特殊地层条件竖井井壁破坏机理

　　摘　要　回顾了十年以来竖井井壁破裂灾害发生的概况，介绍了10 年来联合、分工攻关研究防治所取得的成果和应用概况以及需要继续探讨的问题。

　　关键词　井壁破裂机理　竖直附加力　厚表土层　防治技术　竖井

1　简单回顾

　　10 a前淮北、大屯、徐州等矿区发生了竖井井壁破裂灾害，继而扩展到永夏、兖州等矿区，至今已有40余个在厚表土层中的竖井井壁发生破裂。其共同的特点是：
　　(1)井筒井壁均位于厚表土层中，且表土层底部含水层直接覆盖在煤系地层之上，与煤系地层水力联系明显，含水层含水丰富但补给不足，从建井开始水位均有明显下降(称这类深厚表土层为“特殊地层”)，一般下降30～90 m；
　　(2)井筒内装备变形异常，罐道梁向上弯曲，罐道、排水管等弯曲，甚至扭曲变形造成卡罐事故，井壁呈现下沉特征；
　　(3)井壁破裂时伴有声响，内壁混凝土剥落，内侧纵向钢筋均向井内弯曲，均为横向或近似水平的裂缝，破裂带高度1～10 m左右，破裂处多在表土层与基岩交界处附近，距地面100～250 m。破裂带渗水，甚至水中带砂；
　　(4)工业广场均有下沉，井壁亦有不同步下沉；
　　(5)井壁破裂多发生在1987年夏季及以后的每年4～10月间。
　　井壁破裂灾害严重影响矿井的生产，危及安全，迫使部分矿井停产，如张双楼矿、海孜矿、临涣矿等均停产2～8个月，造成重大经济损失。
　　这一突发性灾害来势之猛、坏井之多、范围之广、危害之大为建国以来煤炭行业所未有，国际采矿史上所罕见，对华东地区覆盖厚表土矿区开发构成了威胁。
　　由于井壁破裂灾害发生的时间和地区相对集中，曾认为是地震的影响。经调研得知，1985年以来，这些地区处于地震平静期，除1987年仅有几次2级左右的小震外，无异常现象。在1966年邢台7.3级地震中，邯郸、邢台、峰峰矿区井筒井壁均未破坏；1976年唐山大地震，开滦矿区井筒破坏部位主要是地表以下20 m范围内，其破坏特征与华东地区不同，因而基本排除了地震主因说。
　　有的专家认为是井壁工程质量欠佳。经了解，质量不佳的井壁和优质井壁都发生了破坏，甚至个别质量差的井壁还未破坏，单纯用工程质量优劣难以解释，但认为质量仍是一个因素。
　　有的专家从地质学和工程地质学角度分析，怀疑是郯庐大断层活动的影响。但在大断层附近的开滦、东北等矿区井壁并未大量破坏，而如何影响的尚不能证明。
　　还有专家根据井壁破坏前罐道弯曲甚至卡罐、排水管扭曲等特征，认为有一个向下的竖直力导致井壁压缩破坏。但力如何产生的、如何作用在井壁上、影响因素是什么等，均不得而知。
　　为查明井壁破裂机理和影响参数值，以便研究开发治理技术和防止新建井筒井壁破裂的井壁结构、设计原则和方法，有关生产、科研、设计、院校单位进行了联合、分工攻关研究。

2　10 a的成果
　　当时，对井壁破裂机理不明，地层与井壁相互作用的关系不清，深部土的力学参数缺乏，因此，用数学分析研究不具备条件，用数值模拟(即计算机模拟)无论其可行性和难度都有待研究探讨，故采用室内模拟试验和模型试验与现场工程监测相结合的技术路线。与此同时，对已破坏的井壁采取加固和注浆堵水等措施，观察井壁变化，并探讨这些措施的治理效果。
　　为此，在实验室开展了大量的模拟试验和模型试验研究，历时近5 a。在淮北矿区79 km²范围内建立了大面积的工程地质、水文地质和地层变化观测系统，在淮北和大屯建立了井壁监测系统，对井壁的应力、应变、位移、温度等进行监测。同时把监测技术扩大到永夏、兖州矿区，对适合于竖直附加力的新型井壁的模拟试验研究和工业实验与应用，至今还在进行。取得以下成果：

2.1　模拟试验研究证明，竖直附加面力导致井壁破裂
　　1989年5月，中国矿业大学与大屯煤电公司合作，以相似理论为基础，用模拟试验研究，首次以科学实验数据证明了：在深厚表土层中含水层直接覆盖在煤系地层上，含水层水量丰富但补给水不足的特定条件(即特殊地层条件)下，由于采矿活动或人为疏排水使含水层水位下降，土体有效应力增加，土层固结压缩，造成地层下沉；在地层下沉过程中对井筒外壁施加一个向下的竖直附加面力，又称竖直附加力，该力是导致井壁破裂的主要原因。
　　此后，淮南矿业学院用对比井壁受不同组合力时的破裂形态的模型试验，得出了井壁是由竖向外载过大造成破裂的结论，支持了上述破裂机理的论证。淮北矿务局、淮南矿业学院、北京开采研究所等于1994年5月完成了淮北矿区的监测和对井壁的监测研究，得出了与模拟试验相吻合的结论，仅有数值差别，但井壁破裂机理相同。
　　根据上述理论，对井壁破裂的治理和预防可采用以下技术：
　　(1)“抗”，即提高井壁材质，或加大井壁厚度，增强井壁整体强度承受这一外载；
　　(2)“让”，即改变井壁结构，使其竖向可缩，适应土层固结压缩和地层下沉，保障井壁安全；
　　(3)“减”，即充填加固含水层，减小以至消除土层固结压缩，从而减小地层下沉及其造成的竖直附加力，达到井壁安全的目的。

2.2　模拟试验获得竖直附加力分布规律
　　中国矿业大学与大屯煤电公司继续合作，通过模拟试验，首次获得深度300 m以内的特殊地层中竖直附加力沿井深分布规律及数值。在含水砂层中，竖直附加力为40～140 kPa，粘土质砂为20～100 kPa，砂质粘土为5～50 kPa，粘土层为5～30 kPa，其值随深度的增加和水位下降速率的增加而加大。首次获得竖直附加力与土性、含水层厚度、水位下降速率、时间等参数间的关系。
　　淮北矿务局从工程监测分析获得气候与井壁温度变化的关系，温度变化可使井壁产生竖向温度应力2～8 MPa，它是井壁破裂多在每年4～10月间发生的诱因。这些成果为井壁破裂的防治技术的开发与应用奠定了基础。

2.3　已破裂井壁的治理技术研究与开发
　　由于井壁破裂时有混凝土块剥落，易损伤井筒内装备和设备，因此要排除险情，对破裂处采用架槽钢井圈，然后喷150～250 mm厚的混凝土进行加固。裂缝有时涌水甚至带砂，因此有时在喷混凝土前进行注浆堵水。这些均属治标的应急措施，为已破裂井壁的治理争取了时间，创造了条件。

2.3.1　治理技术之一——开卸压槽
　　以“让”为主导思路，为达到减小竖直附加力的一个途径是使井壁可缩，以适应地层的固结下沉。因此，开发了用卸压槽卸井壁竖向应力的技术。1991年11月，淮北矿务局和淮南矿业学院合作提出了开卸压槽治理已破裂井壁可行性报告和该技术工业性试验的技术论证报告，进行论证后，在海孜矿主井进行了工业试验并取得成功。首先，用破壁注浆堵水并作防水处理，然后按设计位置用控制爆破法使卸压槽成型，最后在卸压槽内安放了可压缩的PVC板(图1)。

图1　卸压槽示意
1—内层井壁；2—外层井壁；3—加固段

　　自开卸压槽以来，在卸压槽处均有明显压缩下沉。例如，童亭矿风井自1993年8月到1994年12月卸压槽压缩21.2 mm，临涣西风井自1993年11月至1997年4月压缩43 mm。所有开卸压槽的井筒井壁自开槽至今的2～4 a中未发生破坏，保证了淮北矿区矿井正常生产。该治理技术已推广应用到兖州矿区的横河矿和鲍店矿风井。
　　该技术的缺点是，当卸压槽压缩量达到设计值后，需再次开卸压槽；同时随着井壁下沉要定时处理罐道和管路等，使其适应井壁下沉带来的压缩。

2.3.2　治理技术之二——破壁注浆加固地层
　　从井壁破裂机理可知，竖直附加力是由于疏排水造成地层固结沉降而产生，并随沉降量的加大而增大。采矿工程中疏排水是无法避免的。为减小附加力而设想用一种材料充塞加固地层，减小甚至制止固结沉降，从而减小竖直附加力，即“减”的技术路线。在用破壁注浆堵水中发现，注浆后有一段时间井壁稳定，时间自6个月至2 a不等。经分析认为，在注浆堵水的同时也对含水层起充塞加固、减小沉降的作用。
　　大屯煤电公司进一步开发应用破壁注浆技术，以加固地层为目的，加大加固范围达2.5～3.0 m，可保持井壁稳定2～6 a，当发现井壁再有不稳定征兆时，再次实施了注浆加固措施。该技术保证了大屯、徐州矿区的正常生产。
　　该治理技术的缺点是要定时占用井筒时间，适用于两班提升生产的矿井。

2.3.3　治理技术之三——地面注浆加固地层
　　中国矿业大学于1995年初完成了“加固地层法防治井壁破裂技术的可行性研究”，获得肯定的结论。同年4月，大屯煤电公司和中国矿业大学合作开展“深厚表土层含水层注浆加固参数与井壁竖直附加力变化规律的研究”项目。同年7月，鲍店矿主副井相继发生破裂灾害。经排险加固恢复生产后，在选择治理井壁方案时，考虑到该矿停产1 d损失200万元以上，且表土层较浅(约140 m)，矿方希望在基本不停产的条件下治理井壁，故选择地面注浆加固地层的治理方案。中国矿业大学和鲍店煤矿合作，以鲍店矿主副井条件为原型进行模拟试验研究(确定加固地层的参数)和加固地层后井壁可靠性评价的研究，取得预期成果，并于1996年3月应用于鲍店矿主副井井壁治理中。整个治理工程于1997年5月全部结束，取得成功。
　　该项治理技术的缺点是治理费用较高，工期较长。
　　根据不同地质、工程和生产条件，因地制宜地单独或综合应用上述的井壁破裂治理技术是成功的，它保证了已破坏井壁的治理修复和矿井正常生产。

2.4　新建井筒井壁的预防破裂技术
　　传统的井壁结构和设计原则是建立在井壁承受水平地压的基础上，表土层中井壁破坏的现实和竖直附加力的发现，使井壁结构设计原则由平面静力学转为三维动态力学问题，这是井壁设计观念的突破和更新。
　　特殊地层条件下井壁设计的原则是：用水平地压、施工载荷、竖直附加力按时间和工况组合选择井壁结构，按荷载不同组合分别进行井壁设计。
　　为预防新建井筒井壁发生破裂灾害，研究开发了下列井壁。

2.4.1　适用于冻结法凿井的“外让内抗”滑动可缩井壁结构
　　冻结法凿井井壁分外层和内层井壁。为适应竖直附加力，使外壁可缩而加了可压缩层，内壁因井筒装备不宜大变形，故使内壁“抗”，在内外壁间安放沥青滑动层使内外壁间可滑动(图2)，这种结构即满足井筒装备不变形，又适应地层下沉以减小竖直附加力。同时对可缩层受力变形特性、滑动层滑动和向内壁传力的力学特性进行试验研究，获得设计所必须的数据。该结构已在井壁设计中应用。

图2　“外让内抗”滑动可缩井壁结构示意
1—滑动层；2—外层井壁；
3—内层井壁；4—可压缩层

图4　内外壁均可缩的井壁结构示意
1—内层井壁；2—外壁可缩装置；3—沥青夹层；
4—内壁可缩装置；5—外层井壁