立井井壁破裂治理方案選擇的地質工程思考

胡 巍 徐德金 常金源

自1987年開始,我國徐淮地區深厚表土層中煤礦立井井筒相繼出現井壁破裂現象,這種新的地質災害嚴重影響了礦井生產與安全,造成了巨大的經濟損失[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,經過20余年發展,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、經濟性和實效性認識不深,以及對地質條件、井筒情況等調查不清,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濟損失。如兗州礦區部分井筒經過初次治理,短期內卻再次發生破壞[9]。因此,使各種工程措施適合破裂井壁的地質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象主要分布在表土層厚度較大的華東地區,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,破裂形態相似,呈現壓裂狀破壞,井壁內壁混凝土呈楔形剝落、掉塊,破裂處常見滲水、淋水甚至涌水、冒砂現象。這些特征與華東礦區表土層水文地質和工程地質情況有關。華東地區井田內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、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,且分布穩定,因而與上下含水層之間沒有水力聯系;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,而與其產生水力聯系。

礦區水位觀測資料證實,華東礦區水位降低主要發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,水位持續下降,變化量大,是影響井筒穩定性的主要因素。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

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、水文地質情況,包括巖性、含水性、顆粒組成等,在此基礎上,根據井筒條件和技術經濟性等因素,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,預防其發展;當井壁已發生一定程度的破壞,出現裂縫,井壁片狀脫落時,應果斷選擇井圈及時加固,防止嚴重事故的發生。

2)以井筒工程地質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揮其多重功效。

破壁注漿根據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于水泥漿液。鑒于許多礦區在井壁水泥注漿后井壁重復破壞發生滲漏,建議在經濟條件允許的情況下可優先使用化學注漿。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濟的措施,卸壓槽的數量、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,以經濟可行性為主要依據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,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驗,考慮實際施工技術可行性,預測治理效果和經濟成本,選取最優方案。

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,以工程地質條件、水文地質條件、工程造價及對礦井正常生產的影響等為依據,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工程地質因素,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,即:根據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,重點確定其數量、位置和尺寸;以經濟可行性為主要依據考慮是否選用地面注漿加固地層。

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