兴隆庄煤矿副井井筒安全性评价方法及治理

官云章,李旭东,许延春,郝亦纯

(1.兖矿集团地质测量部,山东邹城 273500;2.中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院,北京 100083)

兴隆庄煤矿副井井筒安全性评价方法及治理

官云章1,李旭东2,许延春2,郝亦纯2

(1.兖矿集团地质测量部,山东邹城 273500;2.中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院,北京 100083)

为了确定兴隆庄煤矿副井井筒的安全性,提出了井筒破裂可能性的预测方法。采用了卸压槽压缩量、治理工程服务年限、水位降及地层压缩量因素等判断井筒破裂的可能性,并利用模糊数学将多因素判别变为单因素判别,提高了评价和预测的准确性。评价结果表明,兴隆庄煤矿副井井筒 2008年底具有破裂的可能性,应进行预防性治理工程。兴隆庄煤矿依据治理方案对副井进行了治理,保证了井筒安全。

井筒破裂;评价方法;治理

黄淮地区是我国重要的煤炭能源基地,分布有淮南、淮北、大屯、徐州、枣庄、兖州和邢台等大型矿区,建有井筒数百个,年产煤量数亿吨。然而,自 1987年淮北临涣矿区、大屯矿区突发立井井筒破裂灾害以来,该地区发生过破裂的井筒已有近百个[1]。

立井井筒是矿井的咽喉,是地面与井下连接的重要通道,井筒的破裂容易造成人员伤亡事故和重大的经济损失。为避免事故发生,煤矿企业及科研机构对井筒破坏机理及治理方法进行了大量研究和实践工作[2-6]。经研究表明,黄淮地区井筒破裂或多次破裂的机理基本相同,即“竖直附加力”说:在第四系松散层下部存在与基岩有水力联系的含水层,在这种特殊条件下,由于井巷工程和开采活动造成该含水层的水位持续下降,引起该含水地层及周围土层固结压缩,从而引发上覆地层沉降。与此同时,沉降地层对井壁外表面作用有竖直向下的附加力 (负摩擦力),导致井壁内产生附加压应力,该附加力是在井壁设计时没有考虑到的,这是井壁破裂的主要因素。

兴隆庄煤矿隶属兖州矿区,其副井井筒已经进行过 2次预防性破坏治理工程。为保证副井的安全性和稳定性,需对 2008年底井筒破裂可能性做出评价和预测。由于目前尚未形成评价与预测井筒再次破坏的较好标准,是尚待研究与探索的科技问题之一。本文作者根据兴隆庄煤矿的实际情况,提出了几种评价方法。这些方法对黄淮地区其他矿井井筒的预防性治理工程具有推广借鉴意义。

1 副井井筒的基本情况

兴隆庄煤矿副井 1997年 6月 26日开始出现破坏现象,之后采用“破壁注浆 +卸压槽”的预防性治理方案对副井井筒进行了第 1次治理。治理过程中,实际注入水泥 323.6t,水玻璃 17.0t,卸压槽高度 400mm,采用沥青防腐的松木块作为压缩木,高度为 380mm。2002年 12月副井卸压槽压缩量已达到设计值,为保证矿井安全生产,兴隆庄煤矿采用“化学注浆 +原位扩槽”的治理方案对副井井筒进行了第 2次治理。治理中,实际注入化学浆液 52.0t,在原位将卸压槽高度扩为 520mm,压缩木高度为500mm。

2007年底,兴隆庄煤矿副井卸压槽出现局部渗水现象,2008年 10月整个卸压槽开始渗水,并有逐渐增加的趋势。为保证副井安全,需对井筒发生再次破裂的可能性进行分析评价。

2 评价方法

根据兴隆庄煤矿的实际情况及黄淮地区井筒发生破裂和再次破裂的机理,从卸压槽压缩量、水位降、地层压缩量及治理工程服务年限等多个方面,对副井井筒的安全性进行了评价,并通过模糊数学评价法将多因素转化为单因素进行判别,增加了评价的准确性。

2.1 卸压槽压缩量

对于以卸压槽为主的治理工程,卸压槽是否有效是一个重要指标。设计卸压槽的极限压缩量为卸压槽高度的 30%左右,根据兴隆庄煤矿和杨村煤矿经验,如果卸压槽的压缩量大于卸压槽高度的25%,则需准备破裂防治工程。

根据副井第 2次治理后卸压槽累计压缩量,绘制图1。

图1 副井卸压槽累计压缩曲线

根据观测结果,整理副井卸压槽累计压缩量与时间的关系,通过多项式拟合曲线,得副井卸压槽的回归公式为:

式中,x为时间 (月),以 2003年 1月 28日为起始点;R2为相关系数。

预计 2008年 12月 31日时 (x=71个月),卸压槽的累计压缩量为 y=121.5mm。

预计 2009年 6月 30日时 (x=77个月),卸压槽的累计压缩量为 y=134.8mm。

副井卸压槽高度为 520mm,按 30%压缩率,设计压缩量为 156mm,2009年 6月 30日卸压槽压缩量将达到 134.8 mm,为卸压槽高度的 25.9%,达到卸压槽设计压缩量的 86.4%。根据兴隆庄煤矿以往治理经验大于 25%卸压槽高度时,可实施防治工程,即 2009年上半年需实施井筒破坏防治工程。

2.2 治理工程服务年限

是否接近或达到上次井筒破坏治理工程的服务年限,是一个综合性的指标,如果井筒最后一次治理后远没达到治理工程的设计服务年限或也未达到前次治理工程的实际服务年限,则破坏可能性低。

整理副井井筒治理工程服务年限,见表 1。

表 1 兴隆庄煤矿副井井筒服务年限

至 2008年底副井第 2次防治工程的服务年限为 6a,已经超过设计的治理工程服务年限,并且已经超过了第 1次治理工程的实际服务年限。因此,判断至 2008年底副井应该准备实施第 3次治理工程。

2.3 水位下降量

第四系松散层底的含水层 (“三含”)水位下降是松散地层压缩和井筒破坏的动力,是矿井观测时间最长、取得资料最丰富的相关参数。如果水位下降量已大于第 1次治理服务年限期间的水位降,则井筒有出现再次破坏的可能性。然而各观测孔水位有时存在较大的差异。

整理兴隆庄煤矿副井第 1次治理后至开始第 2次井筒破坏治理期间的“三含”水位下降量,第 2次破坏治理后至 2008年底的“三含”水位下降量,见表 2。2008年 12月 31日各水文孔水位根据日常观测数据拟合预计得到,其他时间点水位由实际观测得到。

表2 Q下水位因素分析

由表 2可知:Q下-5,Q下-6和Q下-11的水位降已经分别达到上次治理水位降的 125.0%, 91.1%和 59.0%,表明副井需要治理的可能性大。

2.4 地层压缩量

根据实测结果,兴隆庄煤矿主井第 1次治理工程结束至第 2次开始治理期间 (1997年 11月 -2001年 9月)卸压槽累计压缩量 107mm,地层压缩量 197mm,两者之比为 0.54。

主、副井附近实测 (2001年 7月 16日—2005年 11月 12日)地层压缩速率为 4.66mm/月。副井第 2次治理完毕至 2008年年底 (2002年 12月29日—2008年 12月 31日),共 72个月,预计地层压缩 335.52mm,需要卸压槽压缩量为335.52mm×0.54=181.18mm,超过卸压槽设计压缩量 156mm(按 30%压缩率)。因此,副井应当治理。

2.5 模糊数学评价

模糊数学是研究和处理模糊现象的科学,其所揭示的是客观事物之间差异的中介过渡性引起的划分上的一种不确定性。井筒可分为已经破裂和尚未破裂 2类,井筒破裂是由地层结构性质、变形沉降、水位变化和井筒结构等诸多因素共同决定的,而且各因素发展的程度与井筒发生破裂具有非线性关系特征。因此,采用模糊聚类的方法,通过建立模糊关系将客观事物予以分类,并且变多因素判别为单因素判别,提高了评价和预测的准确性。

井筒初次破裂治理后由于增加了治理工程的影响因素,因此,评价和预测井筒再次破裂更加复杂。根据对井筒多次破裂的认识,选择 8个影响因素:井筒直径 (Y1)、冲积层厚度 (Y2)、水位降(Y3)、卸压槽压缩率 (Y4)、多处破裂 (Y5)、服务年限率 (Y6)、治理方式 (Y7,“0”为卸压槽法、“1”为套壁法)、冲积层压缩速率 (Y8),对兴隆庄煤矿副井 2008年底破坏可能性进行评价,评价结果见表 3。由表 3得:

表3 已经破坏井筒的评价

(1)聚类评价值越大,表明井筒破坏的可能性越大;

(2)已经破坏的井筒,除兴隆庄煤矿东风井采用套壁治理法其聚类值 (0.088)较小外,其他聚类评价值均大于 0.110,评价的兴隆庄煤矿副井的聚类值为 0.163,已经大于 5个已知破坏的井筒样本,表明到 2008年底副井破坏的可能性较大,需要积极准备扩大卸压槽施工。

3 治理施工

经过以上评价认为副井井筒 2008年底具有破坏的可能性,应加强对井筒的日常观测并制定治理措施。经研究治理措施为:扩大埋深 194.4m(标高 -145.2m)处卸压槽 (更换压缩木),设计卸压槽高度为 520mm,压缩木高度为 500mm;为增强井壁防水能力,确保扩卸压槽时的施工安全,在标高 -141.8～-145.8m范围内进行壁后马丽散化学注浆。注浆孔布置见图 2。之后,兴隆庄煤矿对其副井进行了第 3次治理工程,确保了井筒安全。

图2 马丽散注浆孔布置

4 结论

井筒是矿井的咽喉,如发现渗水和破裂等现象应及时治理,以免造成人员伤亡和财产损失。评价井筒破裂可能性,特别是井筒再次破裂可能性是比较复杂的问题,没有统一的标准可遵循。通过对兴隆庄煤矿副井井筒安全性评价及治理措施的实施,有效地确保了井筒安全。上述评价方法对黄淮各矿区的井筒安全性评价具有借鉴和推广意义。

[1]倪兴华,许延春,王同福,等 .厚冲积层立井破裂机理与防治 [M].北京:煤炭工业出版社,2007.

[2]席京德,许延春,官云章,等 .注浆法治理井筒破坏的理论分析 [J].建井技术,1998(4).

[3]王树常,葛洪章 .兖州矿区立井井壁破裂的原因分析及防治[J].中国矿业大学学报,1999(5).

[4]苏 骏,程 桦 .疏水沉降地层中井筒附加力理论分析[J].岩石力学与工程学报,2000(3).

[5]张黎明,杨建华,张广学,等 .深厚表土层井筒破坏预防性治理技术 [J].煤炭科学技术,2008(4).

[6]王建军,骆念海,白振明 .开采引起的层间滑动与黄淮地区煤矿井筒破裂关系研究 [J].岩石力学与工程学报,2003 (7).

[责任编辑:周景林]

Safety Evaluation M ethod for Auxiliary Shaft and Its Treatment in Xinglongzhuang Colliery

GUAN Yun-zhang1,L IXu-dong2,XU Yan-chun2,HAO Yi-chun2

(1.Geological SurveyDepartment,YanzhouMining Group,Zoucheng 273500,China; 2.Resources&Safety Engineering School,China University ofMining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

This paper put for ward a prediction method of shaft current fracture for ensuring safety of auxiliary shaft in Xinglongzhuang Colliery.Thismethod applied compression amount of pressure-relief slot,service life of treatment engineering,water level decline and strata compression to judging possibility of shaft fracture. It changed multi-factor judgment into single-factor judgment by fuzzy mathematic,which improved precise of evaluation and prediction.Evaluation result showed that auxiliary shaft of Xinglongzhuang Colliery might fracture at the end of 2008 and needed prevention.Actual prevention engineering ensured shaft safety.

shaft fracture;evaluation method;treatment

TD262

A

1006-6225(2010)03-0033-03

2009-12-25

官云章 (1964-),男,山东郓城人,硕士,高级工程师,主要从事矿井地质及水文地质技术工作。