果[17]確定,具體見表4。

表4 各地層的初始條件

模型邊界條件包括位移邊界條件以及水力邊界條件,其中,位移邊界條件較為常規(guī),模型上邊界豎向可自由移動(dòng),而水平方向固定;模型底部設(shè)定為剛性基座,水平與垂直方向均不可移動(dòng);模型左、右邊界垂直方向可移動(dòng),水平方向固定。水力邊界條件對(duì)地表長(zhǎng)期沉降模擬相當(dāng)關(guān)鍵,因此,下文著重介紹模型水力邊界的考慮與確定。

模型上部水力邊界較易確定,設(shè)為排水邊界,而底部水力邊界則需要根據(jù)工程實(shí)際區(qū)分不同情況。首先,工程實(shí)測(cè)資料表明,該煤礦底部含水層水位多年來一直持續(xù)下降,很可能是造成地層沉降的主要因素,因此,僅將底部設(shè)為孔壓降低邊界條件,記為邊界條件1。其次,該煤礦主井井筒內(nèi)實(shí)際淋水觀測(cè)表明,靠近底部含水層的上臨含水層很可能沿破裂井筒外壁與底部含水層形成水力聯(lián)系,李定龍也曾分析指出,地層水可能在底部含水層附近產(chǎn)生向井筒微裂隙的滲流運(yùn)動(dòng)[6]。因此,本模型將最靠近底部的含水層⑥也設(shè)置為疏水地層,其水位下降量為底部含水層的1/4,將底部含水層和含水層⑥孔隙水壓力同時(shí)下降,記為邊界條件2?？梢?上述底部水力邊界條件1對(duì)應(yīng)于“單純底含失水”疏水條件,而上述水力邊界條件2則對(duì)應(yīng)于“底含失水+井筒破裂失水”的疏水條件。

目前,孔莊煤礦主井僅有近10 a的附近水文觀測(cè)數(shù)據(jù)(見圖1)。數(shù)據(jù)表明,2008年到2018年底含水層水位下降8 m,即其水頭降低80 k Pa;此外,實(shí)際運(yùn)營結(jié)果顯示,隨著井筒服役時(shí)間的不斷增長(zhǎng),井壁損壞程度日益加大,井筒的涌水量不斷增加,水位下降速度越來越快,有理由推斷近10 a是水位下降最多的10 a。據(jù)此分析,水力邊界條件1可由圖2所示的底含上邊界孔壓變化曲線表示,即前40 a的水位每10 a分別下降1 m、2 m、4 m、8 m,相應(yīng)底部含水層水頭降低分別為:10 k Pa、20 kPa、40 k Pa和80 k Pa。水力邊界條件2的具體數(shù)值可以根據(jù)前述假設(shè)由邊界條件1確定。

圖1 底含水位變化

圖2 底含上邊界孔壓變化

2 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比與分析

通過模型前40 a的模擬結(jié)果與已有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇浴?/p>

2.1 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比

自2005年以來,礦方在孔莊主井井塔四周布置有4個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)(即主1～主4),并在距井筒約30 m 處布置沉降測(cè)點(diǎn)N6,由于觀測(cè)期間部分測(cè)點(diǎn)被破壞,目前,只有主2和N6測(cè)點(diǎn)近10 a的數(shù)據(jù)最為完整。由于主井井塔的基礎(chǔ)和井筒本身相互分離,即井塔的沉降和井筒沉降無關(guān),故監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可反映地層沉降。

模擬含水層疏水的第30～40 a可以大致對(duì)應(yīng)為2008～2018年(目前僅有該時(shí)間段的數(shù)據(jù)),為了與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,將井筒周圍主2、N6測(cè)點(diǎn)的實(shí)際監(jiān)測(cè)值和地層沉降模擬值分別繪于圖3中。

圖3 模擬和實(shí)測(cè)地表沉降對(duì)比

由圖3可以看到,主2和N6兩點(diǎn)的實(shí)際監(jiān)測(cè)值盡管不完全重合,但其趨勢(shì)基本相同,并且過去十年的總沉降量也基本相同。這意味著,實(shí)測(cè)地表沉降有相當(dāng)比例源自于深部土層壓縮變形的貢獻(xiàn),進(jìn)而使得井筒-地層相互作用對(duì)上述兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際沉降變形影響差異較小,因此,兩者沉降規(guī)律大致相當(dāng)。

對(duì)比模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)值可以看到,前述兩類水力邊界條件所對(duì)應(yīng)的模擬沉降規(guī)律和實(shí)際沉降規(guī)律均較為接近,模擬結(jié)果與實(shí)際沉降的最大相對(duì)誤差為-16.7%～+28.3%。考慮到前述所采用的模型參數(shù)均由類比法選取,而且水力邊界條件是由實(shí)測(cè)水位下降推出,不可避免地會(huì)造成模擬結(jié)果和實(shí)際值存在偏差,但兩者總體規(guī)律較為接近,因此,可以認(rèn)為模型基本合理。由圖3可以看到,近10 a內(nèi),實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降量約為60 mm,邊界條件1的模擬沉降量約為50 mm,而邊界條件2模擬沉降量約為87 mm,由此可見,考慮井筒破裂新增失水通道會(huì)明顯增大總地表沉降量。

含水層疏水不僅會(huì)引起其自身的壓縮,而且還導(dǎo)致相鄰[5,9,13]甚至更遠(yuǎn)含水層和弱透水層的固結(jié)壓縮。為了分析各土層特別是黏土層對(duì)地表沉降的貢獻(xiàn)量,對(duì)比了這兩種水力邊界條件下前40 a各層的具體貢獻(xiàn)值(如圖4所示),圖4中橫軸h代表“含水層”,r代表“弱透水層”?？梢?無論何種水力邊界條件情況下,深部弱透水層即深部黏土地層對(duì)地表沉降的貢獻(xiàn)均較大,具體而言,在邊界條件1下,深部黏土地層對(duì)地表沉降的貢獻(xiàn)值約為80%,而在邊界條件2下,深部黏土地層對(duì)地表沉降的貢獻(xiàn)值約為70%,而含水層的貢獻(xiàn)值較低,其原因在于,含水層是由砂土組成,其埋深較深,砂土較為密實(shí),砂土的孔隙總體較小,因此,沉降量相對(duì)較小?？偠灾?砂土與黏土交替出現(xiàn)的深厚地層中,總的地表沉降中深部黏土層的貢獻(xiàn)相當(dāng)可觀。

圖4 過去40 a各地層沉降貢獻(xiàn)值

此外,可以看到,如果只有底部含水層疏水,緊臨底部含水層的弱透水層⑥會(huì)成為對(duì)地層沉降貢獻(xiàn)最大的地層,并且與其他地層有著很大的差異,導(dǎo)致這種差異的主要原因是:由于弱透水層⑥的埋深相對(duì)較大,有效應(yīng)力大、孔隙比小,相應(yīng)的滲透系數(shù)非常低,孔隙水滲流速度極其緩慢,短期內(nèi)不會(huì)影響上覆含水層和弱透水層中孔隙水的運(yùn)動(dòng),更不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)一步造成更遠(yuǎn)的上覆地層的大量沉降;而如果含水層⑥也疏水,即為邊界條件2,則緊臨含水層⑥的弱透水層⑤和⑥都將成為對(duì)地表沉降貢獻(xiàn)最大的兩個(gè)地層,并且與其他地層之間的差異也有逐漸縮小的趨勢(shì);可以預(yù)測(cè),當(dāng)井筒中存在多處漏水或下部多個(gè)含水層之間存在水力聯(lián)系時(shí),地層沉降速率將更快,并且每個(gè)地層的貢獻(xiàn)將相對(duì)更加均勻。

2.2 服役周期內(nèi)井筒未來地表沉降預(yù)測(cè)分析

上述模型前40 a的模擬結(jié)果與已有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比表明了模型的合理性。以此為基礎(chǔ),模型后60 a的計(jì)算結(jié)果可以作為預(yù)測(cè)該井筒周圍地層長(zhǎng)期沉降規(guī)律的合理依據(jù)。

考慮一種理想的極限情況:第40 a之后,地層經(jīng)過加固、井筒經(jīng)過治理,底部含水層原有的以及井筒破裂新增的疏水通道均被關(guān)閉,不再疏水,即上述相應(yīng)邊界孔隙水壓不再變化。圖2 中40～100 a的水平線段給出了相應(yīng)的底部含水層孔壓。

模擬獲得的后60 a及前40 a地層的平均沉降速率見表5,各個(gè)地層沉降貢獻(xiàn)值見圖5,總體沉降曲線見圖6?？梢钥吹?盡管含水層不再疏水,但其內(nèi)部孔隙水壓在重新平衡的過程中,其上覆地層的壓縮潛力逐漸釋放,沉降量持續(xù)增加。由于砂土滲透系數(shù)相對(duì)較大、變形較易穩(wěn)定,因此,每個(gè)含水層的后期貢獻(xiàn)值均較小,甚至之前疏水的含水層已經(jīng)停止下沉,而黏土層由于滲透系數(shù)小、壓縮性大,隨著時(shí)間的增加,其貢獻(xiàn)值逐漸增加。具體而言,在未來60 a內(nèi),弱透水層對(duì)地層沉降的總貢獻(xiàn)率將達(dá)到90%。由表5 和圖6可知,在水力邊界條件1情況下,井筒周圍地表的沉降速率在整個(gè)井筒工程服役期限內(nèi)變化幅度很小;在水力邊界條件2情況下,后60 a的沉降速率較前40 a的降低也不足30%,這歸因于圖5中所示的黏土地層對(duì)井筒周圍地表沉降的貢獻(xiàn)具有長(zhǎng)期性。由此可見,含深厚黏土地層的長(zhǎng)期沉降性質(zhì)決定了井筒破裂治理也將是個(gè)長(zhǎng)期、多次的過程[4]。

圖5 未來60 a各地層沉降貢獻(xiàn)值

圖6 0～100 a模擬沉降曲線

表5 地層平均沉降速率

除上述計(jì)算模型外,筆者采用類似方法對(duì)徐莊煤礦主井周圍地層的長(zhǎng)期沉降變形也進(jìn)行了模擬計(jì)算,所獲結(jié)論與本文結(jié)果相近[18]。

3 結(jié) 論

筆者對(duì)孔莊煤礦主井周圍地表長(zhǎng)期沉降進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,圍繞深立井周圍地表沉降中深厚黏土層的貢獻(xiàn)、井筒破裂新增失水通道對(duì)地表沉降的貢獻(xiàn)等問題,開展了數(shù)值模擬,并與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析,獲得了如下結(jié)論:

對(duì)孔莊煤礦主井的模擬結(jié)果表明,2008～2018年的井筒周圍地層沉降模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)一致,量值相當(dāng),表明模型較為合理;模擬結(jié)果顯示:深厚黏土地層在立井井筒周圍地表沉降中貢獻(xiàn)顯著,前40 a內(nèi),與疏水含水層相鄰的深部黏土層壓縮變形顯著,其壓縮量占地層總沉降量的70～80%;即使是在考慮含水層不再疏水的理想極限情況下,后60 a內(nèi),地層沉降速率依然可觀,且與前40 a內(nèi)疏水含水層相距較遠(yuǎn)的弱透水層也產(chǎn)生了壓縮變形,其中,黏性弱透水層的壓縮變形對(duì)立井周圍地表沉降的總貢獻(xiàn)率達(dá)到了90%。此外,由于井筒破裂造成的新失水通道會(huì)加速總的地表沉降,對(duì)未來長(zhǎng)期沉降有顯著影響。