板集矿副井破损井壁修复及变形监测研究 ①

2022-01-14王晓健史正景洪士保

佳木斯大学学报（自然科学版） 2022年1期

汪伟，王晓健，史正景，洪士保，刘杰

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2.中煤新集能源股份有限公司板集煤矿，安徽亳州 236000)

0 引言

随着矿井开采深度增加，高地压采动及疏水等对井筒的危害加大，给煤矿的安全生产带来巨大的挑战[1]。井壁常因为底部含水层疏水固结产生竖直附加力而破坏，多发生于厚表土与薄基岩处，自上世纪80年代以来，已有近100多个矿井发生厚表土薄基岩井壁破裂事故[2-4]。破损后的井筒多采用“竖让横抗”的修复方案，治理效果良好[5-9]。同时，变形监测对井壁的安全可靠评估起着非常重要的支撑作用[9-10]。

板集矿副井井筒于2009年4月18日发生突水淹井事故，通过井筒注浆、冻结工程，在既有井壁周围形成防水帷幕，在井筒排水后对受损井壁进行修复，同时为反映修复井筒的变形情况，建立井壁监测系统，对井壁安全起到预警作用。

1 工程概况

板集矿位于安徽省亳州市利辛县胡集镇，工业场地内设主、副、风三个立井井筒。井筒表土段采用钻井法施工，基岩段采用钻爆法施工，且施工中穿过厚度达580.0m的地层冲积层。

根据该矿井井筒检查孔地质资料，井筒穿过的地层自上而下有新生界松散层和二叠系。副井自上而下共有4个含水层和3个隔水层，其中4含为富水性中等。井筒基岩地层总厚度为192.50m，岩性如图1。由于副井马头门被迫位于煤系和花斑状泥岩地层，岩性较差。

(a)地层柱状图 (b)井壁结构图

2 破损井壁修复治理

2.1 破损井壁修复

在注浆、冻结形成防水帷幕，并清淤后，针对原钻井钢板井壁不同的破损状态，采取相应的修复方法。(1)当钻井井壁接头法兰盘拉开间隙≤50 mm时，首先在内缘塞入环行钢筋进行周圈焊接，然后注入微膨胀水泥浆进入井壁拉开缝隙内；(2)当钻井井壁接头法兰盘拉开间隙>50 mm时，首先贴焊环形钢板至井壁内缘连接上下法兰盘，然后浇入C80高强细石混凝土；(3)对没有竖向拉开，而水平错动的钢板井壁接头，仅沿接头环向焊接10mm高；(4)对初始突水溃砂，呈“鱼嘴状”破坏处的钢板井壁接头，在内侧配筋、外侧贴焊钢板、浇入C80细石混凝土。

2.2 内套钢板井壁施工

在修复破损井壁后，为恢复井筒使用功能，在原钻井井筒基础上内套钢板+混凝土井壁，其中内套钢板井壁施工具有工序转换点多、工艺复杂、钢板装配精度高、焊接难度大、施工速度慢等特点，在国内尚属首次。首先内层钢板筒由4-5块在地面施工成型，并吊装至井下吊盘工作面；随后在二层吊盘周边起吊点上通过手拉葫芦将组合钢板筒至设计位置；然后，环向焊缝使用3台半自动CO2保护焊机同时焊接，竖向焊缝采用气电立焊机进行自动焊接，与传统的手工电弧焊相比，工效提高了20～30倍；组后，在组合钢板井壁内浇筑高强混凝土。

图2 复合井壁计算简图

3 监测预警值计算

副井井筒以内套井壁方式修复，内套井壁与原井壁构成组合筒体结构，共同承担深厚土和岩体的作用力。外力作用下，井筒中混凝土层和钢板层发生径向变形协调，根据变形协调条件求出各层之间的相互作用力，然后计算井壁的应力，运用弹性力学中应力与应变的关系得到应变值。对于副井的多层井壁采用弹性力学组合筒法计算，计算简图如图2所示。第一层为内套井壁钢板层，第二层为内套钢筋混凝土层，第三层为原钻井井壁钢板层，第四层为原钻井井壁钢筋混凝土层，第五层为原钻井井壁外钢板层。

内套井壁内钢板内缘的环向应力σθ的计算公式如式(1)：

(1)

式(1)中rn为内套钢板井壁内缘半径，m；rw为内套钢板井壁外缘半径，m；t1=rw/rn;P21为内套井壁钢筋混凝土层对内套井壁钢板层的径向压力，MPa。

井筒监测断面处的竖向应力如式(2):

σz=γH

(2)

式(2)中γ为岩石的重度，Ν/m3；H为监测断面埋深，m。

监测断面处内套井壁内缘环向应变为式(3)：

(3)

式(3)中ν为泊松比；E为弹性模量，N/m2。

监测断面处内套井壁内缘竖向应变为式(4)：

(4)

受压情况下井壁的富余应变εf计算如式(5)：

εf=[ε]-C压ε

(5)

式(5)中ε为极限压应变值，με；ε为内缘环向应变或内缘竖向应变值，με；C压为受压情况下的荷载分项系数。

(6)

式(6)中C拉为受拉情况下的荷载分项系数；其余同上。

由于副井的监测层位较多，故仅以组合筒计算原理对累深579m处关键层位进行计算，该水平采用光纤光栅传感器监测，井壁各层材料参数如表1所示。

表1 深579m处各层井壁材料参数

井壁所受侧压P=7.527MPa，P21=1.227MPa，将P21的值代入式(1)得，σθ=-107.022MPa，又有σΖ=-14.475MPa，将σθ，σΖ代入式(3)和式(4)得，εθ=-498.45με，εΖ=85.59με，内侧钢板材料为Q345，其抗压强度设计值为295MPa，极限压应变为-1432.04με。

考虑受压情况下荷载分项系数分别为1.35，1.2，1时，联立εθ，εΖ和式(5)，得到不同的井壁环向和竖向富余压应变值；在受拉时，考虑荷载分项系数为0.6，0.8和1时，联立εθ，εz和式(6)得到不同的井壁环向和竖向富余拉应变值。考虑折减系数分别为0.75，0.85，0.95时，将预警级别分为黄色、橙色、红色三个等级，分别对上面算得的环向和竖向富余压应变、环向和竖向富余拉应变进行折减，得到黄色、橙色、红色三个不同等级的预警值，如表2所示；副井其它监测水平的预警值计算方法与以上相同。

表2 副井累深579m处内钢板变形预警值表

4 修复治理后内套井壁监测

4.1 监测内容与方法

板集矿在后期开采时，恢复矿井建设中井筒的受力将随地下水和地应力的变化而变化，这就需要对副井井筒井壁进行受力变形监测，监测对象主要为井壁钢板和井壁混凝土，为确保井壁安全，则井壁内钢板应变值应小于其抗压应变设计值、井壁混凝土应变也低于其抗压应变设计值。井筒的深度较大，若在井筒全深范围内监测，不仅工程量大，且成本高，因此，只需依据各段井壁的水文地质情况，将厚粘土层和前期出水砂层部位的井壁作为关键层位进行监测。通过对关键层位钢板应变和混凝土应变的监测，及时掌握井壁所受外力的变化和分布规律。

4.2 监测水平及元件安装

依据副井井筒的地质构造和井壁结构特征，确定在副井内层井壁全深范围内布设三个关键层位，监测内容为各个层位的竖向和环向钢板井壁表面应变，各个监测水平位置见表3。

表3 副井FBG传感器监测水平设置及岩性

副井光纤光栅传感器监测水平的测试元件布置如下：在一组序号为1，2，3的井筒水平面安设光纤光栅应变计，每个水平共安装8个，其中环向和竖向各4个，分别固定在内层井壁外表面的4个测点上，每个测点含环向和竖向应变计各一个，分别监测钢板井壁的环向应变和竖向应变，在相应的监测水平和位置安装光纤光栅应变计。其安装方法如下：钢结构表面用角磨机磨平处理，由于部分钢结构表面锈蚀较多，必须将其打磨掉；应变计的夹具被焊接在内层钢板表面；然后将光纤光栅应变计装入夹具中，将通信主光缆下放到累深396m(第一监测水平)、累深579m(第二监测水平)、累深640米(第三监测水平)处，FBG光纤传感器与通信次光缆相连接，再通过通信次光缆与通信主光缆相连接，累深579米(第二监测水平)处FBG光纤传感器直接与主光缆相连接，为保证监测元件的长期稳定，通信主光缆与次光缆的连接处需封装处理，光纤光栅应变计及其导线通过防水接线盒与通信主光缆相连接，如图3所示。

图3 副井光纤光栅监测水平图

4.3 监测数据分析

板集矿副井井筒变形监测系统于2019年7月份安装调试完成后，系统实时对立井井筒的变形进行监测，为评估实时监测系统运行的稳定性以及井筒的实时变形状况，以下为副井累深579m处光纤光栅传感器监测的从2020年7月6日到2021年6月8日的数据曲线图。

该监测平面的每个测点含环向和竖向应变传感器各一个，其中测点方位为西南上、东南上、东北上、西北上的传感器为环向应变传感器，测点方位为西南下、东南下、东北下、西北下的传感器为竖向应变传感器，累深579m处的应变监测结果如图4所示。从图4(a)中能够得到井筒环向变形最大值约为229.61με，环向变形平均值最大约为116.72με，由图4(b)能够得到竖向变形最大值约为-237.93με，竖向变形平均值最大约为125.34με，均未超出表2所列的监测预警值，说明在该时段内井壁变形在变形极限范围内。