兴隆庄煤矿西风井安全性评价_张圣才.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 0引言 自上世纪 80 年代以来， 徐淮、 兖州、 济宁等多 个矿区相继出现井筒失稳、 罐道弯曲变形、 井筒环 向破裂、 钢筋外露等由于非采动影响造成的破坏， 这严重影响到煤矿的安全、 高效生产[1]。因此针对 井筒灾害的预测和安全性评价对煤矿的安全生产 具有重要的意义。造成井筒发生破裂的主要原因 是由于含水地层因疏水下沉引起地层压缩，增大 了土体内部的有效应力，与之同时也会在井壁上 形成附加应力。随着地层的不断压缩， 施加在井壁 上的附加应力会增大，当附加应力达到井壁的强 度极限时， 井筒便发生破裂[2-7]。由此可见， 井筒所 穿过地层的水位变化，下沉量以及压缩情况均可 间接反映井筒的稳定性。笔者对兴隆庄煤矿西风 井卸压槽压缩量， 所处地层水位下降量进行观测， 并对数据进行拟合整理，同时结合兴隆庄煤矿以 往的井筒治理经验和井筒实际情况，运用经验评 价法和模糊数学评价法于 2016 年 12 月对西风井 进行稳定性评价。 1西风井概况 西风井井筒穿过第四系冲积层， 其穿过的冲积层 厚度远大于井筒破裂的最小冲积层厚度 （86m ） ， 所处 地层中的含水层水位明显下降， 地层缓慢压缩， 即西 风井井筒破裂的因素一直存在。同时西风井曾于 1996 年和 2002 年实施过治理工程， 1996 年实施第一 次治理， 以套壁加固为主， 辅助以壁厚注入水泥浆和 开掘卸压槽来达到加固井壁的目的； 2002 年第二次 治理措施以卸压槽为主和辅助以壁后注入化学浆， 开 凿卸压槽设计高度为 400mm。 鉴于卸压槽服务年限的限制，同时因部分卸压 槽压缩木压缩高度接近设计所允许的最大压缩量这 两个因素，为了防止因井筒突发破裂而对矿井安全 生产构成威胁和经济损失，有必要对西风井的稳定 性进行分析评价，以便为后期治理西风井选择合理 的防治方案。 2经验评价方法 根据西风井所处的地质条件和井筒的实际稳定 兴隆庄煤矿西风井安全性评价 张圣才 ， 刘 伟 ， 鲁开玉 ， 丰新宁 ， 裴少亮 ， 翟珂 （兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿 , 山东 济宁 272000 ） 摘要 为了确定兴隆庄煤矿西风井井筒稳定性， 利用经验拟合法和模糊数学分析法， 于 2016 年 12 月对西风井进行稳定性评价。从水位降、 地层压缩量、 卸压槽压缩量及治理工程服务年限这几个方面 判断井筒的稳定性， 其评价结果都表明西风井将会发生破裂。为提高评价准确性， 选取 8 个影响井筒 稳定性的因素作为评价因子，运用模糊数学将多因素转变为单因素进行近一步评价，发现西风井在 2016 年 12 月仍有破裂的可能性。 关键词 井筒稳定性 ； 经验拟合法 ； 模糊数学法 ； 稳定性评价 中图分类号 TD724文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0085- 04 Safety uation of West Ventilation Shaft in Xinglongzhuang Coal Mine ZHANGShengcai , LIUwei , LU kaiyu , FENGXinning, PEI Shaoliang, ZHAI Ke （yanzhou coal miningcompanylimited,jining, shandong Jining272100） Abstract In order to determine the stability of west ventilation shaft in xinglongzhuang coal mine, the empirical fitting and fuzzy mathematical were applied to uate the stability on December,2016. From the water level decline, strata compression, amount of pressure reliefslot and engineeringservice life todetermine the stabilityofshaft, the result showed that the west ventilation shaft will occur cracking. In order to enhance the accuracy ofuation, selecting 8 factors what influence the shaft stability as uation factors, using fuzzy mathematics transed the multi- factor into single- factor to make the further uation. The possibility of cracking on the west ventilation shaft was found on December, 2016. Key words mine shaft stability； empirical fitting ； FuzzyMathematics ； stabilityuation 85 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 性， 运用经验分析法从含水层水位降、 地层压缩量、 卸 压槽压缩量和治理工程服务年限等几方面对西风井 进行综合评价。 2.1水位降下降量 在矿井的生产过程中， 第四系松散层底的含水层 水位一直在缓慢下降， 水位下降正是直接导致松散地 层压缩和井筒破坏的动力。 为取得西风井附近的水位 下降的动态变化过程，遂布置 Q下- 6 监测孔监测西 风井附近 “三含” 水位的变化过程。 对西风井自第二次 治理后 （2003 年 1 月 28 日） 到本次评价期间的 “三 含” 水位变化进行拟合分析见图 1。 图 1Q下- 6 孔水位回归 由拟合结果知， 决相关系数 R2为 0.94， 曲线拟合 性好， 得到水位变化计算公式 y0.1495t- 71.239R20.93825 式中 y 为具体时间的水位， m； t 为时间，月； R2 为相关系数。 根据上述水位变化计算公式预测得知 2016 年 12 月 31 日， t167 月， Q下- 6 孔的水位为 - 96.2055m， 比 2003 年下降 26.6765m。 根据兴隆庄煤矿以往的井筒治理经验知， 卸压槽 高度的变化与水位降的变化呈现正比的关系， 所以在 前一次以卸压槽为主治理时， 后续评价时所允许的水 位降便要做出调整。西风井历次治理时， 其卸压槽设 计高度均为 400mm， 故其水位降修正系数取 1。此次 评价允许水位降为第一次治理完到第二次治理实际 水位降与修正系数的乘积， 即本次评价的允许水位降 为 22.616m。 由 Q下- 6 水位拟合结果预测从第二次治 理后到 2016 年 12 月西风井水位降为 26.6765m， 达 到允许水位降的 118，结果显示西风井在 2016 年 12 月有破裂的可能性。 2.2地层压缩量 根据兴隆庄煤矿西风井 2014 年 9 月至 2016 年 4 月地层观测结果， 整理得出地层变形量与时间的关 系见图 2、 图 3。 图 2全段地层累计压缩 图 3三含地层累计压缩 分析得出全段地层和三含地层压缩变形公式如 下； 全段地层 y10.00302t0.00141R20.78 三含地层 y20.00297t- 0.00192R20.95 式中 y1、 y2分别为全段地层、三含地层压缩量， mm； t 为时间， 月; R2为相关系数。 根据上述公式预计至 2016 年 12 月， t27 月， 全 段 和 三 含 底 层 的 累 计 压 缩 量 分 别 为 83mm 和 78mm, 它们的压缩速率分别 为 3.074mm/ 月 和 2.889mm/ 月。 实践证明，地层的压缩与卸压槽的压缩量之间 存在一定关系， 随着底层的压缩卸压槽高度会逐渐 变小，且卸压槽的压缩总是滞后于地层的压缩， 因 此可以根据卸压槽的压缩情况反推出地层的压缩 86 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 情况。现将西风井新卸压槽压缩量的变化量进行拟 合分析， 其拟合分析结果如图 4 所示。 图 4新卸压槽压缩量拟合 由新卸压槽压缩量回归结果可知卸压槽压缩量 的预计公式为 y- 0.0036t20.42242t64.61R20.99 式中 y 为泄压槽累计压缩量， mm； t 为时间， 起 始时间为 2011 年 1 月 31 日， 对应时间 t1;R2为相关 系数。 由拟合结果预测截至 2016 年 12 月 31 日新压缩 槽的累计压缩量为 76.8mm。 根据实测结果， 兴隆庄矿 主井第一次工程期间卸压槽累计压缩量 107mm， 同 时地层压缩量为 197mm。卸压槽压缩量与地层压缩 量之比为 0.54， 所以可预测到 2016 年 12 月地层压缩 量 76.8/0.54142.22mm。若按全段地层压缩速率， 则 所需要的时间为 142.22mm/3.074 月 46.2 月 3 年 10 个月；若按三含压缩速率，需要压缩时间为 142.22mm/2.889 月 49.2 月 4 年 1 个月，综合这两 个结果可知西风井应立即进行治理。 2.3卸压槽压缩量 在评价井筒稳定性时，卸压槽还能否继续有效 工作是一个重要评价指标。西风井第二次治理以卸 压槽为主， 设计卸压槽压缩预警量为 20， 开槽高度 为 400mm，设计卸压槽的压缩量为卸压槽高度的 25左右。 根据图 4 拟合结果预测 2016 年年底卸压槽压缩 量和 76.8mm， 达到卸压槽高度的 19.2， 接近 20的 预警值， 这表明泄压槽卸压效果逐渐下降。同时由于 西风井已经开有多个卸压槽和前期治理以“地层注 浆” 、“套壁”的治理措施都会对卸压槽的极限压缩量 产生一定影响， 之前的设定的卸压槽压缩指标将在一 定程度上不再适用，而且在 2016 年 3 月以后卸压槽 的压缩量没有再发生任何变化， 这将直接导致井壁再 次出现应力集中，大大的增加了井筒破坏的可能性。 综合上述结果， 预计 2016 年 12 月前西风井需要再次 进行治理。 2.4治理工程服务年限 井筒治理工程的服务年限也是评价井筒稳定性 的一个重要指标， 评价的方法是比较最近一次的治 理工程的服务年限是否达到早前治理工程的服务 年限， 如若远低于早前的服务年限， 那么井筒相对 比较稳定， 需要治理的可能性就小， 反之则需要进 行评价与治理。现整理西风井之前的治理工程服务 年限， 见表 1。 表 1兴隆庄西风井治理工程服务年限 根据整理的结果可知截至 到 2016 年 12 月西风 井第二次防治工程的服务年限为 14 年 1 个月，已经 超过第二次治理工程的设计服务年限 3 年， 并且超过 第一次治理工程的实际服务年限 6 年。 按治理工程服 务年限因素分析， 2016 年 12 月前西风井有需要实施 第三次治理工程的可能性。 为使得本次评价更具为准 确， 所以加以模糊数学聚类分析法进一步对井筒稳定 性进行评价。 3模糊数学聚类分析法评价 模糊数学是研究和处理模糊现象的科学， 他所揭 示的是客观事物之间差异的中介过渡性引起的划分 上的一种不确定性。 在评价反复出现破坏现象的井筒 的稳定性时， 可将其分为破裂和未破裂两种， 同时在 评价过程中要综合各种因素， 这些因素的发展过程与 井筒发生破裂时具有非线性特征的。 采用模糊聚类分 析方法， 可将多个因素综合起来化为单因素来提高评 价的准确性。 井筒经过反复治理后， 要再次对其稳定性进行评 价时， 其评价因子则不再像之前那么单一， 根据对井 筒发生多次破裂的认识， 所以此次的评价因子选择如 下 ①井筒直径 （Y1） 。 根据弹性力学理论， 井筒直径越 项目西风井 第一次治理完 至第二次治理 第一次治理完成时间 （年.月.日 ）1996.9 第二次开始治理时间 （年.月.日 ）2002.9.5 服务年限 （年.月 ）6 年 第一次治理卸压槽高度mm400 第二次治理完 至 2016 年 5 月 第二次治理完成时间 （年.月.日 ）2002.11.27 第二次治理卸压槽高度mm400 已服务年限 （年.月 ）13 年 6 月 设计服务年限 （年.月 ）3 年 比例450 87 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 大， 井壁受力越大； ②冲积层厚度 （Y2） 。根据土力学 理论，冲积层厚度越大，井壁受力越大；③水位降 （Y3） 。 水位降是地层压缩与井筒破裂的动力， 水位降 大， 地层压缩量大， 井筒破裂可能性大； ④卸压槽压 缩率 （Y4） 。 在卸压槽有效的情况下， 卸压槽压缩率越 高， 越接近压实； ⑤多处破裂 （Y5） 。由于井壁多处破 裂， 卸压槽的压缩量不能表示井壁所有的压缩量， 或 套壁后卸压槽卸压效果不佳； ⑥服务年限率 （Y6） 。 井 筒治理后时间越长，越接近上一次治理的实际服务 年限和设计服务年限， 再次治理的可能性就越大； ⑦ 治理方式 （Y7） 。 地层注浆与卸压槽治理方法的不同， 其治理效果也不同。 在此将二者进行量化处理， 地层 注浆取值为 0， 卸压槽取值为 1； ⑧冲积层压缩速率 （Y8） 。 地层压缩率越大， 则井筒受力越大[1]。 整理兴隆 庄矿已破裂井筒的评价结果和西风井的预测评价结 果见表 2。 表 2井筒的评价 1 ） 聚类分析评价值越大，表明井筒破坏的可能 性越大； 2 ） 兴隆庄煤矿西风井进行聚类分析，其结果为 0.531，由表 2 中的数据可知此次只有西风井的分析 值大于已知破裂的井筒的模糊聚类分析值 0.498， 因 此西风井破裂的可能性很大， 应尽快进行治理。 4结论 1 ）根据井筒发生破坏的机理，本次评价选取主 要影响井筒稳定性的因素， 并辅助以模糊数学评价的 方法， 将已有经验和数学方法相结合， 使得本次评价 在理论和科学准确性都更加符合实际治理情况。 2 ）在对重复破裂的井筒进行评价时，从水位降 进行评价， 并考虑到其他因素对水位降的影响， 同时 也从地层压缩量、 卸压槽压缩量以及治理工程服务年 限对井筒进行综合评价， 运用模糊数学评价法在以往 的评价因素如地层压缩量、 水位降、 压缩槽压缩量、 工 程服务年限的基础上又引入了治理方式、地层压缩 率、 冲积层厚度等因素， 将多个因素化为单因素进行 分析评价。 3 ）综合考虑整个评价的结果，最终认为在 2016 年 12 月 31 日之前， 西风井破裂的可能性很大， 需要 立即进行相关的治理工作。 参考文献 [1] 许延春,高玉兵,李江华等. 煤矿井筒安全状态评价体系 改进及应用[J]. 煤炭科学技术, 2016,（10） 95- 101. 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