煤礦井壁破壞的原因分析及對策

唐方圓

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

井筒是礦井的咽喉部位，是井下工作人員上升到地面上的唯一通道，井筒的安全關乎井下工作人員的生命安全，不可小覷。由于井筒埋深較大，經過各個地層，巷道在此處立體交叉相互交錯，集中應力大，受力狀態復雜。很多井筒都會在井壁處發生不同程度的破裂。煤礦井壁的破壞，給煤礦帶來了巨大的安全隱患以及經濟損失。我國自1987年7月臨渙、海孜、童亭三個礦井9井筒發生嚴重破裂以來，全國約有200約個井筒發生不同程度的破壞。盡管該問題已有前人做出了大量的模擬實驗與論證，發現了豎直附加力是破壞井壁的最主要原因，但是近年來仍有煤礦井壁破壞的發生。本文試圖通過對40多個煤礦井壁破壞實例的統計分析，找出其一些破壞規律與特殊特征，并對已壞井壁的加固修復方法進行總結完善，選出最優方案。以期對今后防止煤礦井壁破壞和決策修復加固方案起到一定的指導作用。

1 破壞的規律性分析

1.1 井壁各種破壞因素

統計結果見表1，從表1來看，總共40多例破壞井壁，井壁的破壞與5個因素有關表1，分別是疏水沉降、凍結融沉、開采沉降、地下水酸堿腐蝕、淋水作用和施工質量、設計缺陷等問題因素；其中疏水沉降的井壁有27例，凍結融沉破壞的井壁有10例；地下水酸堿腐蝕，淋水作用破壞的井壁有8例，開采沉降、施工質量、設計等問題破壞的井壁共有8例，破壞的數量并不很大。另外，有的井壁破壞是由其中總結因素綜合影響下的破壞。從表1中看，疏水沉降所占權重比為50%，說明井壁的破壞大部分是由于疏水沉降造成的，作為井壁破壞的首要影響因子。而凍結融沉造成的井壁破壞所占權重比為18%，地下水酸堿腐蝕，淋水作用造成的井壁破壞所占權重比為15%，這兩大因素所占權重比中等，是井壁破壞的第二影響因子。對于開采沉降，施工質量，設計等問題這兩大因素，對于井壁破壞所占權重比分別為7.5%和7.5%，對于井壁的破壞為第三影響因子。

表1 部分井壁破壞因素統計表

1.2 疏水沉降因素的時間規律

通過數據的統計收集，發現特定的井壁破壞因素有著特定的時間規律。通過origin軟件將收集的數據表格通過散點圖的形式展現出來，可以更加直觀地發現時間規律。

通過圖1發現，疏水沉降造成的井壁破壞大都在煤礦竣工結束后5年到15年間發生破壞，基本上在10年周圍波動，從中可以得出疏水沉降造成井壁破壞是一個極其緩慢的過程，時間跨度比較長，對于一個新礦井壁的預防時間可以設為10年為預警檢查值。對于首要因素不可以避免但是可以減緩和預防。

圖1 疏水沉降時間關系表

1.3 井壁破壞時間規律

通過對數據中的50多例礦井破壞月份的統計，繪制出圖2～3。

圖2 礦井破壞月份散點圖

圖3 破壞月份權重比柱形圖

從圖2可以很直觀地看出，在一年中，大量的井壁破壞發生在6月附近。再通過圖3可以看出，5～8月，井壁破壞的數量權重比占得比較大，分別為14.29%，23.8%，19.04%，而其他月份則相應地減少，圖形類似于正態分布，查閱安徽省氣象預報官網，對比安徽省(研究的礦井大多是安徽省內和周圍省份的礦井)一年中的各月份平均氣溫繪制圖像見圖4，同時將圖3做成點線圖見圖5，發現兩圖有近似相同的趨勢。

通過圖4～5可以分析出井筒破壞與季節溫度是有關系的，在溫度越高的月份，破壞的井筒數量越多，可以推測出在高溫季節井壁破壞的概率更大，由于井筒內的風流溫度在夏季和冬季可相差20℃左右，溫度變化引起井筒的熱脹冷縮在高溫季節井筒要縱向膨脹，由于受到周圍層的約束，井壁將受到方向向下的附加力作用，反之在低溫季節井壁會受到方向向上的力的作用，因此，井壁在高溫季節處于更不利的受力條件下，這也是為什么井壁破裂多發生在5～8月。

圖4 安徽省全年溫度點線圖

圖5 破壞月份權重比折線圖

2 破壞原因與修復方法及其具體措施

2.1 疏水沉降

表土含水層的水壓因開采活動以及地質構造活動而下降，該疏水層的有效應力增大產生固結壓縮,并引起了上覆土體下沉，土體在下沉過程中對井壁外表面作用有向下的豎直附加力。

2.2 凍結融沉

人工凍結法通過人工制冷的方法，將地層中的水凍結，把自然狀態的巖土變成人工凍土，增加其強度和穩定性，作為臨時的加固措施。但是這種方法的缺點是凍土在融化時排水固結引起融沉，破壞井壁。

2.3 開采沉降

礦產被采出以后，采區周圍巖體內部原有的力學平衡狀態受到了破壞，使巖層發生了移動、變形和破壞。當開采面積達到一定范圍之后，移動和破壞將波及到地表。其中對井壁的破壞也是不容小覷的。

以上因素的根本還是由于井壁受到了地層對其向下拉力，即豎直附加力。豎直附加力是導致表土段立井井壁破裂的主要原因，因此，防治井壁破裂應主要從改變井壁結構和減小疏水層的壓縮量這兩方面入手。為適應地層下沉,在井筒內壁(凍結井井壁)或井壁內側部分(鉆井井壁 )開一個環形卸壓槽 ,允許井壁隨地層沉降而發生縱向位移,通過這種方式消除或削弱豎直附加力。同時應加固含水層,減小其固結壓縮量和地層整體沉降量,從而減小豎直附加力。在這個思路的指導下,破壁注漿和地面注漿加固地層，治理井壁技術先后被研究應用。

2.4 地下水酸堿腐蝕，淋水作用

井壁淋水中高濃度硫酸根離子與井壁混凝土中的水泥石體反應，生成難溶性膨脹物質，最終造成混凝土崩解粉化。一般都是高濃度硫酸根離子的腐蝕作用，腐蝕井壁。修復方法滲漏水點化學注漿封堵，粉化破裂區塊錨網噴修復壁面并且使用硅烷浸漬防腐。用膨脹混凝土澆筑內壁并取消防水夾層,以防止內壁混凝土因自身收縮而開裂和與外壁脫離形成串水通道;增大內壁厚度,提高井壁滲能力;在外壁混凝土中摻加早強減水劑,外壁采用小角度刃角模板接茬以改善其封水性能。過去沒有重視地下水腐蝕對井壁的破壞，因此，在統計中發現有大量的井壁是由于地下水的腐蝕而導致井壁的粉化涌水，所以需要從根本上預防地下水的腐蝕，在設計施工期間，就應對井壁外側進行相應處理。

3 結 論

1)井壁的破壞因素中，疏水沉降和凍結融沉占大多數，地下水酸堿腐蝕、淋水作用也很常見，而開采沉降、施工質量、設計等問題所占比例較小，要重視地下水對井壁的腐蝕。

2)疏水沉降有顯著的時間規律。

3)煤礦井壁的破壞大部分集中在5～8月。

4)不同的破壞原因有專門對應的修復方法，但仍然需要結合各個礦井的地質條件。

4 結 語

井壁的破壞問題，國內外已經研究了很多年，豎直附加力的發現和提出對現在的設計、施工以及破壞后的修復治理，都有著相當大的幫助，對于這個問題，我們也積累了相當豐富的經驗。筆者認為只要在設計、施工、預防上重視，下功夫，井壁破裂可大大減少。井壁的破壞最主要的還是地質條件的原因，因而應加強水的治理，減少施工對地層的影響。

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