杨庄煤矿副井破裂井壁多次治理效果对比分析.pdf

第37卷第1期 2X〕 9年1月 煤炭科学技术 Coa l Seie n e e a nd Te ehn ol o g y V ol . 37 Ja n . No . l 2以〕 9 杨庄煤矿副井破裂井壁多次治理效果对比分析 王档良 ’, 鞠远江 ’, 胡文武 2 1 . 中国矿业大学资源与地球科学学院 , 江苏 徐州2 2 10 08;2 . 大统矿业 集团有限公司杨庄煤矿 , 山东 充州 27 210 0 摘要 以黄淮地区的立井井壁破裂事故为鉴 , 为了给以后的破裂井壁治理方案提供更合理的技术 参数 , 以杨庄煤矿副井为例 , 对杨庄煤矿副井深厚松散层破裂井壁多次治理效果进行对比分析 , 结 果表明 井圈加固 卸压槽 化学注浆是目前对深厚松散层井壁破裂治理的较合理方案 , 单卸压槽 方案优于双卸压槽方案 , 化学类浆液优于水泥类浆液 , 采用该方案不仅堵水防渗效果比较明显 , 而 且能更有效地减缓卸压槽的压缩速率 , 卸压槽的使用期限为3 一6 年 , 卸压槽压缩量达到设计值后 应当及时更换 。 关键词 破裂井壁 ; 卸压槽 ; 化学注浆;井圈加固 中图分类号 TD265 . 32 文献标志码 A 文章编号 025 3 一2336 20 09 01 一0065一04 C om Pa riso n A nalysison SeveralT reatmen tResults of Mi ne A ux il ia ry Shaf tC r a cked LinerinYa ngzhu a ng Min e wANGD a n g 一lia n g ’, JuYu a n一ia ng ’, HUW en 一w u, 1 . S cho olo fR e s o ur c e sand C e o s e交、e 、, Chin a U n i*r s艺t, o f M乞 ;￡ 鳍 a 记T e eh朋10 盯 , X“之六 。。 221008 , Chi、; 2 . Y a n邵丙u a n gMin e , Dato咭 C o al Mi ni咭 Q o u PC o甲or a ti cnLtd . , Y al h a o u 272 100 , C h in a Abstr a et Taking them i n esha f t li ne r br oke n a e eiden ts o e e ur red inYell ow Ri v e ran dH u ai he 凡 v erar eaas ther ef er e n e es, i n O r d e r topro - vide m o re r ati o n a l te ehnie alpa ram eters f o rthe min esha f t f ailed li n e a re o ntr o lplani n the f utu re , takingthe aux ilia叮 sha f [o fYa ng z hu a ng Mi n ea sa nexam Ple , ae om Par i so na n alysis w a se o ndu etedo n themultitr eatm ent r e sults ofthe br oke n lin e ar ofthea u x ili a耳sha f t inde ep thiek sof tstr ara o fYan部hu a ngMin e . The re sultsshowedthat themin eshaf t r i n g rei面reeme ntan dpr e s sur e r ele a si n g slota n d ehem i e al 卿 utingwa s thepres entr atio n altreatm e ntplan f o rthe de ep thiek s of istr ata . The single pr e ssur erele a sin g slotplan wasbette rthando uble p re s sur erelea s i ngslotpla na ndtheehem i e algr out was bette r thanthe eeme nt 盯o ut . Thepl a napplied wo uld n oto己y ha v e obviouswater se alinga nd le aka罗 pr ev e ntio nre sults , bu talso would bem or e ef f eetiveto r edu e e the eo nv e吧e nt r ate ofthe pre ssur e relea s ing slot . The ser v iee per i odofthe pr e ssurerelea singslotwo uld b e 3to6ye ars . The e o nve嗯entvalu eofthe pressu rer ele a sing slote o u ld be replaeed timelywhe n r e a ehed tothe de si即 v alue . Ke y wor ds min esha f te ra ekin gl ine r;Pre ssu rer el e a singslot;ehem i ea l grouting; r e in f o re ed min esha f t r i n g 自1 98 7年以来 , 在黄淮地区的淮北 、 徐州 、 枣庄 、 充州等大型矿区有 40 余个地处深厚含水松 散层的井筒先后发生了井壁破坏事故 , 不仅影响了 正常生产 、 造成了很大的经济损失 , 而且引发了严 重的安全隐患[ ’〕 。 黄淮地区的立井井壁破裂 , 是 国际采矿史上罕见 的由非采动沉降引起的地质灾 害 , 在国外未见有类似井筒破 裂的有关报道〔 ’一‘〕。 r o多年来 , 国内在该 领域开展了不少研究工作 , 基金项目 国家青年自然科学基金资助项目 407 02 05 4 ; 中国矿 业大学校青年基金资助项目 200 5A 0 13; 教育部新世纪优秀人才 计划资助项目NCE T 一0 4一0486 主要有4种观点解释井壁破裂的原因 , 即新构造运 动说 、 井壁施工质量说 、 渗流变形说和井壁附加应 力说 。 前3种观点解释井壁破裂缺乏有力的证据 , 与现场实际情况存在较大偏差 。 井壁附加应力说认 为 , 矿井疏水引起深厚含水层压缩 、 沉降 , 导致井 壁产生附加应力 , 这是造成井壁变形破坏的主要原 因 。 这种观点的出发点为 破裂井壁处底含的确产 生 了明显的水位降 , 井壁周围地表都已观测到明显 的下沉 。 这2点已被现场调查所证实 , 井壁附加应 力说的观点被广泛接受[ ’一’〕。 井筒破坏防治技术大致可分为破裂后的应急维 护技术与治理技术 , 主要有井圈加固与套壁 、 破壁 65 2 力9年第l期 煤炭科学技 术第3 7卷 注浆 、 地面帷幕注浆 、 卸压槽法〔 ’。]。 从到目前为 止的治理效果看 , 变形破裂的井筒在第一次治理之 后未到或远未到设计服务年限就发生了第2次变形 破坏 , 目前该区域的井筒正处于第2次或第3次的 破裂 。 反映出在治理方案的确定 、 技术参数的选择 上有一定的盲目性和局限性 , 在该领域的理论与治 理技术研究尚不能满足工程实践的需要 , 有必要进 行更深人 、 细致的研究 。 以山东省充州市杨庄煤矿副井为例 , 对杨庄煤 矿副井深厚松散层破裂井壁多次治理效果进行对比 分析 , 综合分析具体井筒的水文地质 、 工程地质条 件和井筒条件 , 总结分析井筒治理的经验与教训 , 在此基础上提出了井筒第3次治理技术方案 , 并进 行了工程施工 。 第三含水层组简称三含 , 一般厚度2 7 m , 分布较稳定 , 含水层岩性以含砧土的中 、 粗砂及砂 砾为主 , 其富水性下部强于上部 , 上部单位涌水量 叮二0 . 182 一 0 . 7 39 1 / s m , 渗透系数k 0 . 614 - 1 . 1404 I n / d ; 下部叮 二0 . 652 一 1 , 179 1 / s m , k 二 3 . 8 93 一 5 . 2 0 耐d , 为孔隙承压水 。 水质类型为 HC0 3 一C a , Na及HC0 3 CI一Ca Na水 , 原始水位 标高 3 9 . 6 6一 4 0 . 5 6 m , 属中等富水含水层组 。 整个松散层的富水特点是上部较强 、 下部较 弱 、 中间阻隔 。 由于二隔有效阻隔了二含与三含之 间的水力联系 , 各含水层组之间的垂向水力联系十 分微弱 。 三含水以水平运动为主 , 接受微弱的侧向 补给 , 并通过露头或构造补给 3 煤顶底板砂岩及三 灰等含水层 , 向矿井排泄 。 1 杨庄煤矿井筒概况 充州市杨庄煤矿设计年产量 2 0 万 t , 现实际年 产量3 9 万 t 。 主井井筒为混合井 , 井筒净径 4 . 6 m , 穿过表土层厚度为 14 7 . 4m 。 井筒为双层井壁 结构 , 内外壁壁厚均分别为4 5 0 , 35 0 mm , 混凝土 强度等级为C 2 8 , 采用冻结法施工 。 20 00 年主井 井壁第一次发生开裂破坏 。 井田内第四系松散层 具有含 、 隔水层 组 相间的多层复合结构 , 平均 14 7 . 4 mm 。 按其含隔 水性可分为 3 个含水层组和2个隔水层组 。 第一含水层组简称一含 平均厚度为4 0 m , 岩性以细砂为主 , 接受大气降水和地表径流补给 , 水位标高一般在 3 8一 4 5 m , 单位涌水量 , 二3 , 9367 一 10 . 15 2 1 / s m , 渗透系数k 二 14 . 93 88 一 45 . 472 而d , 水质类型为 HC0 3 一N a 水 , 属强含水层 。 第一隔水层组简称一隔厚巧 . 0 一 3 2 . g m , 分布较稳定 , 中夹 1 一2 层含水层 , 岩性为土黄色 或黄褐色赫土和粉砂质戮土 。 第二含水层组简称二含 厚1 2 . 5 一 4 1 . om , 结构复杂 , 含水层多达6 一 7层 , 岩性为深黄色或 深褐色中粗砂 , 水质类型为 HCo 。一C a 水 , 水位标 高 2 9 m , 属中强含水层 。 第二隔水层组简称二隔 厚5 2 . 1 一 1 17 . 1 m , 一般厚度大于 7 5 m , 分布稳定 , 岩性以浅灰 色 、 灰绿色 、 杂色薪土及砂质豁土为主 , 隔水性能 良好 。 66 2 井壁破坏治理情况 2 . 1 第一次井筒治理 2 0 0 0年主井井壁第一次发生开裂破坏 , 在井 深159 . 2一159 . sm 和174 . 256一179 . 856m 部位井 壁出现开裂 、 剥落 。 20 01 年 6 月份采取加固井圈 壁后水泥注浆 开卸压槽的治理措施 , 对井壁进 行了第 1 次修复治理 。 在内层井壁加固段高为 7m , 分为4段 , 共架 设3 5道槽钢井圈 。 第 1段为14 4 . 42 5 一14 4 . 82 5 m 开切卸压槽处 , 第 2段为159 . 2一159 . s m 井 壁破坏处 , 第3段为 174 . 256一179 . 856m 井壁 破坏处 , 第4段为 181 . 92 5一182 . 325m 开切卸 压槽处 。 破壁注浆总段高为2 4 m , 分3段 上段段高 为6 m , 累深 14 1 一14 7 m; 中段段高为 sm , 累深 157一162m ; 下段段高为13 m , 累深 17 1一184m 。 内层井壁开切 2 道卸压槽 , 分别位于累深 14 4 . sm 和累深182 . om 处 , 槽高为250 m m , 槽深 为450 m m , 即开透内层井壁 。 2 . 2 第2次井筒治理 20 4 年主井井筒 1料 . sm 上部卸压槽东南方 向出现严重开裂并出现淋水现象 , 水量为 1 一 2 m ,/ h 。 对井筒开裂淋水部位进行了破壁注浆封水 加固 。 所用浆液为中国矿业大学开发的脉醛树脂类 化学浆液 。 注浆段为 一 13 7 一 一 17 9m , 总高度为 42m , 注浆孔总计 60 个 , 注浆量为150 . 4m , 。 注 浆后并筒不再漏水 。 王档良等 杨庄煤矿副井破裂井壁多次治理效果对比分析 200 9 年第1期 3 第1次和第2次治理效果分析 l 经过卸压槽治理的井壁 , 卸压槽位置成为 井壁安全的关键位置 。 在 20 01 年第 1 次治理后的 约3年时间后 , 在压缩木没有完全被压缩情况下 , 上部卸压槽位置井壁出现破裂并发生渗水 。 而经过 第2次20 0 4 年化学注浆后 , 上部卸压槽位置 在压缩木几乎被完全压缩情况下20 0 7 年 , 该部 位仍然保持完整 , 没有破裂 、 没有渗水 。 说明在井 壁的加固与防渗并保证井壁应力集中到卸压木这方 面 , 化学注浆效果明显优于水泥注浆 。 2 2 00 1年主井井筒开挖卸压槽后 , 对卸压槽 设点图 l 进行了压缩变形连续跟踪监测 , 监测 情况如图2所示 。 卸压槽承担 , 而下部卸压木压缩量基本没有变化 。 相比较上部卸压槽对应力的释放效果远大于下部卸 压槽 。 2 经过第2次化学注浆后 , 卸压槽中卸压木 压缩率明显减缓 。 第2次化学注浆治理前 3 年内3 个测点的上卸压槽压缩木总压缩量分别为8 5 , 3 5 , 1巧mm , 而经第2次化学注浆后的总压缩量为2 5 , 15 , 25mm 。 垂深14 4 . sm a上卸压槽 垂深182 . om b 「卸压槽 l , 2 , 3一测点号 图l卸压槽压缩变形监测点设置 示意 2001一11一012002一11一012005一11一012006一11 一0 12007一11一01 日期 a 上卸压槽 任日\啊 鳄巴祷国昆 2001一11一012002一11 一0 1 2005一11一01 2006一l卜01 200了 一11一0 1 日 期 b 下卸压槽 日日 \咽 燎田祷国昆 图2 上 、 下卸压槽两次治理卸压木压缩变形监测 通过对图2进行分析 , 可以得到以下结论 1 至 200 7 年 1 1 月 , 上部卸压槽东 、 西侧压 缩量已分别达到12 5 , 12 0 , 分别为压缩木原厚 25 0 m m 的50和 4 8 ; 下部卸压槽 东 、 西侧 压缩量分别为巧 , 2 0 m m , 为压缩木 原厚25 0 m m 的6 和 8 。 整个井壁所受应力主要由上部 4 目前井筒状况及治理方案 目前由于上部卸压木压缩量已经达到极限 , 导 致井壁在 10 4 m 位置出现破裂 , 结合前2次治理经 验该次提出上部卸压槽扩槽并更换压缩木 、 破裂井 壁进行井圈混凝土套壁加固 、 井壁破裂段和卸压槽 段进行化学注浆防渗加固方案 。 具体为 l 对垂深 lo4 m , 14 4 . 425一14 4 . 825 m , 162一163m 进行井圈加固; 2 对原有上部卸压槽累深 14 4 . s m 进行 扩槽更换压缩木 。 卸压槽的高度 h按照经验公式计算 h 二 f w / c l 式中了 一 安全系数 , 按经验值取 1 . 3 ; w 卸压槽的压缩变形量; c 可塑性材料的压缩变形系数 , 压缩木 取0 . 5 。 根据淮北童亭矿的观测资料 , 卸压槽的压缩变 形量约为地层固结压缩量的6 0 。 杨庄煤矿没有 井筒周边松散层压缩变形的观测数据 , 参照兴隆庄 矿资料 , 预计今后1 0年内的地层 固结压缩量为 196 . 3m m , 则卸压槽的压缩变形量为 117 . 78 m m , 计算得h 306 . 2mm 。 主井井筒原设计为上 、 下 2 道卸压槽 , 所以 , 相应减低了卸压槽高度 , 设计为25 0 m m 。 由于下 部卸压槽实际丧失了卸压功能 , 所以在不另开新卸 压槽情况下 , 该次治理加大上部卸压槽的高度 , 以 适当延长其卸压时间 , 因此 , 根据上述计算结果 , 该次卸压槽实际设计高度取值为30 0 mm , 即将原 卸压槽高度由原来的25 0 m m 扩充到30 0 mm , 3 对垂深 10 3一105m , 192 m 淋水部位 , 进 行化学浆液防渗加 固处理 ; 对1 4 0一15 0 m 上部卸 压槽部位 , 进行扩槽前化学注浆防渗处理 。 67 2 X 9 年第1期煤炭科学技 术 第3 7卷 【 4 」 5 结论 ,. .J , ,e s 了 01 一了 尸 ..r e s L l J ,. . .J门. .J 000少 尸. . .L厂.L l 从深厚松散层井壁破裂的治理经验来看 , 井圈加固 卸压槽 化学注浆脉醛类 是目前 针对深厚松散层井壁破裂治理 比较合理的方案;单 卸压槽方案优于双卸压槽方案 , 下部卸压槽卸压效 果不明显 ; 化学类浆液优于水泥类浆液 。 2 卸压槽的使用期限为3 一 6 年 , 卸压槽压 缩量达到设计值后应当及时更换 。 3 使用化学浆液不仅堵水防渗效果比较明 显 , 而且能更有效地减小卸压槽的压缩速率 。 仁 5〕 [10 参考文献 虞咸祥 . 大屯矿区立井井壁断裂原因分析〔 J」 . 煤炭科学 技术 , 1991 6 . 左如松 , 朱岩华 , 姜振泉 . 化学灌浆在兴隆庄煤矿西风井 深井井筒微裂隙防渗中的应用〔J〕 . 华东地质学院学报 , 20 3 4 . 刘勇 , 王档良 , 赵庆杰 , 化学注浆治理太平煤矿主井井 壁破裂〔J ] . 能源技术与管理 , 2即4 1 . 李文平 , 深部土层失水变形时土与井壁相互作用试验与理 论研究【J] . 岩土工程学报 , 200 4 . 王档良 , 童培国 , 武善元 . 化学灌浆治理巨厚表土层立井 井壁漏水 【 J ] . 水文地质与工程地质 , 2 X 75 . 许延春 . 矿区深厚复合含水松散层的工程 、 力学特性及其 应用〔 D〕 . 北京 中国矿业大学北京 , 20 02 . 倪兴华 , 隋旺华 , 关云章 , 等 . 煤矿立井破裂井壁防治技 术研究仁 M了 . 徐州 中国矿业大学出版社 , 2 X巧 . 李文平 , 于双忠 . 深厚表土中煤矿立井非采动破裂的研究 [J〕 . 1程地质学报 , 1995 一 . 黄定华 . 临涣矿区地表沉降对井壁破裂的影响[J ] ‘ 煤炭 科学技术 , 1991 7 . 陆孝军 . 立井井壁破裂的原因分析【J ] . 煤炭科学技术 , 199 4 12 . 作者简介 王档良197 7 一 , 男 , 陕西山阳人 , 讲师 , 博士 研究生 , 主要从事煤矿水文地质工程地质和矿井化学注浆方面的教 学与研究I作 。 T e l13813451612 , E 一m滋l dl诏50 0 163 . 。om ,. JI,. .J,. .J - ,‘傀」 rlL e s Le s .re s e s J 收稿日期 200 8 一0 9一13; 责任编辑 王晓珍 上接第2 4页 过程序经 CPU 运算处理 , 在监测仪触摸屏上循环 显示主要通风机风量 、 静压和电动机的工作电流 、 电压 、 有效功率 。 同时 , 所有参数输出均为20 0 - 100 0H 的PWM频率信号 , 可直接接人矿井心95 安全监控系统设在主要通风机房的监测分站 ; 实现 主要通风机在线监测系统与心95安全监控系统的 顺利连接 , 实现主要通风机运行参数的网络化监测 和管理 , 运行 2 年来 , 主要 通风机监控系统与 幻95安全监控系统数据传输准确 , 系统运行可靠 。 井含尘 、 潮湿 、 气流脉动的恶劣通风环境下的在线 监测 , 为日常矿井外部漏风率的测算和矿井主要通 风机性鉴定提供科学可靠 、 简单快捷的手段 , 也为 矿井通风生产能力的核定 、 通风系统调整优化和矿 井主要通风机的安全经济运行提供直接可靠的基础 数据 。 参考文献 5 结语 1 提出了矿井主要通风机差压法测算通风机 风量的原理和方法 , 解决了通风机风量在线监测的 难点 , 为矿井主要通风机运行工况网络化监测提供 了可靠的方法和技术途径 。 2基于PLC 的主要通风机在线监测 系统的研 制 , 解决了传统的单片机数据采集 、 处理信号不稳 定和网络数据传输中的问题 , 实现了主要通风机在 线监测系统与矿井监测监控系统的顺利衔接 , 其具 有运行稳定 、 数据准确可靠等优点 , 对提高矿井主 要通风机日常管理水平具有重要的指导价值 。 3 主要通风机 网络化在线监测系统实现 了矿 68 卢平 , 刘泽功 , 张国枢 . GAF主要 通风机风量测试方法 实验研究[J ] . 淮南矿业学院学报 , 1 99 8 3 . 徐海 . 主要通风机在线监测系统的设计与应用〔J〕 . 矿山 机械 , 2 X 7 11 . 张国枢 . 通风安全学〔 M〕 . 徐州 中国矿业大学出版社 , 2兀 旧 . 童秉纲 , 孔祥言 , 邓国华 . 气体动力学「 Ml . 北京 高等 教育出版社 , 19 96 . 周立功 . AR M 嵌人式系统软件开发实例 【 M〕 . 北京 北京 航空航天大学出版社 , 2 X 4 . 周立功 . AR M嵌人式系统基础教程 〔 M〕 . 北京 北京航空 航天大学出版社 , 20 05 . ,. .1 , . 飞 J,. .e s l 布乙” 曰飞 月 峥厂 IJ L . e s Žr. .L”.L 飞 ,. ,J ” 、 曰 ” b 尸.1L. .J e s 作者简介 卢平 l6 一 , 男 , 安徽庐江人 , 博士 , 教 授 , 主要研究方向为安全技术及工程 。 E 一m a l l pl u u s t c . e d u . 。n 收稿日期 20 08 一0 9一0 5; 责任编辑 赵瑞