臨渙礦區深厚松散層井壁變形破裂機理

張 輝

（安徽省煤田地質局水文勘探隊，安徽 宿州 234000）

井筒是煤礦安全生產的咽喉部位，一旦發生破裂，往往嚴重地影響礦山的正常運營，危及生產安全，造成重大經濟損失。作為工程中面臨且必須解決的核心問題，井筒破裂問題已逐漸成為巖土工程研究領域關注的焦點，并取得了許多應用性成果和相關學說，其中較為著名的有“井壁豎向附加應力說”[1-5]、“新構造運動說”[6]、“滲流變形說”[7-8]、“井壁施工質量說”[9]。毫無疑問，這些學說對井壁破裂治理措施的制定起到了巨大的促進作用，但是由于地質條件的差異性，不同區域井筒變形破裂機理可能不同。

臨渙礦區自建井以來，先后有10余對井筒出現不同程度的破裂。破裂以來許多學者、專家對破裂原因從不同角度提出了許多有益的見解[7,10]，并針對破裂原因提出了一些防治措施（井圈加固、開設卸壓槽等），但該區井筒破裂仍未得到有效根治，最近兩年在臨渙礦區又有兩對礦井的井筒相繼發生了井壁破裂事故，并已影響到煤礦安全生產。為此，本文以臨渙礦區某煤礦副井為例，在系統分析、歸納和總結井壁破裂各種相關資料的基礎上，通過松散層現場取樣及室內實驗測得的物理力學參數，分別采用解析分析對深厚表土四含失水進行研究。

1 研究區水文、工程地質概況及井壁破裂的特征

1.1 研究區水文地質與工程地質特征

根據工業廣場各種鉆孔資料統計分析，第四系松散表土層厚度為235.0～289.8m，土層結構較復雜，一般可分為三個隔水層和四個含水層共七個工程地質巖組。主要水文與工程地質特征如下：

（1）一含受地表水及大氣降水的直接補給，每年枯豐期水位有2m 左右的波動，二含平均厚度較薄、底板平均埋深小，根據工廣及附近水源井統計資料，從建井初期到井壁破裂出水，二含水位最大降深5.2m，水位變化小，故失水導致的壓縮變形微乎其微。三含砂層較純，骨架強度高，壓縮模量大，其結構特點決定了三含失水亦不會產生較大的壓縮變形[10]。

（2）含、隔水層的交界面因含水層的疏排水導致孔隙水壓減小，但隔水層堅硬、密實的工程地質特性使其并不會向相鄰含水層產生滲流而壓縮。

（3）四含下部常發育有一厚度變化大，分布極不穩定的強風化帶，在一些薄弱或尖滅地段易與基巖的原生與次生裂隙形成“優勢水流通道”，使得四含在一定水動力條件下以越流下滲的方式泄入礦井。

（4）第三隔水層層位穩定，工廣范圍揭露厚度為47.2～98.2m，含水率較小，液性指數小于零，呈堅硬狀態，為區域性良好隔水層，使得四含與第三隔水層以上含水層失去水力聯系。

（5）四含粒度成分極不均勻，其組成結構特點決定了其水壓下降，內部擁有自由重力水的粘土質砂、砂礫層、粗砂等必然會產生較大的壓縮變形。圖1為該副井附近地表沉降與四含水位下降關系曲線，可以看出，兩者關聯性非常明顯，呈同步的下降趨勢。

綜上所述，四含以上含、隔水層均不會造成較大的壓縮變形，工業廣場地面沉降的主要原因是四含失水壓縮固結“攜迫”上覆土體同步下沉造成的，這一點已在圖1中兩者呈高度正相關關系可見一斑。由于井壁坐落于堅硬的基巖中，相當于固定支撐端，井壁在破裂前不能隨地層同步下沉，使得井壁與表土層間存在著一個相對滑動量，宏觀上對固立于基巖壁座上的井筒產生了一個負摩阻力，即豎直附加應力。

圖1 地表沉降與四含水位下降關系曲線

1.2 副井井壁破裂特征

該煤礦副井井筒采用凍結法施工，壁座以上為雙層井壁，鋼筋混凝土結構。根據現場調查，井壁破裂特征如下：井壁混凝土開裂、脫落；內側環向鋼筋外露，間距減小；縱向鋼筋有明顯向井筒內凸出、錯動跡象；破裂帶呈近似水平環狀；如圖2所示。根據莫爾強度理論可知[11]，當井壁破裂是由水平地壓引起時，其主破裂面應沿井壁軸向分布，且破裂面與井壁環向切線方向的夾角為25°～35，這顯然與實際情況不符，當井壁破裂是由豎向荷載引起時，其破裂面應沿井壁的環向發展，表現為環向破裂帶，這與現場破裂特征相吻合，從而說明豎向荷載是導致井壁破裂的主控因素。

圖2 煤礦副井井壁破裂現場圖

2 四含疏水沉降時的井壁受力分析

只有系統的分析、歸納和總結破裂井筒圍土的水文、工程地質特性，找到了誘發井筒破裂的主控因素，在此基礎上建立有關井筒破裂的力學模型才能客觀、全面地反映其原型條件。

該煤礦副井井筒內徑R=3.0m，外徑R0=4.0m，井筒穿過松散層厚度約為244m，井筒周圍的地層主要為粘土質砂層，松散層下部為一厚度為28m的含水層，根據黃家會等的相似模擬實驗[12]，井壁的平均豎直附加力fn與含水層水壓下降量Δp近似呈正比關系，即：

式中：b——回歸系數，kPa/MPa，在模擬深度為244m，井筒圍土主要為粘土質砂的情況下取b=122.1。

該井從建井起初到井壁破裂出水，井筒附近四含水頭累計下降70m即（Δp=0.7MPa），故

深部土層失水變形時土與井壁的相互作用是從深部開始的，深部相互作用位移大，可進入塑性變形[13]。故在極限狀態下，井壁與四含之間會首先出現相對滑動，由于井壁外緣十分粗糙，可認為是四含（實際上有一定寬度的接觸帶）產生塑性破壞所引起的，可根據莫爾庫倫準則，計算井壁與松散層之間的摩擦力fn2[14]為：

式中：P′——作用在井壁的水平荷載，MPa，根據深厚表土層中立井建設工程實踐，按重液地壓經驗公式[15]計算立井地壓P′=γz；

γ——水土混合重液的容重，一般取為11～13kN/m3，此處取γ=11kN/m3；

z——計算點的深度，此處取三隔與四含交界面埋深，即松散層的厚度z=244m；

φ、c——四含與井壁接觸帶的粘聚力和內摩擦角，根據室內實驗測得：c=70kPa，φ=16°。

當井壁豎向受力達到其極限強度時，井壁就會產生破裂，因此fn的最大值應等于fn1與fn2中的最小值，即：

根據公式（2）和（3）計算結果fn1=85.5kPa ＜fn2=789.2kPa，故取fnmax=fn1。

在fn作用下井壁所受的最大豎直附加應力σz為：

當四含水位下降70m時井壁所受最大豎直附加應力達23.8MPa，加上一般井壁自重應力和井塔重所引起的應力之和（8MPa），會超過井壁鋼筋混凝土強度(一般允許強度為23～30MPa)，井壁便開始破裂。

3 井壁破裂的機理與防治

根據四含失水沉降時的井壁受力分析、井壁破裂實際情況，可對井壁初次和重復破裂機理做如下剖析（圖3）。

圖3 井壁破裂機理與地面注漿加固分析圖解

井筒穿過第四系深厚表土244m，在四含失水之前，井壁豎向只受其自重應力和井塔重力σ1+σ2=8MPa，由于井壁設計時已考慮過它們的存在，故σ1+σ2是不足以引起井壁破裂的。隨著四含的疏水降壓，井壁會受到豎直附加應力σ3的作用，并隨著四含水位下降的增大而增大（圖中OA段）。當t1時刻，即四含失水70m 時，σ1+σ2+σ3達到井壁所能承受的極限附加應力σf=31.8MPa 時，井壁產生第一次破裂（副井井筒于2018年6月初次破裂），井壁附加應力得到了部分釋放，降至σr(即殘余附加應力，并有σr＜σf=31.8MPa)；由于四含疏排水的繼續，且井壁與土接觸面剪切強度并沒有因第一次井壁破裂而降低，井壁附加力又以一定規律發展（圖中BC段）；如果在井壁第一次破裂后的t2時刻對井壁破裂段進行治理（2018年12月對井壁破裂段開設卸壓槽）。根據文獻[16]，卸壓槽可以釋放和衰減井壁縱向應力；井壁附加應力會進一步釋放(圖中DE段)，減至σw，由于卸壓槽僅局限于井壁本身，對阻止井筒外側地表沉降不起作用，在四含水頭進一步降低的情況下應力會重新集聚，并沿曲線EF的趨勢發展。在未來t4時刻井壁所受的豎直附加應力可能會再次達到井壁所能承受的極限強度而破壞。

工程實踐證實，地面注漿可以達到預防和治理井壁破裂的目的。故可在t3時刻對含水層進行地面注漿，因大量漿液的擠入，使上覆地層向上位移或產生上移趨勢，井壁附加應力得以緩釋（圖3中GH段），附加應力減至σw1，若不考慮地面注漿加固對抑制四含失水的作用，附加力將沿曲線HI的趨勢發展，井壁可能推遲到t5時刻發生破裂。事實上，地面注漿能起到對立井井筒周圍底部含水層和風化帶的整體加固作用，減小了四含因疏排水而產生的壓縮量，從而減小上覆土層的下沉速率，井壁附加力隨時間增長的斜率必將產生變化（曲線HJ），因此，地面注漿具有抑制附加應力（t時刻為m）和緩釋附加應力（t時刻為n）的雙重效應，從而最大限度地延緩井壁附加應力的積聚，保證生產期間井壁的安全。

4 結論

（1）深厚表土層四含失水是導致臨渙礦區煤礦厚松散層井壁破裂的主控因素。

（2）采用解析分析計算了四含失水時井壁的豎直附加應力，認為井壁豎直附加應力隨四含水位降深的增大而增大，并最終達到井壁的破裂極限，

（3）揭示了該礦立井井筒破裂的力學機理，并提出相應的治理措施，認為地面注漿加固有“抑制”和“緩釋”井壁附加應力的雙重效應。