胡 巍 徐德金 常金源

自1987年開始,我國徐淮地區(qū)深厚表土層中煤礦立井井筒相繼出現(xiàn)井壁破裂現(xiàn)象,這種新的地質(zhì)災害嚴重影響了礦井生產(chǎn)與安全,造成了巨大的經(jīng)濟損失[1-3]。在預防井筒破壞的工作中,不少專家學者提出了對新建井筒采用新型井壁結構等的技術手段,這些理論成果在礦區(qū)也得到成功應用[5-8];而對于已破裂井筒的治理,井圈加固、破壁注漿、地面注漿、開設卸壓槽等方法已成為其主要手段,經(jīng)過20余年發(fā)展,施工工藝也日益成熟。

在破壞后的井壁的治理過程中,由于對各種治理手段的適用性、經(jīng)濟性和實效性認識不深,以及對地質(zhì)條件、井筒情況等調(diào)查不清,仍存在治理措施選擇不當、治理方案制訂不全面等問題。方案選擇的盲目性、局限性直接影響了治理效果,同時造成了不必要的經(jīng)濟損失。如兗州礦區(qū)部分井筒經(jīng)過初次治理,短期內(nèi)卻再次發(fā)生破壞[9]。因此,使各種工程措施適合破裂井壁的地質(zhì)與工程條件對合理確定治理方案是十分重要的。

1 井筒破壞的地質(zhì)條件及機理

井壁附加應力學說認為,由于含水層失水,表土層壓縮沉降,剛性的井筒不能隨之壓縮變形,故在井壁產(chǎn)生豎向的附加應力,導致井壁破壞。豎直附加應力是井壁破裂的主要原因。此外,溫度變化引起的應力、井壁自重應力等因素也對井筒破壞造成不同程度的影響[10]。

煤礦立井井壁破裂現(xiàn)象主要分布在表土層厚度較大的華東地區(qū),破裂位置集中在新生代沉積物同下伏含煤地層的交界處附近,破裂形態(tài)相似,呈現(xiàn)壓裂狀破壞,井壁內(nèi)壁混凝土呈楔形剝落、掉塊,破裂處常見滲水、淋水甚至涌水、冒砂現(xiàn)象。這些特征與華東礦區(qū)表土層水文地質(zhì)和工程地質(zhì)情況有關。華東地區(qū)井田內(nèi)第四系松散層具有含、隔水層相間的多層復合結構。淺部含水層主要受大氣降水地表水補給,排泄方式為大氣蒸發(fā)、地表水及人工開采等;中部含水層由于其上下隔水層隔水性能良好,且分布穩(wěn)定,因而與上下含水層之間沒有水力聯(lián)系;底部含水層一般直接覆蓋在煤系地層之上,厚度較大,且與上覆各含水層基本無水力聯(lián)系。由于底部含水層中含有大量粘粒成分,其滲透性不好,底部含水層接受水平方向遠距離補給的可能性小,但由于受到下伏煤系基巖裂隙影響,而與其產(chǎn)生水力聯(lián)系。

礦區(qū)水位觀測資料證實,華東礦區(qū)水位降低主要發(fā)生在上部含水層和底部含水層,而中部含水層因上下隔水層的存在,不會因失水而水頭降低。由于底部含水層受礦井疏水影響,水位持續(xù)下降,變化量大,是影響井筒穩(wěn)定性的主要因素。如張雙樓礦自副井建成(1982年12月)到井筒發(fā)生初次破裂(1987年7月),底部含水層水位累計下降了48 m,年平均下降約10 m。在上覆土層壓力的作用下,底部含水層的埋深 H,厚度D,孔隙比 e0及疏排水層的水壓下降量Δp直接影響疏水層的壓縮量。當 H,D,e0及Δp越大時,含水層越容易壓縮且壓縮量越大[11]。

2 破裂井壁治理思路分析

2.1 治理措施對比分析

目前治理破裂井壁的措施主要有井圈加固、套壁加固、破壁注漿、開設卸壓槽、地面注漿五種方式:井圈和套壁一般用于臨時保護已破裂井壁,阻止破壞進一步發(fā)展;破壁注漿和地面注漿用于地層加固和防堵水;卸壓槽的作用是控制徑向相對位移,釋放井壁豎向應力。清楚認識每種治理措施的特點是成功治理破裂井壁的基礎,各治理措施對比分析如表1所示。需要指出的是,破壁注漿在破裂井壁治理中應以防滲堵水為主,地層加固作用為輔,地面注漿反之。在實際工程中,常常過于依賴破壁注漿加固地層的功能或地面注漿防滲堵漏的能力,導致工程費用過高且治理效果不好。

表1 各治理措施的對比

2.2 治理思路及措施選擇依據(jù)

由于單一治理措施技術作用的局限性,必須采用綜合治理方案才能成功治理。在選用治理方案之前,必須詳細查清破裂井筒所處的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況,包括巖性、含水性、顆粒組成等,在此基礎上,根據(jù)井筒條件和技術經(jīng)濟性等因素,可以按以下思路對破裂井壁的治理方案進行初選:

1)根據(jù)井壁破裂嚴重程度考慮是否采用井圈或套壁加固。當井壁剛剛出現(xiàn)破壞征兆、井壁輕微變形損壞時,可不采用井圈或套壁加固,該加固方法是一種“硬抗”方式,此時使用作用不大,應采用其他方法(破壁注漿等)根治,預防其發(fā)展;當井壁已發(fā)生一定程度的破壞,出現(xiàn)裂縫,井壁片狀脫落時,應果斷選擇井圈及時加固,防止嚴重事故的發(fā)生。

2)以井筒工程地質(zhì)條件為主要因素考慮是否采用破壁注漿。若井壁滲水、淋水,就應及時進行堵水工作,若不加以制止只會加劇含水層水位的下降,進而加速井壁破壞。破壁注漿是目前最為有效的止水措施,它也常常在卸壓槽開挖之前使用,以加固土層保證施工安全,同時,進行大段位破壁注漿還可起到控制地層壓縮,預防井壁破壞的作用。因此,運用破壁注漿措施應盡可能充分發(fā)揮其多重功效。

破壁注漿根據(jù)漿液材料可分為破壁水泥(或水玻璃)注漿和破壁化學注漿兩類。資料[12]表明,破壁水泥注漿臨時堵水效果尚可,但長期效果不佳,化學注漿防滲堵漏效果明顯優(yōu)于水泥漿液。鑒于許多礦區(qū)在井壁水泥注漿后井壁重復破壞發(fā)生滲漏,建議在經(jīng)濟條件允許的情況下可優(yōu)先使用化學注漿。但如果井壁破裂范圍較大,疏排水層 D較厚,層位 H較深,孔隙比 e0大,地層可注性好且水位下降速度快,需要及時開設卸壓槽時,可進行大段位破壁注水泥漿,以滿足工程需要。

3)開設卸壓槽,合理選擇其數(shù)量、位置和尺寸。到目前為止,開設卸壓槽是治理井壁破裂最有效最經(jīng)濟的措施,卸壓槽的數(shù)量、位置以及尺寸很大程度上影響卸壓效果,因此,對這些參數(shù)的選擇應為初步治理方案的考慮重點。

卸壓槽技術主要分單卸壓槽和雙卸壓槽兩種,對于雙層鋼筋混凝土井壁,當表土層不太厚,井壁破壞不太嚴重時,可選用單卸壓槽;若表土層較厚,井壁破壞嚴重,且破壞帶距表土及基巖界面較遠時,可采用雙卸壓槽措施,以利于井壁逐段的釋放。對于單層鉆井井壁為安全起見,最好只設一個卸壓槽。只設一個卸壓槽時,位置應選在井壁破裂帶或破裂帶上部;采用雙卸壓槽時,卸壓槽應分別選在井壁破裂帶上部和基巖與表土層交界處上部。開設卸壓槽時一般需進行破壁注漿加固壁后地層,保證施工安全進行[13-15]。

4)分析各方面因素,以經(jīng)濟可行性為主要依據(jù)考慮是否選用地面注漿加固地層。地面注漿加固范圍大,不影響正常的井筒生產(chǎn),可以用于長期治理;但其造價高,施工難度大、工期長,所以在實際工程中應用較少。當疏排水層可壓縮量大,地層沉降速度快,卸壓槽不能滿足需要,且需要不影響井筒正常生產(chǎn)時,可考慮采用地面注漿加固地層。地面注漿也常常單獨用于井壁破裂前的預防性治理。

按上述思路初選治理方案之后,還應借鑒相似破裂井壁治理經(jīng)驗,考慮實際施工技術可行性,預測治理效果和經(jīng)濟成本,選取最優(yōu)方案。

3 結語

1)立井井筒破裂井壁治理必須以其破裂機理為基礎,以工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、工程造價及對礦井正常生產(chǎn)的影響等為依據(jù),合理選擇綜合治理方案。2)本文歸納總結了井筒破壞的水文地質(zhì)工程地質(zhì)因素,對比分析了各種破裂井壁治理措施的治理特點,這是有效治理井壁破裂的重要條件。3)本文提出了治理井壁破裂的簡單思路和措施選擇依據(jù),即:根據(jù)井壁破裂嚴重程度考慮是否采用井圈或套壁加固;以井筒工程地質(zhì)條件為主要因素考慮采用破壁注漿;開設卸壓槽,重點確定其數(shù)量、位置和尺寸;以經(jīng)濟可行性為主要依據(jù)考慮是否選用地面注漿加固地層。

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