煤礦立井井壁破裂原因及治理措施

楊榮基

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦井筒穿越的表土層厚度逐漸加深，“井型大，立井深”型礦井已很常見，由此帶來很多的問題，出現(xiàn)了許多復(fù)雜的技術(shù)問題。其中立井井壁的破裂問題就成為工程技術(shù)人員關(guān)注的難題。本文首先分析了煤礦立井井壁破裂的原因，重點(diǎn)論述立井井壁破裂的治理措施，期待本文的研究能為防治井壁破裂有較大的參考作用。

關(guān)鍵詞：立井井壁；破裂；原因；治理措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.081

0 引言

基于不斷發(fā)展的煤礦行業(yè)影響下，一批大規(guī)模的礦井得以建設(shè)，這就要求對(duì)其存在的復(fù)雜技術(shù)問題進(jìn)行解決，其中的立井井壁裂紋甚至是破裂是一個(gè)顯著的問題，這不利于煤礦生產(chǎn)的安全性。為此，需要對(duì)煤礦立井井壁的破裂原因及其治理措施進(jìn)行探究。

1 煤礦立井井壁破裂的原因

（1）施工質(zhì)量差導(dǎo)致的井壁破裂。以往的井壁設(shè)計(jì)方法、井壁構(gòu)造、井壁受力模式的正確的，僅僅是凍結(jié)井壁的澆注借助混凝土進(jìn)行，因?yàn)槭┕ぜ夹g(shù)、管理等要素的制約導(dǎo)致井壁的施工質(zhì)量較差，這造成井壁的強(qiáng)度顯著低于實(shí)際設(shè)計(jì)的強(qiáng)度，這樣在水平地壓的影響下，井壁會(huì)破裂。

（2）內(nèi)部科學(xué)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的井壁破裂。在設(shè)計(jì)井壁構(gòu)造的時(shí)候僅僅注重地壓，根據(jù)平面應(yīng)變控制環(huán)向應(yīng)力對(duì)井壁的強(qiáng)度與厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，豎向荷載僅僅兼顧井壁自重配豎向鋼筋，未曾重視各種地質(zhì)狀況下下沉的地層對(duì)井壁增加的荷載，這導(dǎo)致井壁在各種地質(zhì)狀況下受到不均勻荷載的影響而出現(xiàn)破裂。

（3）負(fù)摩擦力導(dǎo)致的井壁破裂。因?yàn)榕潘c疏水的要素，所以導(dǎo)致井壁附近柔性圖層下沉，進(jìn)而使一種側(cè)向向下的負(fù)摩擦力出現(xiàn)在剛性井壁，如此的負(fù)載摩擦力會(huì)造成井壁破裂。

（4）地應(yīng)力導(dǎo)致的井壁破裂。因?yàn)闃?gòu)造運(yùn)動(dòng)會(huì)增加地應(yīng)力，所以地層出現(xiàn)相對(duì)性的垂直位移與水平位移，進(jìn)而導(dǎo)致井壁出現(xiàn)破裂的情況。當(dāng)然，這也涵蓋地殼運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的破壞。

（5）井壁豎向附加應(yīng)力導(dǎo)致的井壁破裂。豎向應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致井壁破裂。究其原因，其主要是因?yàn)閮鼋Y(jié)井壁凍融、季節(jié)溫度改變、底部含水層疏水等一些要素，其中的關(guān)鍵要素是底部含水層的疏水，破裂的井壁是由于底部含水層的排水降低了地下水位，從而增加了地層有效應(yīng)力，因此井壁附近地層下沉。此外，改變的季節(jié)溫度也會(huì)導(dǎo)致井壁圖層的熱脹冷縮，進(jìn)而使摩擦力形成于井壁外邊。

2 立井井壁破裂的治理措施

（1）破壁注漿加固的治理對(duì)策。如此的對(duì)策是在井壁上鉆孔，穿過井壁向井壁附近相應(yīng)范圍的強(qiáng)風(fēng)化巖層或者是巖土層當(dāng)中灌注漿液，提高井壁附近巖土層的穩(wěn)定性，且能夠避免附近地層的下沉。破壁注漿能夠使一個(gè)帷幕形成于井壁附近，從而提供承受附加應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)井壁受力的改變。并且，破壁注漿還能夠?qū)诟浇拈g隙進(jìn)行填充，從而實(shí)現(xiàn)井壁抗?jié)B、防水性能的提升。

作為一種加固立井井壁的破壁注漿加固施工質(zhì)量穩(wěn)定、目的性強(qiáng)，然而，一般僅僅可以實(shí)現(xiàn)1m——2m的破壁注漿帷幕，難以有效地根治井壁的破裂。

（2）卸壓槽加固的治理對(duì)策。以力學(xué)的機(jī)理對(duì)加固井壁進(jìn)行思考，具備兩種方式，即“抗”與“讓”。將卸壓槽開在井壁，就是“適應(yīng)”豎向附加力，也就是“讓”的方式，加固卸壓槽是確保適當(dāng)?shù)淖冃纬霈F(xiàn)在井壁豎直方向上，進(jìn)而對(duì)附加應(yīng)力予以吸收，并且需要確保卸壓槽具備一定的剛度與強(qiáng)度，從而跟水平地壓相抵抗。設(shè)置卸壓槽能夠在強(qiáng)風(fēng)化帶高應(yīng)力區(qū)域的內(nèi)井壁或者是底部含水層選擇，適宜設(shè)置水平環(huán)形槽的方式，且將可塑性的材料進(jìn)行填充，確保井壁具備能夠壓縮性的變形，以使伴隨地層沉降的井壁出現(xiàn)壓縮。如此一來，卸壓槽能夠?qū)谪Q向附加應(yīng)力進(jìn)行吸收，避免破壞井壁。通常設(shè)置1個(gè)——2個(gè)的卸壓槽數(shù)量，能夠根據(jù)破損的井壁狀況與表土層厚度進(jìn)行確定。在破損帶跟基巖分界面與表土層比較遠(yuǎn)的情況下，能夠設(shè)置的卸壓槽個(gè)數(shù)是2個(gè)，從而對(duì)附加應(yīng)力進(jìn)行分段地吸收。

通常最為理想的卸壓槽位置是基巖交界和表土上面或者是井壁破裂帶，如此能夠向設(shè)置好的卸壓槽傳遞豎向附加應(yīng)力，避免又一次地破壞。設(shè)置的卸壓槽實(shí)現(xiàn)了井壁豎向剛度的降低，且對(duì)附加應(yīng)力予以吸收，確保了井壁構(gòu)造整體的完善，這是“讓”的方式的表現(xiàn)。并且，能夠?qū)π秹翰畚恢镁诘膹较蜃冃慰s小。事實(shí)表明，將卸壓槽設(shè)置在井壁上而加固井壁的對(duì)策是非?？尚械?、科學(xué)的、經(jīng)濟(jì)的。

（3）地面注漿加固的治理措施。所謂的地面注漿就是由地面打孔注漿，向井筒附近的強(qiáng)風(fēng)化段基層與松散層底部注入漿液，這樣能夠使一個(gè)范圍較大的注漿帷幕形成于井筒附近。注漿帷幕先是能夠避免井筒周圍強(qiáng)風(fēng)化段基巖與底部含水層滲透水，確保帷幕當(dāng)中的強(qiáng)風(fēng)化帶與含水層不再失去水分，從而使井壁防止受到侵蝕。其次，能夠?qū)崿F(xiàn)注漿位置強(qiáng)風(fēng)化帶與底部含水層強(qiáng)度的提升，實(shí)現(xiàn)豎向變形的降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井壁和土之間豎向附加應(yīng)力的降低效果。

選用地面注漿材料需要實(shí)現(xiàn)巖土層力學(xué)性能的提升，體現(xiàn)堵漏防滲的效果?？梢赃x擇超細(xì)的材料，從而擴(kuò)散漿液。材料的選擇需要兼顧巖土層當(dāng)中的堿、酸、其它有機(jī)物是不是跟注漿材料形成不利于的化學(xué)反應(yīng)。以適用經(jīng)濟(jì)作為視角而言，通常選擇懸浮劑、速凝劑、早強(qiáng)劑、塑化劑等水泥類的漿液；脲醛樹脂類的注漿材料；粉煤灰水泥漿材；水玻璃—水泥類的漿液等。很多的實(shí)測資料證實(shí)，井壁借助地面注漿法進(jìn)行加固可以進(jìn)行有效地根治。

3 結(jié)語

綜上所述，上述的一系列加固對(duì)策并非單獨(dú)分開應(yīng)用，需要結(jié)合井筒的實(shí)際現(xiàn)狀，聯(lián)合應(yīng)用幾種加固對(duì)策，像是卸壓槽加破壁注漿的對(duì)策能夠?qū)崿F(xiàn)更加理想的效果。當(dāng)然，當(dāng)今需要有效地統(tǒng)一“橫抗”和“豎讓”的治理對(duì)策進(jìn)行加固。實(shí)踐證明，地面注漿加固的治理措施可有效提高井壁破裂治理效果，具有推廣價(jià)值 。

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