立井井壁破裂治理方案选择的地质工程思考

胡 巍 徐德金 常金源

自1987年开始,我国徐淮地区深厚表土层中煤矿立井井筒相继出现井壁破裂现象,这种新的地质灾害严重影响了矿井生产与安全,造成了巨大的经济损失[1-3]。在预防井筒破坏的工作中,不少专家学者提出了对新建井筒采用新型井壁结构等的技术手段,这些理论成果在矿区也得到成功应用[5-8];而对于已破裂井筒的治理,井圈加固、破壁注浆、地面注浆、开设卸压槽等方法已成为其主要手段,经过20余年发展,施工工艺也日益成熟。

在破坏后的井壁的治理过程中,由于对各种治理手段的适用性、经济性和实效性认识不深,以及对地质条件、井筒情况等调查不清,仍存在治理措施选择不当、治理方案制订不全面等问题。方案选择的盲目性、局限性直接影响了治理效果,同时造成了不必要的经济损失。如兖州矿区部分井筒经过初次治理,短期内却再次发生破坏[9]。因此,使各种工程措施适合破裂井壁的地质与工程条件对合理确定治理方案是十分重要的。

1 井筒破坏的地质条件及机理

井壁附加应力学说认为,由于含水层失水,表土层压缩沉降,刚性的井筒不能随之压缩变形,故在井壁产生竖向的附加应力,导致井壁破坏。竖直附加应力是井壁破裂的主要原因。此外,温度变化引起的应力、井壁自重应力等因素也对井筒破坏造成不同程度的影响[10]。

煤矿立井井壁破裂现象主要分布在表土层厚度较大的华东地区,破裂位置集中在新生代沉积物同下伏含煤地层的交界处附近,破裂形态相似,呈现压裂状破坏,井壁内壁混凝土呈楔形剥落、掉块,破裂处常见渗水、淋水甚至涌水、冒砂现象。这些特征与华东矿区表土层水文地质和工程地质情况有关。华东地区井田内第四系松散层具有含、隔水层相间的多层复合结构。浅部含水层主要受大气降水地表水补给,排泄方式为大气蒸发、地表水及人工开采等;中部含水层由于其上下隔水层隔水性能良好,且分布稳定,因而与上下含水层之间没有水力联系;底部含水层一般直接覆盖在煤系地层之上,厚度较大,且与上覆各含水层基本无水力联系。由于底部含水层中含有大量粘粒成分,其渗透性不好,底部含水层接受水平方向远距离补给的可能性小,但由于受到下伏煤系基岩裂隙影响,而与其产生水力联系。

矿区水位观测资料证实,华东矿区水位降低主要发生在上部含水层和底部含水层,而中部含水层因上下隔水层的存在,不会因失水而水头降低。由于底部含水层受矿井疏水影响,水位持续下降,变化量大,是影响井筒稳定性的主要因素。如张双楼矿自副井建成(1982年12月)到井筒发生初次破裂(1987年7月),底部含水层水位累计下降了48 m,年平均下降约10 m。在上覆土层压力的作用下,底部含水层的埋深 H,厚度D,孔隙比 e0及疏排水层的水压下降量Δp直接影响疏水层的压缩量。当 H,D,e0及Δp越大时,含水层越容易压缩且压缩量越大[11]。

2 破裂井壁治理思路分析

2.1 治理措施对比分析

目前治理破裂井壁的措施主要有井圈加固、套壁加固、破壁注浆、开设卸压槽、地面注浆五种方式:井圈和套壁一般用于临时保护已破裂井壁,阻止破坏进一步发展;破壁注浆和地面注浆用于地层加固和防堵水;卸压槽的作用是控制径向相对位移,释放井壁竖向应力。清楚认识每种治理措施的特点是成功治理破裂井壁的基础,各治理措施对比分析如表1所示。需要指出的是,破壁注浆在破裂井壁治理中应以防渗堵水为主,地层加固作用为辅,地面注浆反之。在实际工程中,常常过于依赖破壁注浆加固地层的功能或地面注浆防渗堵漏的能力,导致工程费用过高且治理效果不好。

表1 各治理措施的对比

2.2 治理思路及措施选择依据

由于单一治理措施技术作用的局限性,必须采用综合治理方案才能成功治理。在选用治理方案之前,必须详细查清破裂井筒所处的工程地质、水文地质情况,包括岩性、含水性、颗粒组成等,在此基础上,根据井筒条件和技术经济性等因素,可以按以下思路对破裂井壁的治理方案进行初选:

1)根据井壁破裂严重程度考虑是否采用井圈或套壁加固。当井壁刚刚出现破坏征兆、井壁轻微变形损坏时,可不采用井圈或套壁加固,该加固方法是一种“硬抗”方式,此时使用作用不大,应采用其他方法(破壁注浆等)根治,预防其发展;当井壁已发生一定程度的破坏,出现裂缝,井壁片状脱落时,应果断选择井圈及时加固,防止严重事故的发生。

2)以井筒工程地质条件为主要因素考虑是否采用破壁注浆。若井壁渗水、淋水,就应及时进行堵水工作,若不加以制止只会加剧含水层水位的下降,进而加速井壁破坏。破壁注浆是目前最为有效的止水措施,它也常常在卸压槽开挖之前使用,以加固土层保证施工安全,同时,进行大段位破壁注浆还可起到控制地层压缩,预防井壁破坏的作用。因此,运用破壁注浆措施应尽可能充分发挥其多重功效。

破壁注浆根据浆液材料可分为破壁水泥(或水玻璃)注浆和破壁化学注浆两类。资料[12]表明,破壁水泥注浆临时堵水效果尚可,但长期效果不佳,化学注浆防渗堵漏效果明显优于水泥浆液。鉴于许多矿区在井壁水泥注浆后井壁重复破坏发生渗漏,建议在经济条件允许的情况下可优先使用化学注浆。但如果井壁破裂范围较大,疏排水层 D较厚,层位 H较深,孔隙比 e0大,地层可注性好且水位下降速度快,需要及时开设卸压槽时,可进行大段位破壁注水泥浆,以满足工程需要。

3)开设卸压槽,合理选择其数量、位置和尺寸。到目前为止,开设卸压槽是治理井壁破裂最有效最经济的措施,卸压槽的数量、位置以及尺寸很大程度上影响卸压效果,因此,对这些参数的选择应为初步治理方案的考虑重点。

卸压槽技术主要分单卸压槽和双卸压槽两种,对于双层钢筋混凝土井壁,当表土层不太厚,井壁破坏不太严重时,可选用单卸压槽;若表土层较厚,井壁破坏严重,且破坏带距表土及基岩界面较远时,可采用双卸压槽措施,以利于井壁逐段的释放。对于单层钻井井壁为安全起见,最好只设一个卸压槽。只设一个卸压槽时,位置应选在井壁破裂带或破裂带上部;采用双卸压槽时,卸压槽应分别选在井壁破裂带上部和基岩与表土层交界处上部。开设卸压槽时一般需进行破壁注浆加固壁后地层,保证施工安全进行[13-15]。

4)分析各方面因素,以经济可行性为主要依据考虑是否选用地面注浆加固地层。地面注浆加固范围大,不影响正常的井筒生产,可以用于长期治理;但其造价高,施工难度大、工期长,所以在实际工程中应用较少。当疏排水层可压缩量大,地层沉降速度快,卸压槽不能满足需要,且需要不影响井筒正常生产时,可考虑采用地面注浆加固地层。地面注浆也常常单独用于井壁破裂前的预防性治理。

按上述思路初选治理方案之后,还应借鉴相似破裂井壁治理经验,考虑实际施工技术可行性,预测治理效果和经济成本,选取最优方案。

3 结语

1)立井井筒破裂井壁治理必须以其破裂机理为基础,以工程地质条件、水文地质条件、工程造价及对矿井正常生产的影响等为依据,合理选择综合治理方案。2)本文归纳总结了井筒破坏的水文地质工程地质因素,对比分析了各种破裂井壁治理措施的治理特点,这是有效治理井壁破裂的重要条件。3)本文提出了治理井壁破裂的简单思路和措施选择依据,即:根据井壁破裂严重程度考虑是否采用井圈或套壁加固;以井筒工程地质条件为主要因素考虑采用破壁注浆;开设卸压槽,重点确定其数量、位置和尺寸;以经济可行性为主要依据考虑是否选用地面注浆加固地层。

[1] 张忠华.立井表土段井壁破裂原因分析[J].煤炭科学技术,1992(2):43-44.

[2] 李文平,于双忠.深厚表土层中井壁累进破裂的粘滑机制解[J].中国煤炭,1994(11):31-33.

[3] 张文泉,张永双,席京德,等.煤矿立井井壁破裂的机制及防治措施[J].中国地质灾害与防治学报,2001,12(4):13-17.

[4] 崔广心.特殊地层条件竖井井壁破坏机理及防治技术[J].建井技术,1998,19(1):28-32.

[5] 卜昌森,李华东.深厚表土层井筒可缩井壁结构的探讨[J].山东煤炭科技,2001(2):54-55.

[6] 蔡海兵,程 桦,姚直书,等.深冻结井筒竖向可缩井壁的设计与施工技术[J].煤炭工程,2008(7):5-7.

[7] 牛学超,杨仁树,经来旺.高强混凝土在立井井壁中的应用及展望[J].中国矿业,2004(11):51-55.

[8] 杨维好,金永军.滑动可缩井壁内壁的纵向稳定性分析[J].中国矿业大学学报,1999(1):36-39.

[9] 刘瑞新.浅谈兖州煤业公司的一些立井井壁二次破裂及治理经验[J].建井技术,2007,2(4):3-11.

[10] 经来旺,刘 飞,高全臣,等.表土沉降阶段煤矿立井井壁破裂应力分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(20):3274-3280.

[11] 倪兴华,隋旺华.煤矿立井井壁破裂防治技术研究[M].徐州:中国矿业大学出版社,2005:12.

[12] 王档良,鞠远江,胡文武.杨庄煤矿副井破裂井壁多次治理效果对比分析[J].煤炭科学技术,2009(1):65-68.

[13] 杨 平,柯昌松,汪仁和,等.破裂井壁中开切卸压槽的设计与工艺[J].建井技术,1995(1):29-32.

[14] 汪仁和,方兴华,杨 平,等.卸压槽位置的选择和在井壁加固中的作用[J].煤炭科学技术,1996(1):47-49.

[15] 任连伟,张征锋,刘希亮.卸压槽布设位置对井壁受力影响的试验研究[J].煤炭科学技术,2006(6):61-63.