某煤矿井筒破坏与监测信息研究分析

2021-06-30郑有雷杨建华闫昆鹏

现代矿业 2021年5期

郑有雷杨建华闫昆鹏吴铎

（兖州煤业股份有限公司济宁三号煤矿）

对矿井井筒信息的监测是研究井筒现阶段破坏和前期变形的重要手段，通过对监测信息的处理分析，可以找到与井筒破坏相联系的因素特征，为井筒的破坏修复和防治提供可靠的数据依据。刘焕新［1］通过分析张双楼煤矿厂区内不同井筒的沉降数据，并结合了不同区域以及不同含水层的水位沉降变化情况，分析了井壁发生破坏的3个主要原因，为矿井后期的治理提供了参考；荆留杰等［2］通过对姚桥煤矿主井井壁安全监测系统所采集到的监测数据以及历年监测资料分析，以地表沉降以及井壁温度为基础，结合井壁受力分析了井壁的附加应变随季节变化规律。

周国庆等［3-7］通过对徐淮矿区多个井壁监测系统所采集到的信息加以编译整理，对处于正常工作状态以及已经发生破裂的煤矿井筒的附加应变进行了大量现场实测研究，并结合煤矿注浆治理工程的治理效果得到了大量有用成果。

山东某矿目前有主井、副井和风井3个井筒，全部布置在工业场地中，3个井筒在地下冲积层部分采用钢筋混凝土复合井壁的形式并结合冻结法施工。通过对井筒周围地层沉降、地下水位变化、井筒应力应变以及卸压槽变形等其他信息的监测，发现井筒外围地下水位等地层因素的变化与井筒破坏有着密切联系，在此基础上，本研究提取了与井筒破坏相关的地下水位高度变化和井壁应变2个因素，对其进行处理分析。

1 井筒及其破坏防治的基本情况

3个井筒的标高均为+38.0 m。其中副井井筒为内外层双层井壁结构，井筒净直径8 m，冻结段井筒为普通双层钢筋混凝土井壁，基岩段为单层素混凝土井壁，采用C40强度的混凝土，各井筒参数见表1。

2004年9月，该矿井的风井发生井筒局部混凝土剥落，井筒内发生大量涌水，之后对该井筒通过开卸压槽的方式进行了治理。同时为保证相邻主井和副井的安全，该矿也对主井和副井进行了地面注浆和开卸压槽预防性治理。

2 监测系统的布置情况

该矿井的监测系统包括第四系水位监测、井壁应力应变卸压槽变形监测、第四系地层变形监测和地表沉降观测4部分。其中第四系水位监测共有5个监测点，对应风井、副井和一采各1个，主井2个。用以观测该矿井地下水位变化。井壁应力应变卸压槽变形监测采用青岛理工大学设计的矿井监测系统，该系统分别在主井、副井和风井井筒布置应力计、应变计和位移计。井壁监测传感器设置示意图见图1和图2。

第四系地层变形监测系统由西安科技大学设计、施工。在钻孔内距地面104.33～176.50 m的地层内，安装了10个层位的光纤光栅传感器，设计传感器18个，安装后正常工作17个。地层沉降观测系统通过在矿井井筒周围设置观测点来实现，其中主井井设地表点8个（1#~8#），井塔点4个，井壁点3个（A、B、C）；副井设周围点3个（FW2、FS3、FE4），井壁点2个（D1、D2）；风井设周围点3个（风1、ZE4、风2），井壁点2个（F1、F2），详见图3。

3 井筒监测

根据上述监测系统的监测统计，下面对监测数据进行说明和分析。

3.1 井筒外围含水层监测

通过历年对该矿井筒水位的监测，将数据进行回归线拟合并绘制出水位随时间的变化曲线，见图4（a）~（c）。图4（a）为主井处监测孔的水位变化，主井井筒处监测孔的水位高度随时间呈下降趋势，并在前中期水位变化比较平稳。图4（b）为副井处监测孔的水位变化，从曲线可以看出副井井筒监测孔的水位整体也呈下降趋势，但在2014年4月的时间节点出现了水位上升的情况，这是因为外部因素导致注水孔堵塞引发注水困难，并在2014年对该孔进行洗井并注水，产生了水位上升的现象。图4（c）为风井处监测孔的水位监测变化，可以看出，风井的水位变化与主井相似，表现为持续下降并产生小范围波动。

通过对3个井筒地下水位的监测可以发现，该矿区在开采期间，地下水位高度整体上随时间逐渐降低，前期水位下降速度较快但平稳，后期水位下降速度慢并伴随一定的波动。

3.2 井壁应变监测

根据井壁应变监测系统的监测数据，以副井井筒为代表，作竖向应变曲线图5和环向应变曲线图6。从竖向应变曲线图看出到2013年12月—2017年7月之间，副井井壁所受应变随时间不断变化，整体上竖向应变存在波峰与波谷交替变化现象。其中在2014年2月、2015年1月、2016年1月附近出现竖向应变波谷，2014年7月、2015年7月、2016年8月附近出现竖向应变波峰。从环向应变曲线可以看出，环向应变与竖向应变发展趋势相似，也表现出井壁应变的波峰与波谷交替变化。根据2个应变曲线（图5、图6）可以看出，应变量增长较为缓慢，所测最大应变值约为-778µɛ。

井壁的竖向应变在2013年12月—2017年7月间的波峰整体呈现下降趋势，环向应变的波峰也呈现出下降趋势，但在数值上不如竖向应变明显。

3.3 井壁卸压槽变形量监测

图7为副井井壁卸压槽近几年来不同测点的变形量随时间变化趋势图。从曲线的斜率变化来看，可以看出卸压槽压缩量的增长率逐渐增大，另外从卸压槽4个测点来看，处于卸压槽不同测点所监测到的变形量并不完全相等，变形量最大值出现在卸压槽第4测点，该测点在2017年压缩量达到3.6 mm。这与井壁周围围岩土体的密实程度有关，由于井壁受力不均匀使得井壁在不同方位所发生的变形量并不能保持完全一致。从卸压槽的压缩量数值上来看，卸压槽压缩量还远未达到理论计算的极限值。卸压槽变形量在近几年来总体呈增大趋势并伴随小的波动。

3.4 地表沉降及地层变化监测

矿区内地下水受采矿活动的影响，由图4可知地下水位是不断下降的，并且在地下水位的下降过程中表现出季节性的变化，其中夏季水位下降较为缓慢，冬季水位下降较快。加上采矿期间地质构造运动以及降水等，不可避免地会对井壁周围土体造成不同程度的影响，引起了矿区地层压缩量的变化，由于含水层水位的下降，饱和土体的孔隙水压力减小，同时该层土体固结压缩，使得上层土体发生沉降。深部土体的沉降必然会导致土体的地表出现不同程度的沉降变化。

3.4.1 松散层压缩变形监测

由图8可知，松散地层在深度上呈拉伸、压缩变化规律。目前，压缩变形主要集中在第15、24、38层，第38层变化最大，是井壁破坏的薄弱段。且这3层除2009、2010、2011年变化幅度较大外，整体呈增加趋势。其余各层呈拉伸或稳定状态。分析2010、2011年变化幅度较大的原因，可能为2010年3月Z1孔进行工业注水试验，2011年7月注水系统正式注水，对松散地层形成冲击影响所致，在应变变化幅度曲线上反映较明显。另外第38层岩性为黏土，为第四系地层基底，是井壁受力的最终落脚点，累计应变整体呈逐年增大趋势。目前，累计应变量-966.19µɛ，接近土体压缩量极限值。由西安科技大学所安装的光纤光栅传感器，最终统计地层全段累计沉降21 mm，第四系基底黏土压缩11.2 mm。

3.4.2 地表沉降监测

图9为根据近几年的监测数据得到的副井井壁测点以及附近地表测点监测到的地表沉降数据绘制出的曲线图，从图9可以看出，自2011年7月—2016年7月，井筒周围地表沉降约为60 mm，由曲线拟合结果可知，副井井壁测点平均年沉降约为12.11 mm，地表测点的平均年沉降约为16.52 mm。

松散地层的应变在整体上除第38层外应变规律不明显，但井壁点及其附近的位移监测值呈现逐年增大的趋势，可见井壁点与地表点表现出不同的沉降值，即由于井壁与土体的不同步沉降会导致附加应力的产生，同时作用于井壁导致井壁破裂，这与井壁附加应力学说［8］保持一致。

4 监测结果分析

对该矿地下水位和地表沉降的监测数据分析，得出地下水位变化对井筒的变形产生的影响。在采矿期间，从地下水位变化的监测来看，采矿活动导致了地下水位不断下降，在地下水位下降以后，土层的孔隙水压力逐渐减小，土颗粒间有效应力增加，使得井筒外围的土层被不断压实，造成土体不同程度的沉降。根据对井壁上监测点和井壁外围矿区的地层沉降监测发现，井壁与井壁外围的土层在变形上表现出不同步的特征，这种沉降的差异导致土层产生作用在井壁上的竖向附加力［9］，当竖向附加力累积到井壁的极限荷载时，就造成了井壁的破坏。根据井壁竖向应变和环向应变对比分析，发现处于同一水平监测区域的2种应变值，竖向应变整体上小于环向应变。从深度方向看，最下方的监测区域应变总体要大于其他水平，符合随着表土层的深度不断增加，产生的附加应力增大的规律。从应变后期的发展来看，应变曲线表现出随季节温度变化产生应变累积和应变释放交替的特征，并且随底部含水层疏水引发的竖向应力增大，应变值出现不断累积增加且不可恢复的特征［7］。由井壁卸压槽变形量曲线来看，卸压槽变形在近几年波动较为密集，不同测点处卸压槽变形量略有不同，但整体呈下降趋势。卸压槽不同测点所监测到的压缩量最大值为3.6 mm，远未达到卸压槽极限压缩量值，但测点4的卸压槽变形曲线有着增长率明显变大的情况，这说明卸压槽需要特别注意变形量最大的监测点处的应变值。

以上分析可知，采矿期间地下水位的下降造成了井壁和外围土体的不同步变形，其中井壁的变形表现出随季节交替、整体增加且不可恢复的特征，随着井壁变形在整体上随时间交替性增加，卸压槽也表现出不同测点不同步性变形，卸压槽某一点的变形率先达到极限压缩量时，竖向附加力会重新累加到井壁上，当附加力达到井壁的极限荷载就会造成井壁的破坏［8］。