王村煤业副井变形与地面沉降监测研究

2022-07-14吴军

山东煤炭科技 2022年6期

吴军

（晋能控股煤业集团王村煤业公司，山西大同 037000）

1 概况

王村煤业地处山西省大同市云岗区内，投产于2011 年11 月1 日，年计划生产能力为100 万t，现阶段生产能力约为108 万t，主要煤炭种类为气煤。王村煤业以水平开拓为主要开拓方式，使用的煤炭开采方法为全陷落法。王村煤业副井建设于2011 年，井筒深度为554 m，钻井井壁厚度约为610 m。王村煤业第四系表土地层包括3 个隔水层以及4 个含水层，其中第四含水层位于煤炭层之上，是矿井的主要充水源，厚度约为13 m，深度约为220～231 m；第三隔水层主要是黏土与砂质黏土，是影响地面沉降的主要因素。王村煤业共进行了两次变形监测，第一次监测23 个月内矿井壁共压缩约33 mm，第二次监测27 个月矿井壁共压缩约36 mm。王村煤业副井变形特点为井筒变形沿垂直方向向上发展，且加固体无法阻止副井变形趋势。经监测分析，王村煤业副井变形发生与地面沉降最大程度时间点相吻合，副井变形与地面沉降相关。

2 副井变形分析

王村煤业副井加固的位置在4 个含水区与3 个隔水区处。相关监测数据表明，4 个含水区水位是在加固处理后降至含水层底部的，说明含水层水位处于持续下降状态。同时，副井壁的竖向变形与水位的下降呈正比关系，当4 个含水层水位下降至底部时副井壁再次发生损坏，且位置在含水层底部与基岩的交界处。副井壁的竖向变形与含水层的排水固结关系密切。

煤矿副井井壁垂直方向的压缩变形逐渐向上蔓延，含水层的排水固结压缩会使地层对副井井壁的阻力也逐渐增大，如不采取相关措施，最终副井井壁必会再次出现井壁竖向压缩损坏现象。由于王村煤业在第三隔水层主要是黏土与砂质黏土，一旦形成导水通道必然会使3 个隔水层与3 个含水层出现排水固结现象，使得副井井壁产生大范围压缩变形。煤矿地层的不均匀性以及地层与副井井壁的摩擦作用，再加上井口地表的沉降现象会直接造成差异沉降，造成井架倾斜。王村煤业副井变形监测应包括副井井壁、地面以及地下水位等多方面监测。

3 副井变形监测方案

副井变形监测主要分为垂直方向压缩变形、地面、地下水位三方面监测[1-4]。副井井壁垂直方向压缩变形监测主要设置8 个监测点，共分为2 个水平，主要监测内容为第四含水层垂直方向的压缩变形位移；地面监测主要是对王村煤业的地面沉降量进行监测；水位监测主要是对煤矿4 个含水层的水位进行监测。王村煤业副井变形监测的水平布置见表1。

表1 王村煤业副井变形监测的水平布置

垂直方向压缩变形监测需设定两个布置形式以及监测元件完全相同的两个水平埋设元件，其具体布置方位如图1。

图1 元件布置示意图（mm）

检测元件是以井筒提升中心为对称线进行方位设计的，垂直位移监测器安装于元件下端，可进行14 m 范围的位移压缩量监测。监测中使用仪器主要为XP02 频率仪，所需的测量元件主要为VJ400 位移计。在副井井口处至井筒位置需进行电缆敷设，采用KVVP-20×0.75 的屏蔽型电缆。敷设的电缆需对每根进行编码处理，并使用万用表测试电缆是否正常。XP02 频率仪与VJ400 位移计需具备抗干扰、可屏蔽等功能，可稳定长期使用，使用寿命应满足相关要求。地下水位监测主要通过观察水文孔的水位进行水位测量，地面沉降监测采用垂直方向压缩变形监测同样的方法，主要围绕副井进行监测设立，基准点使用基岩标的方法。在实际监测中，地下水位的监测为辅助监测，监测目的为辅助垂直方向压缩变形监测与地面沉降监测原因分析。

4 监测数据分析处理

4.1 垂直向位移变化监测数据分析

变形监测方案对王村煤业副井变形进行为期17 个月的监测研究，将获得的范围为14 m 的副井井壁垂直向压缩变形数据绘制为变化曲线图可得第一监测水平变化曲线（图2）与第二监测水平变化曲线（图3）。该方案自2019 年7 月25 日开始，2020 年11 月7 日结束。

由图2 可知，第一监测水平四个方位的四个元件监测到的垂直向沉降变化趋势相近，共可以分为三个阶段。2019 年9 月26 日—2020 年4 月17 日为沉降的第一阶段，垂直向压缩变形增长迅速，除小北方向位移量为5.3 mm 外，大北、小南、大南方向的压缩量基本处于1.05～1.17 mm 范围内；2020年5 月22 日—2020 年9 月24 日为沉降第二阶段，该阶段沉降量变化趋于平稳，压缩变形较小且趋近于0；2020 年9 月24 日后为沉降第三阶段，第三阶段增长较为缓慢，最大值仅有1 mm。

图2 第一监测水平变化曲线图

分析图3 可知，第二水平与第一水平变化趋势较为相似，但第二水平的副井井壁最大压缩量与第一水平差距较大，二者最大数值相差3 倍。

图3 第二监测水平变化曲线图

王村煤业的井壁垂直向位移变化主要可分为快速增长、稳定以及缓慢增长三个阶段。造成后续位移量较为稳定的原因是该阶段处于雨季阶段，同时较高的温度使得材料有热胀效应，因此该阶段位移较小。地下水位监测数据图如图4 所示。第一水平与第二水平最大压缩量数值差距较大的原因可能与固结压缩有关。

图4 地下水位监测数据图

对王村煤业副井井壁进行安全性评价，运用莫尔-库伦极限平衡条件法进行评价，其计算公式为：

其中：σ1为井壁围抱最大主应力，MPa；σ3为最小主应力，MPa；φ为极限摩擦阻力的水平角度，（°）；c 为岩石凝聚力，MPa。经测量，σ3=2.17 MPa，φ=23°，c=1 MPa。带入式中可求得井壁围抱最大主应力σ1为7.97 MPa，大于相关要求的5.88 MPa，故该井壁符合相关安全要求。

4.2 地面沉降监测数据分析

运用基岩标方法对副井口附近的地面沉降进行数据监测并绘制成变化曲线图如图5。由图5 可知，副井口周围地面总体呈下降趋势，但下降较为缓慢。副井口的地面沉降变化可分为三个阶段：2019 年9月—2020 年2 月为第一阶段，该阶段地面沉降较快；2020 年2 月—6 月为第二阶段，该阶段为稳定阶段，沉降较为平稳；2020 年6 月以后为第三阶段，该阶段地面沉降有所回升。

图5 基岩标处沉降数据变化曲线图

为更好地研究副井口地面沉降规律，本文对基岩标更远的位置进行了地面沉降数据监测。监测发现，距离井口较远位置的地面最大沉降为15 mm，最远位置处地面最大沉降为20 mm。井口附近地面沉降是连续的，地面沉降数值与距离井口的距离呈正比，距离井口越近，地面沉降越小，速率越慢；距离井口越远，沉降越大，速率越高。将上述数据带入莫尔-库伦极限平衡式中计算可得，井壁的最大主应力为7.97 MPa，该结果大于井壁所需平均最大主应力5.88 MPa，因此，井壁处于安全状态。