煤矿工业场地内深厚松散层的水平移动特征研究.pdf

文章编号0253 - 9993200304 - 0353 - 04 煤矿工业场地内深厚松散层的水平移动特征研究 许延春1,徐法奎1,官云章2 1 1 天地科技股份有限公司 开采所事业部,北京 100013 ; 21 兖州矿业集团公司 兴隆庄煤矿,山东 兖州 272000 摘 要根据现场实测资料,研究了在兴隆庄矿工业场地内深厚松散层水平移动的特征和机理, 确定了首次观测到的松散层出现集中水平移动的位置在深部厚黏土与承压含水砂土的交界面附 近,该处为深部松散层的强度弱面.数值模拟显现了松散层集中水平移动现象,证明地层弯曲变 形是导致形成集中水平移动的主要原因.该研究成果可指导避免将井壁卸压槽布置在深部厚黏土 的界面附近,并且在兴隆庄矿主井、西风井治理工程的卸压槽选位中得到应用. 关键词工业场地;深厚松散层;集中水平移动;特征 中图分类号 TD325 文献标识码 A 收稿日期 2002-12-26 基金项目国家自然科学基金资助项目50274042 由于认为疏水引起的深厚松散层水平变形为次要变形,对井筒破坏及变形影响小,而竖向压缩变形是 导致华东地区多个井筒发生破坏的主要原因,因此以往在煤矿工业场地主要进行松散层竖向变形的观测与 研究,例如,自1988年煤炭科学研究总院北京开采研究所在淮北的临涣、海孜、童亭、朱仙庄矿和兖州 的兴隆庄矿开展了松散层竖向变形观测[1];淮北矿业集团在海孜等矿采用基岩标观测松散层竖向变形等. 但对工业场地内松散层水平移动的观测和研究重视不够. 1996～1998年,笔者在兴隆庄矿主、副井工业 场地沉降孔尝试观测浅部埋深小于24 m松散层的水平移动,发现该段松散层存在小量的水平移动; 此外,兖矿集团杨村煤矿的主井塔出现倾斜,使松散层水平移动引起人们的关注.自1999年4月至今在 兴隆庄矿的主、副井和东风井工业场地的沉降孔内进行每半年一次的全松散层段的水平移动观测,并进行 了较深入的研究.开展该方面的研究不仅可以更全面地认识疏水引起松散层的变形规律,并且研究成果可 图1 沉降孔水平移动方位 Fig11 Horizontal movement direction of the subsidence observation holes a主、副井; b东风井 指导更合理地防治井筒破坏. 1 地层水平移动特征 111 观测方法 沉降孔布置在兴隆庄矿主、副井和东风井的工业场地内,水平移 动的观测深度分别为207 , 183 m ,钻孔位置松散层厚度分别为 189132 , 179191 m.应用美国Sinco公司的倾斜仪,对沉降孔测管内 A , B两个方向的水平移动进行观测,如图1所示.通过整理可分别获 得A ,B方向的水平移动和相对水平移动值.所谓水平移动,即相对 首次1999 - 04 - 08观测位置的水平移动量;相对水平移动,即相 对上次观测位置的水平移动量. 112 深厚松散层集中水平位移特征 1松散层在深部出现集中水平移动 观测到松散层深部埋深大于100 m出现多处集中水平移动 现象,表现为水平移动观测曲线在该位置突然增大图2 ,相对水平移动观测曲线相应出现峰值图3 . 由图2 , 3可知,副井地层B方向在156 m深度出现集中水平移动,水平错动量约30 mm.该集中水平移 第28卷第4期煤 炭 学 报Vol. 28 No. 4 2003年8月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2003 动是在1999年4月～2000年7月产生的.这是首次观测到在工业场地内的松散层内部出现集中水平移动 现象. 图2 兴隆庄矿副井地层B方向水平位移曲线 Fig12 Horizontal movement curves of directionBin the auxiliary shaft layers of Xinglongzhuang Mine 图3 兴隆庄矿副井地层B方向相对水平移动曲线 Fig13 Relative horizontal movement curves of direction Bin auxiliary shaft layers of Xinglongzhuang Mine 2集中水平移动出现在深部松散层的强度弱面位置 根据观测结果,整理集中水平移动的位置以及岩性 结构见表1.由表1可见,集中水平移动的位置基本是在深部厚层黏土或砂质黏土与砂土的交界面附近. 研究表明,随着埋深的增大,深部黏土强度的最大值增大,而最小值变化不大,形成明显的强度弱面,强 度弱面处在厚层黏土与承压含水层的交界面[2],因此当有适当的剪应力存在时,易在强度弱面产生集中 水平移动.而在浅部由于黏土和砂土都比较软,地层之间力学强度差异较小,因此不易出现集中水平移 动;该现象指导在采取井壁卸压槽治理井筒破坏时,不宜将卸压槽布置在深部厚黏土的强度弱面附近,否 则井壁出现平错变形,将对井筒的提升产生十分不利的影响.例如,曾有人提出为延长兴隆庄矿主井扩槽 和西风井2次治理工程的服务年限,在松散层下部再增加一道卸压槽,由于观测到松散层集中水平移动现 象,最终否定了增开卸压槽的方案. 表1 地层的集中水平移动 Table 1 Concentrated horizontal movement of the layers 地 层底界埋深/ m层厚/ m岩 性集中水平移动埋深/ m水平错动量/ mm 119117 14118422167砂质黏土141B方向13 15317911195砂质黏土 主、副井沉降孔1551792100黏 土156A方向10, B方向30 1591193140含砂黏土 1611992180含黏土中砂161B方向17 17414412145砂质黏土 124179 东风井沉降孔1291394160粗 砂130A方向30 14316414125黏 土 113 深厚松散层水平移动特征 1深厚松散层存在小量水平移动 ①副井地层A方向,在1999 - 04 - 08～2001 - 11 - 27的215 a内, 井口水平移动在- 27～ 15 mm之间变化,平均年移动17 mm左右;B方向图 2 在1999 - 06 - 18～ 2001 - 11 - 27的215 a内,孔口水平移动在0～75 mm之间变化.将A ,B两方向的水平移动进行合成, 水平移动的方位为S63W ,近西向.②东风井地层A方向图 4 在1999 - 06 - 17～2001 - 11 - 26的 215 a内,最大水平移动在埋深25 m处,为95 mm左右;B方向在1999 - 06 - 18～2001 - 11 - 27的215 a内,最大水平移动在120 m深度处,为60 mm左右. 2地层水平移动不向一个方向发展 副井地层A方向首先向南移动,2000年7月后逐渐向北移 453 煤 炭 学 报 2003年第28卷 图4 兴隆庄矿东风井地层A方向水平位移曲线 Fig14 Horizontal movement curves of directionAin the east air shaft layers of Xinglongzhuang Mine 动.地层B方向图2向西移动;东风井地层A方向 图 4 首先向西北方向水平移动, 2000年7月后逐渐 向反方向 东南方向移动.地层B方向首先向东北方 向移动, 2000年7月后逐渐向反方向 西南方向移 动. 3观测结果 地层出现小量水平移动的主要方位 是向远离井筒的方向移动,并且井筒以及井筒破坏的治 理措施对其周围地层的移动有影响.对2000年7月后 地层水平移动的方向变化,目前尚未确定主要原因. 2 地层集中水平移动的机理分析 根据弹性力学知识,当包括强度弱面的组合梁产生适当弯曲变形时,在梁的内部将产生水平移动.当 剪切应力大于强度弱面的剪切强度时,则会在该弱面产生平错[3],即集中水平移动.在工业场地内,地 层产生弯曲的原因主要有两个方面①井壁的支承作用.疏水引起的大范围地层压缩变形过程中,井壁 对地层有向上的摩擦力,使井壁附近的地层沉降、压缩量减小,地层在一定范围产生弯曲;②地层注浆 影响.井壁破坏治理一般都采用了壁后注浆的措施,壁后注浆使井壁后一定范围的加固地层压缩量减小, 而未加固地层压缩量不变,因此在井筒附近一定范围内地层出现弯曲.兴隆庄矿主、副井和东风井均进行 了破壁注浆,沉降孔距主、副井的距离分别约为60和80 m ,距东风井的距离约30 m.另外,通过工业场 地内相对地表沉降观测表明主井口附近地表抬升16 mm ,副井口相对抬升36 mm[4],也间接证明了地层 弯曲的存在. 采用专用的有限元软件建立“水位降松散层井筒”的空间轴对称模型,数值模拟了地层疏水固结 变形以及地层注浆、卸压槽治理措施对井壁的作用影响[2].以兴隆庄矿副井地层为例,由图5可知,当在 井壁后面松散层下部高为30 m ,宽为12 m范围注浆加固地层后,经过5 a 第5荷载级三含水位下降 191213 m ,地层相应压缩约191 mm时,在松散层下部出现明显的水平移动,并且在高度40 m左右显现 了集中水平移动现象.集中水平移动的径向范围小于100 m ,最大水平移动量达34 mm.图6为根据数值 模拟结果整理的高度为44 m地层的下沉曲线,由图6可知,地层注浆的范围不同,地层的弯曲挠度也不 同.在同样三含水位下降191213 m的条件下,当注浆加固下部松散层高为30 m ,宽为12 m的范围时, 地层最大相对下沉约140 mm;当注浆加固段高为15 m ,宽为4 m的范围时,地层最大相对下沉约55 mm ,表明加固地层范围大,则弯曲挠度大. 553第4期许延春等煤矿工业场地内深厚松散层的水平移动特征研究 3 结 论 1现场观测到工业场地深厚含水松散层的深部有集中水平移动现象.例如,兴隆庄矿主、副井沉降 观测孔分别在深度141 , 156 , 161 m处,实测到13 , 30 , 17 mm的水平错动;东风井在深度130 m处也 实测到30 mm的水平错动.研究确定,发生集中水平移动的位置在深部厚层黏土与承压含水砂层的交界 处,为深部松散层的强度弱面. 2地层的水平移动主要受井筒及其治理措施的影响,总体上向远离井筒的方向水平移动.机理分析 和数值模拟表明,地层弯曲变形是形成集中水平移动的主要影响因素.地层注浆加固段高,加固范围大, 则地层的弯曲挠度大. 3该成果可用于指导在采取地层注浆措施治理井壁破坏时,要防止由此产生集中水平移动对井壁的 损坏;不应在深部厚黏土与承压含水层的交界处布置卸压槽.该研究成果在兴隆庄矿西风井破坏二次治理 和主井卸压槽扩槽的设计和选位中已经得到应用. 参考文献 [1] 许延春,耿德庸.淮北临涣矿区地层非采动沉降分析[J ] ,岩土工程学报, 1994 , 24 6 140～146. 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The author also analyzed the mechanism of the con2 centrated horizontal movement by numerical analysis with special FEM software.In addition , the deflection de2 ation of deep layers was one of the main factors for concentrated horizontal movement of soil layer in mine yard. The study has been used in the treatment engineering of the main shaft and west airshaft in Xing2 longzhuang Coal Mine. Key words mine yard; deep unconsolidated layer ; concentrated horizontal movement ; characteristic 653 煤 炭 学 报 2003年第28卷