兖州矿区立井井壁破裂的原因分析及防治.pdf

中国矿业大学学报990 52 1 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第28卷 第5期 Vol.28 No.5 1999 兖州矿区立井井壁破裂的原因分析及防治 王树常 葛洪章 摘要 针对兖州矿区有8 个生产井筒发生井壁破裂事故的问题，在进行调查、治理和分 析近期监测资料的基础上，详细研究了本区井壁破裂的原因，认为由于第四系下组水 位的强烈疏降引起砂层压缩所产生的垂向附加应力与井壁自重应力之和大于井壁混凝 土的强度是导致井壁破裂的最根本原因，提出了可以用e -p 曲线法、p w -f n 法和模糊聚类 评判法预测井筒的稳定性，同时提出了井筒破坏的防治措施. 关键词 井壁破裂，水位压降，附加应力，兖州矿区 中国分类号 P 6 42 Causes and Preventions of Shaft Wall Fracturing in Yanzhou Mining Area Wang Shuchang Ge Hongzhang Yanzhou Mining Group Co. Ltd， Zhoucheng, Shandong 273500 Abstract Aiming at the problem of shaft wall fracturing happened in 8 shafts in Yanzhou mining area, the authors have studied the causes leading to the fracturing,and hold that the main cause is the stress accumulation. When the overall stress of the vertical additional stress resulted from the drawdown of piezometric level and the gravity stress of the shaft wall itself is greater than the strength of the wall concrete, the shaft wall will fracture. The e－p curve and pw－fn s as well as fuzzy cluster are used to forecast the stability of shaft wall. And some measures to prevent the wall from fracturing are put forward. Key words shaft wall fracturing, drawdown of piezometric level, additional stress, Yanzhou coal mining area 兖州矿业集团在兖州煤田第四系下组分布范围内的14个立井井筒，除新建和在第 四系下组边缘的3个井筒外，自1995年6 月以来相继有8 个井筒发生井壁破裂事故，3个 井筒在濒于破坏前进行了防治. 井壁破裂严重地威胁了安全生产，作者在调查、治理和 分析近期监测资料的基础上，研究了井壁破裂原因，总结出井壁破裂与主要因素的关 系，为预测和防治类似条件下的井壁破裂提供了依据. 1 概 况 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 1. h t m （第 1／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 9 中国矿业大学学报990 52 1 兖州矿区地处鲁西南第四系巨厚冲积层的平原区. 根据砂粘土层含水特征，第四系 可分为上、中、下3个含水组. 在煤田的东南部，第四系较薄，缺失下组含水砂层，而 第四系中组为平均厚56 . 7 m 的以粘土为主的隔水层；煤田西北部在总厚大于12 0 m 的范 围内赋存有第四系下组含水砂层. 矿井生产均为立井井工开采，井筒在第四系和基岩面 以下约10 0 m 内均用冻结法施工. 第四系中井壁一般为全厚1～1. 1 m 的内、外壁双层整体 现浇钢筋砼，基岩中一般为0 . 5 m 厚的单层素砼井壁. 自1995年6 月鲍店矿井井壁首次发生破裂以来，相继有8 个井壁不同程度的破裂 （表1），这些井壁破裂特征主要是 1 破裂位置均在壁座以上，以第四系底部砂层层位为主，少量在基岩风化层中. 2 井壁破裂过程先使相应的罐道缝压实，罐道、管路压缩弯曲，继而砼表层剥 落出现水平裂缝，甚者竖筋弯曲外露. 3 所有破裂的井筒均为竖向压缩，井筒无明显的水平错动或扭曲、倾斜变形现象. 表1 兖州矿区井壁破裂情况 T a b l e 1 Fa i l u r e o f s h a f t s i n Ya n z h o u c o a l f i e l d 矿井 井筒 第四系厚 度/ m 底部砂砾 层 总厚度/ m 井壁座顶界 深度/ m 井筒竣工 日期 井壁破裂情况 日期深度/ m破裂层位 鲍 店 副井148 . 6 017 . 7 52 54. 50197 9-11-2 6 1995-0 6 -0 512 6 . 90中砂层 主井148 . 6 918 . 382 54. 10197 9-0 5-14 1995-0 7 -12136 ～144 粘土质 中、粗砂 层 北风 井 2 0 2 . 562 6 . 8 92 34. 2 0197 9-10 -2 1 1996 -0 8 -0 2 16 8 . 4, 18 0 , 2 0 4 砂砾层， 细砂层， 基岩风化 层 南风 井 157 . 9217 . 5618 9. 6 0197 9-0 8 -0 1 1996 -0 8 -0 9158 . 1～159. 3 基岩风化 层 兴 隆 庄 西风 井 18 3. 902 0 . 7 02 19. 45197 6 -0 81995-1016 5. 6 ～17 1. 6 中砂层， 砂砾层 东风 井 17 6 . 4518 . 7 02 0 4. 95197 7 -0 5-31 1997 -0 6 -0 7157 ～18 0砂、砾层 主井*18 9. 312 3. 402 16 . 40197 7 -0 8 -13 197 7 -0 6 -2 3150 , 18 4 粘土层， 基岩风化 层 副井*190 . 412 2 . 8 02 2 1. 7 5197 8 -0 91997 -0 6 -2 6154, 2 0 0 粘土层， 粉砂层， 砂砾层 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 1. h t m （第 2 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 9 中国矿业大学学报990 52 1 杨 村 主井18 5. 4219. 502 0 6 . 94198 4-121997 -0 2 -2 917 6 . 5, 196 粘土层与 砂层界 面，中砂 层 副井*18 4. 4510 . 452 12 . 44198 5-0 1-2 3 1997 -12 -0 216 0 , 17 6 , 2 12 粘土层， 粗砂层， 基岩风化 层 北风 井 17 3. 4012 . 7 32 12 . 8 0198 4-10 -31 1997 -0 2 -0 4 17 9. 6 , 150 , 156 . 6 基岩风化 层，砂砾 层 南风 井** 18 2 . 7 615. 0 5 1994 * 兴隆庄矿主、副井和杨村矿副井在濒于破裂时进行了防治；** 南风井建井晚，因水 位下降幅度小，尚未出现破裂现象. 2 井壁破裂原因分析 2 . 1 第四系下组水位变化 196 4～196 6 年兖州煤田精查勘探期间第四系下组水位在＋40 . 50 m 左右，随着煤矿 的开发，第四系下组成为间接充水层，通过红层补给井下，导致水位不断下降，198 3 年降至-17 . 50 m ，至1995年6 月降至-44. 0 0 m , 下降幅度达8 4. 50 m ［1，2 ］. 此时鲍店矿主、 副井壁发生破裂，以后兴隆庄矿西风井、鲍店南、北风井和兴隆庄矿东风井、杨村矿 主井和北风井也相继发生破裂（表1）. 鲍店煤矿第四系观测孔（Q 下-2 和红层观测孔 16 7 号孔 水位同步下降, 特别是1993年采用综采放顶煤开采方式, 加大矿井排水后, 其水 位下降幅度明显加大 表2 , 图1 ［3］. 表2 第四系下组底部含水砂层水位变化 T a b l e 2 D r a w d o w n o f p i e z o m e t r i c l e v e l o f l o w e r Q u a t e r n a r y u n c o n s o l a t e d a q u i f e r 水位/ m 时间 兴隆庄煤矿鲍店煤矿 观6观7 Q 下-2 Q 下-6 Q 下-11 标高水位降标高水位降标高水位降标高水位降标高水位降 198 3-12 -17 . 52 0 198 4. 12 -2 1. 8 50 4. 330 -2 2 . 2 42 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 1. h t m （第 3／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 9 中国矿业大学学报990 52 1 198 5-12 -2 5. 8 10 3. 96 0 -2 6 . 532 4. 2 90 -2 2 . 139 198 6 -12 -2 7 . 4951. 6 8 5-2 7 . 90 7 1. 37 5-2 4. 2 2 6 2 . 0 8 7 198 7 -12 -2 8 . 30 40 . 8 0 9-2 8 . 0 97 0 . 190 -2 5. 956 1. 7 30 -2 6 . 40 6 198 8 -12 -2 8 . 96 40 . 6 6 0 -2 9. 0 6 7 0 . 97 0 -2 6 . 8 16 0 . 8 6 0 -2 7 . 8 6 2 1. 456 198 9-12 -31. 32 42 . 36 0 -31. 0 52 1. 98 5-2 8 . 38 0 1. 56 4-2 8 . 0 0 10 . 139 1990 -12 -30 . 50 0 -0 . 8 2 4-30 . 57 5 -0 . 47 7 -2 9. 4351. 0 55-2 9. 6 7 11. 6 7 0 1991-12 -31. 12 8 0 . 6 2 8 -30 . 946 -0 . 37 1 -30 . 58 11. 146 -30 . 8 8 91. 2 18 1992 -12 -32 . 8 8 11. 7 53-32 . 7 16 1. 7 7 0 -32 . 18 31. 6 0 2 -32 . 6 551. 7 6 6 1993-12 -35. 16 6 2 . 2 8 5-34. 6 111. 8 95-36 . 58 7 4. 40 4-37 . 3344. 6 7 9 1994-12 -38 . 948 3. 7 8 2 -38 . 2 32 3. 6 2 1-41. 8 97 5. 310 -42 . 1434. 8 0 9 1995-12 -42 . 0 0 13. 0 53-40 . 6 50 2 . 418 -43. 8 951. 998 -44. 2 412 . 0 98 -45. 940 1996 -12 -45. 8 38 3. 8 37 -44. 7 514. 10 1-46 . 7 8 6 2 . 8 91-46 . 957 2 . 7 16-47 . 972 . 0 3 1997 -12 -46 . 96 51. 12 7 -45. 7 7 7 1. 0 2 6 -48 . 7 40 1. 954-49. 0 6 0 2 . 10 3-50 . 6 52 . 6 8 1998 -12 -50 . 0 313. 0 6 6 -48 . 4932 . 7 16 -51. 8 50 3. 110-52 . 193. 13-53. 8 33. 18 图1 鲍店矿Q 下-2, 16 7 号孔水位动态曲线 Fi g . 1 H y d r o g r a p h o f w e l l Q 下-2 a n d w e l l No . 16 7 i n Ba o d i a n Co a l M i n e 2 . 2 砂、土层的物理性质 2 . 2 . 1 第四系地层结构特征 矿区第四系为河湖相冲、洪积沉积旋回，最大厚度2 35. 59 m ，由棕黄色，灰绿色粘 土、砂质粘土、粘土质砂及砂砾层组成，由于河道的变换，形成不同土层相互交错叠 置现象，为井筒的受压变形提供了地质背景，鲍店矿主、副井处最为典型（图2 ）. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 1. h t m （第 4／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 9 中国矿业大学学报990 52 1 图2 鲍店煤矿主、副井地层柱状图 Fi g . 2 H i s t o g r a m o f m a i n s h a f t a n d a u x i l i a r y s h a f t o f Ba o d i a n Co a l M i n e 2 . 2 . 2 砂、土层的相关物理参数 兖州矿区第四系下组砂层孔隙度见表3，压缩系数及压缩模量见表4. 表3 砂土层孔隙度 T a b l e 3 Po r o s i t y o f l o w e r Q u a t e r n a r y u n c o n s o l i d a t e d l a y e r 岩 性粗砂中砂砂质粘土粘土 孔隙度/ 35. 0 ～39. 834. 0 ～43. 0 35. 1～46 . 0 33. 0 ～47 . 6 37 . 838 . 039. 540 . 9 试样个数410107 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 1. h t m （第 5／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 9 中国矿业大学学报990 52 1 表4 砂土层压缩系数及压缩模量 T a b l e 4 T h e c o m p r e s s i v e c o e f f i c i e n t a n d m o d u l e l s 岩 性粗砂中砂细砂 砂质粘土粘土 压缩系 数/ M Pa -1 0 . 2 1 压缩模 量/ M Pa 6 . 13 试样个数451107 2 . 2 . 3 含水砂层压缩及上覆地层沉降变化 第四系下组含水砂层水位下降，其对上覆地层的部分支撑力转移到砂层颗粒上， 造成砂层因压强增大而压缩，上覆地层随之下沉. 而兖州煤田内的粘土层基本属于不含 水的隔水层，其受水位下降引起的压缩量甚微. 中国矿业大学对第四系下组不同粒度的砂层做了压缩试验，结果表明砂层孔隙比 e 随压强 p 增大而减小，且e -p 为非线性关系，即含水砂层的压缩量增大幅度随着水 位下降幅度的增大而逐渐减小，最终趋于稳定 图3 . 综合各种粒度和矿层的压缩性得出 兖州矿区第四系下组砂层平均压缩率为0 . 0 90 . 砂层总厚度按2 0 m 计，则预计最终压缩量 为1. 8 0 m ，即为第四系下阻砂层水疏干后的地层下沉量. 图3 鲍店煤矿第四系下组砂层e -p 关系曲线 Fi g . 3 e -p c u r v e o f l o w e r Q u a t e r n a r y s a n d i n Ba o d i a n Co a l M i n e 2 . 3 井壁垂直附加应力的变化 上覆地层围抱井壁，原始状态下保持平衡，并减小一定量的井壁自重应力. 地层围 抱井壁下沉，增大了对下段井壁垂直向下的附加应力. 当井壁自重应力和附加应力之和 超过混凝土强度时，井壁就会产生破裂. 中国矿业大学建筑工程学院用多功能竖井模拟试验台对鲍店矿主、副井模拟试验 得出 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 1. h t m （第 6 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 9 中国矿业大学学报990 52 1 式中 n 为拟段高范围内的附加应力平均值，M Pa ；p w 为含水层疏水压降量，M Pa . 从表1，2 看出鲍店矿主、副井在水位下降约8 4 m 时分别在井深12 6 . 9, 136 ～144 m 处 发生破裂. 破裂段井壁为C30 i 双层钢筋混凝土. 从式 1 ， 2 中得出其附加应力为1. 1 m Pa ；井壁自重应力主井34. 0 m Pa ，副井31. 7 m Pa . 两项之和分别为35. 1和32 . 8 m Pa , 超过 混凝土强度2 . 8 ～5. 1 m Pa 以上，故造成井壁破裂. 3 预 测 根据上述分析，可以利用下列方法预测井筒的稳定性，以做好预防工作. 3. 1 e -p 曲线法 砂层压缩量是通过砂层孔隙比e 的变化来反映的，而随着水位下降，土颗粒所承受 的压强p 增大，因此压缩量也增大. 在兖州煤田第四系下组含水砂层埋深约12 0 m ，含水 砂层总厚度约2 0 m 的条件下，水位下降8 0 m 以下时井壁出现破裂. 据此，在1995年鲍店 矿副井破裂后，预计其主井、风井和兴隆庄矿风井、主、副井及杨村矿主、副井和北 风井将会产生同样的后果. 实际上述井筒相继发生破裂，仅兴隆庄矿主、副井和杨村矿 副井在濒于破坏时进行了防治，避免了破裂. 由于砂层总厚度及其压缩性、埋深及原始水位不同，在用e -p 曲线法预测井壁破裂 时需选取不同曲线段. 如砂层厚度和埋深大，压缩性强，井壁破裂点的曲线位置可能上 移. 3. 2 Pw-f n 法 中国矿业大学建筑工程学院模拟试验所得井壁垂直附加应力（f n ）随着水位下降 （p w ）增大而增大 . 由于井筒水平断面为圆形，且上、下和井壁外受限，故井壁垂向强 度增大. 当附加应力与井壁自重应力之和超过混凝土强度达3 m Pa 以上时，井壁将发生 压缩、破裂，产生剥落和近水平的裂缝 图4 . a 主井曲线 b 副井曲线 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 1. h t m （第 7 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 9 中国矿业大学学报990 52 1 图4 鲍店矿主、副井井壁垂向附加应力随水压降的变化 Fi g . 4 Ch a n g e o f v e r t i c a l a d d i t i o n a l s t r e s s o f m a i n a n d a u x i l i a r y s h a f t s o f Ba o d i a n Co a l M i n e w i t h d r a w d o w n o f p i e z o m e t r i c l e v e l 3. 3 模糊聚类评判法 煤科总院北京开采所对淮北、徐州、大屯、兖州等矿区的14个井筒分析，用模糊 聚类法评判兴隆庄矿4个井筒破坏时间**. 当聚类值达到0 . 43时井筒发生破坏，与实际情 况基本相符（表5）. 表5 兴隆庄矿井筒稳定性的模糊聚类评判 T a b l e 5 St a b i l i t y e s t i m a t i o n o f s h a f t i n Xi n g l o n g z h u a n g Co a l M i n e w i t h f u z z y c l u s t e r v 地表沉降/ m m . a -1 累计 下沉量/ m m 主压缩层 埋深/ m d 井筒/ m / m -1 施工方 法① 井壁质 量及 井塔因 素② 聚类值 井筒 状态 权 重0 . 2 00 . 100 . 500 . 100 . 2 70 . 130 . 0 5 标准值6 0 . 0 0510 . 0 02 7 0 . 0 07 . 502 . 2 01. 0 01. 0 01. 0 0 兴隆庄矿 1996 . 12 副井54. 0 0341. 0 0190 . 0 07 . 500 . 7 71. 0 00 . 0 00 . 42 将破 坏 主井54. 0 0341. 0 0190 . 0 08 . 500 . 8 31. 0 00 . 0 00 . 42 将破 坏 东风 井 30 . 0 02 91. 0 017 6 . 0 05. 0 01. 421. 0 00 . 0 00 . 43 已破 坏 西风 井 54. 0 0341. 0 0190 . 0 05. 501. 0 51. 0 01. 0 00 . 46 已破 坏 注① 冻结法为1，钻井法为0 ； ② 质量有问题及塔壁相连时为1，否则为0 . 4 井筒破坏的防治 总结国内成功的井筒破坏防治实例，可采用下列方法对井筒破坏进行预防和治理. 4. 1 井壁破裂治理 1 井圈加固； 2 井壁开卸压槽； 3 注浆加固砂层，分为地面注浆和井筒内破壁注浆； 4 套壁加固. 上述几种方法如综合使用，效果更好； 5 减少水位下降法，在分析水位下降原因基础上，在可能条件下，减小其水位下 降（砂层压缩量）是治本的方法. 4. 2 预防治理 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 1. h t m （第 8 ／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 9 中国矿业大学学报990 52 1 在井壁预计破裂前采取预防治理，既能保证安全生产，又可避免矿井停产的经济 损失. 治理方法以注浆加固砂层为主，还可配合采用井壁开卸压槽等综合方法. 兴隆庄矿 主、副井即采用上述综合治理方法. 4. 3 新建井筒设计 在巨厚冲积层区的新建井筒设计时，应充分考虑地层下沉井壁应力增大的因素. 因 此，在井壁材料、结构及几何形状上应进行综合研究，采取相应的施工对策，以避免 生产期间井壁破裂. 致 谢 本文引用了有关科研院校的大量分析测试成果，初稿并经中国矿大韩宝平教授审 阅、修改，在此一并致以衷心感谢. 第一作者简介 王树常，男，1944年生，高级工程师 作者单位兖州矿业集团公司 山东邹城 2 7 350 0 参 考 文 献 1 冯启言，韩宝平. 鲁西南地区的红层岩溶及其水文地质意义. 中国矿业大学学报， 1998 , 2 7 1 51～55 2 韩宝平，冯启言. 兖州矿区红层砂岩中自生绿泥石的产状和成因. 中国矿业大学学 报，1999, 2 8 1 53～56 3 韩宝平，冯启言，刘瑞新. 鲍店煤矿四采区涌水规律分析. 煤田地质与勘探，1996 4 35～38 收稿日期 1999-0 1-12 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 52 1. h t m （第 9／9 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 2 9