关于疏水沉降地层中井壁破坏问题

　　摘　要　总结并分析了近10 a来对生产矿井井壁竖向压缩破坏问题的研究成果。认为引起井壁破坏的根本原因是冲积层疏水沉降引起的井壁竖向附加力，而与地质构造运动和地下水流动等关系不大，地压、井壁自重、温度应力等井筒所共有的外力应作为初始力来考虑。分析并指出了目前按模型试验和井壁混凝土强度反算的井壁竖向附加力可能偏小的原因。综合评述了疏水沉降地层中井壁破坏的治理途径和存在问题，并提出了在施工钻井井壁时，采用局部固井方法以减小井壁负摩擦力等建议。

　　关键词　疏水沉降地层　井壁破坏　负摩擦力

1　概　述

　　冲积层疏水引起的地层压缩和沉降是世界上许多城市所遇到的社会公害和工程地质界所关注的研究课题。近年来，在我国黄淮地区的淮北、徐州、大屯、兖州等许多矿区，由于提高开采上限和回采放顶煤，四系底含水渗入井下，水位降低，从而出现了类似的四系底部冲积层压缩和上部地层沉降的问题。
　　冲积层疏水压缩和沉降对地面和地下结构物都将产生不良影响。对于煤矿立井，由于井壁本身的竖向刚度很大并生根在基岩上，在冲积层压缩和沉降时不能随之压缩和沉降，导致井壁与地层之间产生相对位移，在井壁外侧面上产生向下的作用力，在井壁内产生附加的竖向压应力，从而引起井筒的竖向压缩。当竖向附加压应力与地层沉降前井壁的初始应力之和超过井壁材料强度时，井壁就会出现竖向压缩破坏。据调查，出现井壁破坏的矿区底含水头下降幅度一般可达6～33 m/a，而地层则以30～70 mm/a的速度沉降，到目前为止，有的矿井地表沉降已超过了600 mm。从现有资料看，当地层沉降接近200 mm时，井壁就有被压坏的可能性。
　　据初步统计近10 年来，已有19个生产矿井的41个井筒出现竖向压缩破坏。其中冻结井筒有35个，钻井井筒6个；分布在淮北矿务局的共15个，徐州局7个，大屯煤电公司6个，兖州局9个，济宁地方煤矿3个，淮南局1个。有人估计，由于井壁破坏造成的直接损失已达10多亿元。到目前为止，类似的井壁竖向压缩破坏仍时有发生，有一些井筒经修复后再次出现了破坏，人们对这一问题的认识和采取的防治措施等方面也还存在较大分歧。

2　井壁破坏特征与机理

　　疏水沉降地层井壁受力与破坏主要有以下特征：
　　(1)井壁由浅到深大范围内都表现出明显的竖向压缩，井壁破坏以竖向压缩破坏为主，井壁压缩、破坏出现在井筒建成以后。说明这些井筒在建成后受到了一个附加的竖向力作用，而与地压、井壁自重等一般初始荷载关系不大；
　　(2)井壁竖向压缩呈逐渐增大的过程，在同一矿区内井壁破坏的时间较集中，与井筒建成时间关系不大，而与矿区冲积层底含疏水时间或由此引起的地层沉降大小都有明显的相关性；
　　(3)井壁的压缩破坏先都发生在疏水压缩的冲积层底含附近，说明在底含附近井壁所受的竖向附加力较大；
　　(4)不同结构、强度和施工质量的井壁都有发生破坏的，表明这些不是引起井壁破坏的根本原因。同时也说明作用在井壁上的竖向附加力是变化的，对于强度高的井壁可以很大。
　　根据有关土力学知识和模型试验结果，结合上述井壁的变形和破坏特征进行分析，井筒周围地层由于疏水沉降与井壁产生相对位移，在井壁外表面与地层之间将产生向下的作用力，即负摩擦力。在负摩擦力作用下，井壁内要产生一个附加的竖向压力(简称竖向附加力)，从而使井筒压缩、沉降，甚至破坏。这是上述井筒破坏的根本原因。此外，井壁还要承受地压、井壁自重和由于井内温度变化、冻结壁融沉等而引起的外力，但这些并不是破坏井筒所特有的，可以不作重点研究，在计算时可引用过去的实测结果，并作为初始力加以考虑。
　　最近有人提出，由于地下水冲刷，在井筒周围将造成孔隙，从而引起地层沉降和井壁破坏。这一假设，一方面与大至整个矿区的大范围地层沉降不符，另一方面也有悖于破坏井筒在高压壁后注浆后继续压缩、破坏的事实，所以尚缺乏有说服力的证据。关于矿区的地壳运动或其它地质构造原因造成井筒弯曲的说法与井壁的变形和破坏形态有很大出入，况且其强度甚小(已有许多井筒经过了强烈地震的考验)，故基本上也可以排除在外。

3　井壁竖向附加力计算问题

　　如前所述，引起井壁破坏的根本原因是井壁的竖向附加力，竖向附加力的大小取决于作用在井壁外表面的负摩擦力，根据平衡关系，任一水平的竖向附加力为上部作用于井壁上的负摩擦力之和，所以，负摩擦力计算已成为井壁破坏问题研究的理论关键，这也是当前存在分歧最大的问题之一。
　　根据土力学理论和地下筒仓、桩基等的负摩擦力试验结果，负摩擦力大小与地层的自由沉降量、井壁的刚度和几何尺寸、井壁与地层的接触面特征和力学性质、地层的透水性和地压大小等因素有关，负摩擦力F与地层和井壁的相对位移ΔS的关系曲线如附图所示。它由3部分组成，第1部分oa段近似为直线，表明井壁与地层间无滑移，地层基本处于弹性状态，直线的斜率与地层的剪切模量和井筒外径有关，称等效刚度系数，其大小主要取决于地层的剪切模量和井壁的外径；第2部分为ab段，由于井壁与地层之间部分产生塑性滑移，曲线斜率随ΔS的增大而逐渐减小，至b点斜率等于零，负摩擦力达极限值(最大值)，极限负摩擦力主要取决于井壁与地层间的摩擦系数、地层的透水性和地压大小等因素；第3部分为bc段，此段井壁与地层间全部进入塑性滑移状态，因此，负摩擦力略有减小，这一部分对工程意义不是很大。

附图　F-ΔS关系曲线

　　关于负摩擦力取值，过去主要采用两种方法：
　　(1)按井壁混凝土强度反算，如按井壁设计强度反算推荐负摩擦力约为60kPa，根据井壁混凝土的实测强度反算为68～120kPa。
　　(2)通过室内模型试验确定，推荐取30～60kPa。
　　从理论上讲，按井壁混凝土实测强度反算负摩擦力是最准确的，但实际使用时也存在一些问题，首先是采用的强度公式对竖向附加力的计算结果有很大影响，有试验表明，井壁在竖向和侧向双向受压时，承受竖向荷载的能力可以超过单轴抗压强度的2.5倍，说明过去采用第四或第三强度理论计算的井壁竖向附加力可能比实际的要小得多；二是井壁破坏时与地层之间没有完全处于塑性滑移状态，因而反算得到的并不是负摩擦力的极限值，如地层和井壁的沉降量发生变化，负摩擦力也将改变。
　　室内模型试验，因原始地层特性、地层和井壁的变形影响范围、井壁的施工与承载过程等都很难模拟准确，故要真正做到定量化是困难的。如过去曾用试验方法确定负摩擦力分布，结果是井筒浅部的负摩擦力反而比深部的要大1.0倍，这显然是值得怀疑的。又如用试验确定滑动井壁的夹层材料，结果夹层的强度可以远大于周围土层的强度，这与夹层能够滑动的要求也是不相符的。
　　参照有关土力学和桩基负摩擦力的计算方法，桩体与地层间的摩擦系数可取为：粘土，0.2～0.25；砂质粘土，0.25；砂土，0.35～0.5。按此计算，并设计算深度为H(m)，计算水平水头高为H_W(m)，取地压为11.5H(kPa)，则井壁的极限负摩擦力约为：粘土，(2.3～2.875)H(kPa)；砂土，(0.35～0.5)(11.5H-10H_W)(kPa)。如井筒所穿表土厚250m，其中一半为粘土层，一半为砂层，砂层地下水水头与埋深一致，由于井壁外表面非常粗糙，井筒所穿地层密实，摩擦系数取上限，则井壁的平均极限负摩擦力为225 kPa，要远大于上述推荐值。如要计算井壁与地层间没有出现滑移时的负摩擦力，可以采用有限元等数值方法。我们参照桩基负摩擦力计算的传递函数法，开发了类似的井筒竖向附加力计算程序，并提出了简化的解析计算公式。现在存在的主要问题是缺乏正确的地层力学参数，这最好通过工程反分析法来确定，如通过实测地层沉降量和对应的井壁压缩量，可以比较准确地反算出地层的剪切模量。

4　井壁破坏防治措施综述

　　从负摩擦力和井壁竖向附加力的形成机理分析，解决井壁破坏问题不外乎有以下四方面的措施，即阻止井筒附近地层沉降；提高井壁强度硬抗；减小土层与井壁(或内壁与外壁)的摩擦系数，使地层沉降时土层与井壁(或内壁与外壁)能分离或滑动；井壁下部设可缩层，井壁能随着地层沉降而沉降。下面简单分析这些措施的优缺点和存在的问题。

4.1　阻止地层沉降的方法
　　第1个办法是阻止地层水位下降，可以采取回灌、降低开采上限、不采放顶煤等措施，问题是经济性如何，具体的实施方法、效果也都不太清楚，有很多工作要做。第2个办法是含水层注浆充填，经过初步计算，要有效减小井筒附近的地层沉降，注浆范围要求很大；由于注浆的目的主要是防止地层压缩和隔水，注浆材料可以选用较经济的粘土水泥混合浆液。

4.2　提高井壁强度硬抗
　　生产矿井筒要提高井壁强度很困难，破壁注浆可以看成是提高井壁强度的一种方法，但从实施情况看，不解决根本问题。新井设计中可以采用高强混凝土、铸铁丘宾筒、钢板混凝土和加大井壁厚度等来提高井壁强度，问题是负摩擦力如何取，要加强到什么程度。如按前面的算例，表土厚250 m，地层中有一半以上为不透水的粘土层，极限负摩擦力平均将达225 kPa，而现在的井壁按设计平均只能承受约60 kPa的负摩擦力，说明要硬抗是比较困难的。硬抗的另一个问题是井壁在很大竖向附加力作用下，尽管不被压坏，但整个井壁难免要产生较大的竖向压缩，从而可能影响井内设施的正常运行。

4.3　土层与井壁(或内壁与外壁)之间能滑动
　　对于钻井井筒，由于施工时地层与井壁之间有泥浆，只要改变一下固井方式(如只局部充填基岩段和井颈部分)就可以做到使地层与井壁间能滑动；也可以采用双层井壁结构，在壁间充填泥浆或沥青，这样只是成本会增加一些。对于冻结井筒，一般需要采用沥青钢板夹层滑动井壁，问题是费用较高，至于改变夹层材料(包括施工工序)以降低成本的尝试至今还没有获得成功，但不失为重要的研究方向。
　　采用上述方法的优点是基本排除了负摩擦力的计算问题，井内设施不受影响，但这种方法只能应用于新井建设。

4.4　井壁下部设可缩层
　　在地层压缩段附近的井壁上设一可缩层或开一卸压槽，使得井壁能随着地层沉降而沉降，从而消除负摩擦力。
　　这种方法的优点是简单、易行、效果好；缺点是可缩层处仍然存在管线和罐道会被压弯的问题，这可以用可伸缩的管线和罐道来解决，另外对可缩层处的防水要求较高，一般应选在粘土层中或基岩中，否则应进行壁后注浆。

5　建　议

　　(1)对于新井，钻井井壁建议采用改变固井方式的方法，只要解决井颈部位的局部壁后充填问题。冻结井壁建议优先采用设可缩层的方法，但需要解决井内管线和罐道的可缩问题，可缩段最好设在风化带下的稳定岩层中，此时需要解决风化段岩层与井壁间的滑动问题；经过经济技术论证后，冻结井也可采用滑动井壁，特别是可以回采井筒压煤时，需着重研究简化夹层结构和改善其施工工艺以降低成本的问题。在表土层较薄(如150 m以内)、砂层较多时，作用在井壁上的平均极限负摩擦力和竖向附加力均小，故可优先考虑采用提高井壁强度硬抗的办法。
　　(2)对于已建井筒，建议优先采用开卸压槽的方法，但开槽位置应在底含上方的粘土层中，并进行必要监测。如开槽在砂层中，必须进行壁后注浆封水，即使这样，井壁的安全性也较难保证。此外，还需研究解决井内管线和罐道的可缩问题以及卸压槽的一些设计问题。其次是进行大范围的地层充填注浆。从防止地层压缩和井壁破坏处漏水的要求看，用粘土水泥混合浆液较好，但这种方法的效果有待检验，如能结合开卸压槽的方法，则估计处理效果会较理想。
　　我们认为，通过10 a来的研究、试验，对井壁破坏的原理已有了更全面、深入的认识，上述新井设计和破坏井壁处理方案的技术已经基本具备，一些具体细节可在方案实施中解决。为此，建议上级主管部门和有关矿区、设计院选择1个或几个点，结合具体工程进行设计和施工。我们相信，只要以客观、科学的态度，认真协力工作，一定会取得满意的成果。