興隆莊煤礦西風井安全性評價

張圣才，劉 偉，魯開玉，豐新寧，裴少亮，翟珂

（兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦, 山東 濟寧 272000）

0 引 言

自上世紀80 年代以來，徐淮、兗州、濟寧等多個礦區相繼出現井筒失穩、罐道彎曲變形、井筒環向破裂、鋼筋外露等由于非采動影響造成的破壞，這嚴重影響到煤礦的安全、高效生產[1]。因此針對井筒災害的預測和安全性評價對煤礦的安全生產具有重要的意義。造成井筒發生破裂的主要原因是由于含水地層因疏水下沉引起地層壓縮，增大了土體內部的有效應力，與之同時也會在井壁上形成附加應力。隨著地層的不斷壓縮，施加在井壁上的附加應力會增大，當附加應力達到井壁的強度極限時，井筒便發生破裂[2-7]。由此可見，井筒所穿過地層的水位變化，下沉量以及壓縮情況均可間接反映井筒的穩定性。筆者對興隆莊煤礦西風井卸壓槽壓縮量，所處地層水位下降量進行觀測，并對數據進行擬合整理，同時結合興隆莊煤礦以往的井筒治理經驗和井筒實際情況，運用經驗評價法和模糊數學評價法于2016 年12 月對西風井進行穩定性評價。

1 西風井概況

西風井井筒穿過第四系沖積層，其穿過的沖積層厚度遠大于井筒破裂的最小沖積層厚度（86m），所處地層中的含水層水位明顯下降，地層緩慢壓縮，即西風井井筒破裂的因素一直存在。同時西風井曾于1996 年和2002 年實施過治理工程，1996 年實施第一次治理，以套壁加固為主，輔助以壁厚注入水泥漿和開掘卸壓槽來達到加固井壁的目的；2002 年第二次治理措施以卸壓槽為主和輔助以壁后注入化學漿，開鑿卸壓槽設計高度為400mm。

鑒于卸壓槽服務年限的限制，同時因部分卸壓槽壓縮木壓縮高度接近設計所允許的最大壓縮量這兩個因素，為了防止因井筒突發破裂而對礦井安全生產構成威脅和經濟損失，有必要對西風井的穩定性進行分析評價，以便為后期治理西風井選擇合理的防治方案。

2 經驗評價方法

根據西風井所處的地質條件和井筒的實際穩定性，運用經驗分析法從含水層水位降、地層壓縮量、卸壓槽壓縮量和治理工程服務年限等幾方面對西風井進行綜合評價。

2.1 水位降下降量

在礦井的生產過程中，第四系松散層底的含水層水位一直在緩慢下降，水位下降正是直接導致松散地層壓縮和井筒破壞的動力。為取得西風井附近的水位下降的動態變化過程，遂布置Q下- 6 監測孔監測西風井附近“三含”水位的變化過程。對西風井自第二次治理后（2003 年1 月28 日）到本次評價期間的“三含”水位變化進行擬合分析見圖1。

圖 1 Q 下 - 6 孔水位回歸

由擬合結果知，決相關系數R2為0.94，曲線擬合性好，得到水位變化計算公式：

y=0.1495t- 71.239 R2=0.93825

式中：y 為具體時間的水位，m；t 為時間，月；R2為相關系數。

根據上述水位變化計算公式預測得知2016 年12 月 31 日，t=167 月，Q下- 6 孔的水位為 - 96.2055m，比2003 年下降26.6765m。

根據興隆莊煤礦以往的井筒治理經驗知，卸壓槽高度的變化與水位降的變化呈現正比的關系，所以在前一次以卸壓槽為主治理時，后續評價時所允許的水位降便要做出調整。西風井歷次治理時，其卸壓槽設計高度均為400mm，故其水位降修正系數取1。此次評價允許水位降為第一次治理完到第二次治理實際水位降與修正系數的乘積，即本次評價的允許水位降為22.616m。由Q下- 6 水位擬合結果預測從第二次治理后到2016 年12 月西風井水位降為26.6765m，達到允許水位降的118%，結果顯示西風井在2016 年12 月有破裂的可能性。

2.2 地層壓縮量

根據興隆莊煤礦西風井2014 年9 月至2016 年4 月地層觀測結果，整理得出地層變形量與時間的關系見圖2、圖3。

圖2 全段地層累計壓縮

圖3 三含地層累計壓縮

分析得出全段地層和三含地層壓縮變形公式如下；

全段地層：

y1=0.00302t+0.00141 R2=0.78

三含地層:

y2=0.00297t- 0.00192 R2=0.95

式中：y1、y2分別為全段地層、三含地層壓縮量，mm；t 為時間，月; R2為相關系數。

根據上述公式預計至2016 年12 月，t=27 月，全段和三含底層的累計壓縮量分別為：83mm 和78mm, 它們的壓縮速率分別為：3.074mm/ 月和2.889mm/ 月。

實踐證明，地層的壓縮與卸壓槽的壓縮量之間存在一定關系，隨著底層的壓縮卸壓槽高度會逐漸變小，且卸壓槽的壓縮總是滯后于地層的壓縮，因此可以根據卸壓槽的壓縮情況反推出地層的壓縮情況。現將西風井新卸壓槽壓縮量的變化量進行擬合分析，其擬合分析結果如圖4 所示。

圖4 新卸壓槽壓縮量擬合

由新卸壓槽壓縮量回歸結果可知卸壓槽壓縮量的預計公式為：

y=- 0.0036t2+0.42242t+64.61 R2=0.99

式中：y 為泄壓槽累計壓縮量，mm；t 為時間，起始時間為2011 年1 月31 日，對應時間t=1;R2為相關系數。

由擬合結果預測截至2016 年12 月31 日新壓縮槽的累計壓縮量為76.8mm。根據實測結果，興隆莊礦主井第一次工程期間卸壓槽累計壓縮量107mm，同時地層壓縮量為197mm。卸壓槽壓縮量與地層壓縮量之比為0.54，所以可預測到2016 年12 月地層壓縮量76.8/0.54=142.22mm。若按全段地層壓縮速率，則所需要的時間為 142.22mm/3.074 月 =46.2 月 =3 年10 個月；若按三含壓縮速率，需要壓縮時間為142.22mm/2.889 月 =49.2 月 =4 年 1 個月，綜合這兩個結果可知西風井應立即進行治理。

2.3 卸壓槽壓縮量

在評價井筒穩定性時，卸壓槽還能否繼續有效工作是一個重要評價指標。西風井第二次治理以卸壓槽為主，設計卸壓槽壓縮預警量為20%，開槽高度為400mm，設計卸壓槽的壓縮量為卸壓槽高度的25%左右。

根據圖4 擬合結果預測2016 年年底卸壓槽壓縮量和76.8mm，達到卸壓槽高度的19.2%，接近20%的預警值，這表明泄壓槽卸壓效果逐漸下降。同時由于西風井已經開有多個卸壓槽和前期治理以 “地層注漿”、“套壁” 的治理措施都會對卸壓槽的極限壓縮量產生一定影響，之前的設定的卸壓槽壓縮指標將在一定程度上不再適用，而且在2016 年3 月以后卸壓槽的壓縮量沒有再發生任何變化，這將直接導致井壁再次出現應力集中，大大的增加了井筒破壞的可能性。綜合上述結果，預計2016 年12 月前西風井需要再次進行治理。

2.4 治理工程服務年限

井筒治理工程的服務年限也是評價井筒穩定性的一個重要指標，評價的方法是比較最近一次的治理工程的服務年限是否達到早前治理工程的服務年限，如若遠低于早前的服務年限，那么井筒相對比較穩定，需要治理的可能性就小，反之則需要進行評價與治理。現整理西風井之前的治理工程服務年限，見表1。

表1 興隆莊西風井治理工程服務年限

根據整理的結果可知截至到2016 年12 月西風井第二次防治工程的服務年限為14 年1 個月，已經超過第二次治理工程的設計服務年限3 年，并且超過第一次治理工程的實際服務年限6 年。按治理工程服務年限因素分析，2016 年12 月前西風井有需要實施第三次治理工程的可能性。為使得本次評價更具為準確，所以加以模糊數學聚類分析法進一步對井筒穩定性進行評價。

3 模糊數學聚類分析法評價

模糊數學是研究和處理模糊現象的科學，他所揭示的是客觀事物之間差異的中介過渡性引起的劃分上的一種不確定性。在評價反復出現破壞現象的井筒的穩定性時，可將其分為破裂和未破裂兩種，同時在評價過程中要綜合各種因素，這些因素的發展過程與井筒發生破裂時具有非線性特征的。采用模糊聚類分析方法，可將多個因素綜合起來化為單因素來提高評價的準確性。

井筒經過反復治理后，要再次對其穩定性進行評價時，其評價因子則不再像之前那么單一，根據對井筒發生多次破裂的認識，所以此次的評價因子選擇如下：①井筒直徑（Y1）。根據彈性力學理論，井筒直徑越大，井壁受力越大；②沖積層厚度（Y2）。根據土力學理論，沖積層厚度越大，井壁受力越大；③水位降（Y3）。水位降是地層壓縮與井筒破裂的動力，水位降大，地層壓縮量大，井筒破裂可能性大；④卸壓槽壓縮率（Y4）。在卸壓槽有效的情況下，卸壓槽壓縮率越高，越接近壓實；⑤多處破裂（Y5）。由于井壁多處破裂，卸壓槽的壓縮量不能表示井壁所有的壓縮量，或套壁后卸壓槽卸壓效果不佳；⑥服務年限率（Y6）。井筒治理后時間越長，越接近上一次治理的實際服務年限和設計服務年限，再次治理的可能性就越大；⑦治理方式（Y7）。地層注漿與卸壓槽治理方法的不同，其治理效果也不同。在此將二者進行量化處理，地層注漿取值為0，卸壓槽取值為1；⑧沖積層壓縮速率（Y8）。地層壓縮率越大，則井筒受力越大[1]。整理興隆莊礦已破裂井筒的評價結果和西風井的預測評價結果見表2。

表2 井筒的評價

1） 聚類分析評價值越大，表明井筒破壞的可能性越大；

2） 興隆莊煤礦西風井進行聚類分析，其結果為0.531，由表2 中的數據可知此次只有西風井的分析值大于已知破裂的井筒的模糊聚類分析值0.498，因此西風井破裂的可能性很大，應盡快進行治理。

4 結 論

1）根據井筒發生破壞的機理，本次評價選取主要影響井筒穩定性的因素，并輔助以模糊數學評價的方法，將已有經驗和數學方法相結合，使得本次評價在理論和科學準確性都更加符合實際治理情況。

2）在對重復破裂的井筒進行評價時，從水位降進行評價，并考慮到其他因素對水位降的影響，同時也從地層壓縮量、卸壓槽壓縮量以及治理工程服務年限對井筒進行綜合評價，運用模糊數學評價法在以往的評價因素如地層壓縮量、水位降、壓縮槽壓縮量、工程服務年限的基礎上又引入了治理方式、地層壓縮率、沖積層厚度等因素，將多個因素化為單因素進行分析評價。

3）綜合考慮整個評價的結果，最終認為在2016年12 月31 日之前，西風井破裂的可能性很大，需要立即進行相關的治理工作。