注水法预防井筒破坏机理及其应用研究.pdf

第 ４８ 卷第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４８ Ｎｏ􀆱 ８ ２０２０ 年８ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｇ.２０２０ 移动扫码阅读 杜明泽ꎬ许延春ꎬ姜 鹏.注水法预防井筒破坏机理及其应用研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０２０ꎬ４８８２３７－ ２４５􀆱 ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０８􀆱 ０３０ ＤＵ ＭｉｎｇｚｅꎬＸＵ ＹａｎｃｈｕｎꎬＪＩＡＮＧ Ｐｅｎｇ.Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｈａｆｔ ｆａｉｌｕｒｅ [Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２０ꎬ４８８２３７－２４５􀆱 ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０８􀆱 ０３０ 注水法预防井筒破坏机理及其应用研究 杜明泽１ꎬ２ꎬ３ꎬ４ꎬ许延春４ꎬ姜 鹏１ꎬ２ １.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院ꎬ北京 １０００１３ꎻ２.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室ꎬ北京 １０００１３ꎻ ３.辽宁工程技术大学 博士后科研流动站ꎬ辽宁 阜新 １２３０００ꎻ４.中国矿业大学北京 能源与矿业学院ꎬ北京 １０００８３ 摘 要注水法是近年来新兴的预防井筒破坏的方法ꎬ是从控制含水层疏降的角度考虑ꎬ通过维持厚 冲积层底部含水层水位稳定来预防井筒破坏ꎮ 针对注水法预防井筒破坏机理认识不足、现场应用效 果及可行性还需要系统的研究与探讨等问题ꎬ采用室内试验、数值模拟和现场实践等方法分析了黄淮 地区深埋黏土的工程性质及失水变形机理ꎬ研究了疏、注水条件下井筒受力状态和地层变形情况ꎬ并 对注水法的应用效果及可行性进行了探讨ꎮ 结果表明深埋黏土主要由伊利石、高岭石等膨胀性物质 组成ꎬ且随埋深增大向半固态转变ꎬ松散冲积层底部含水砂层失水上覆土层变形以整体滑移为主ꎻ疏 水条件下井壁垂直压应力持续增大ꎬ地层压缩量增大ꎬ注水后ꎬ井壁垂直压应力减小ꎬ地层压缩量减小 甚至出现微抬升ꎬ注水有效抑制了附加应力的产生ꎬ缓解了井壁的受压状态ꎮ 在此基础上ꎬ通过对济 三煤矿注水法的应用效果以及朱仙庄煤矿大降深疏降条件下注水法应用的可行性分析ꎬ得出济三煤 矿工业广场松散底部含水层可控性较强ꎬ现场多孔联合注水效果较好ꎬ有效预防了井筒破坏ꎻ朱仙庄 煤矿地层注水的可控性较差ꎬ在大降深疏放的条件下ꎬ不适宜采用注水法进行预防井筒破坏ꎮ 研究结 果进一步揭示了注水法预防井筒破坏的机理ꎬ为同类井筒破坏防治提供理论基础与应用参考ꎮ 关键词立井井筒ꎻ注水法ꎻ厚松散冲积层ꎻ附加应力ꎻ地层变形 中图分类号ＴＤ２６２ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０２００８－０２３７－０９ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｈａｆｔ ｆａｉｌｕｒｅ ＤＵ Ｍｉｎｇｚｅ１ꎬ２ꎬ３ꎬ４ꎬＸＵ Ｙａｎｃｈｕｎ４ꎬＪＩＡＮＧ Ｐｅｎｇ１ꎬ２ １.Ｍｉｎｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＢｒａｎｃｈꎬＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ ２.Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｃｌｅａｎ ＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ ３.Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｐｏｓｔ－ｄｏｃｔｏｒａｌ ＳｔｕｄｉｅｓꎬＬｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＦｕｘｉｎ １２３０００ꎬＣｈｉｎａꎻ ４.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００８３ꎬＣｈｉｎａ 收稿日期２０２０－０１－２５ꎻ责任编辑杨正凯 基金项目中国博士后科学基金资助项目２０１９Ｍ６６０５９８ꎻ煤炭科学技术研究院有限公司科技发展基金资助项目２０１９ＣＸ－Ⅱ－１３ 作者简介杜明泽１９８９ꎬ男ꎬ山东枣庄人ꎬ博士ꎮ Ｔｅｌ０１０－８４２６１８７２ꎬＥ－ｍａｉｌｄｕｍｉｎｇｚｅ０９１０＠１６３.ｃｏｍ ＡｂｓｔｒａｃｔＷａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ａｎ ｅｍｅｒｇｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｈａｆｔ ｆａｉｌｕｒｅ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ. Ｉｔ ｉｓ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｈａｆｔ ｆａｉｌｕｒｅ ｂｙ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ａｔ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ ａｌｌｕｖｉｕｍ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｑｕｉｆｅｒ ｄｅｗａｔｅｒｉｎｇ. Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｈａｆｔ ｆａｉｌｕｒｅꎬ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｌｓｏ ｒｅ￣ ｑｕｉｒｅ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎꎬ ｔｈｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｔｅｓｔꎬ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒ￣ ｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｄｅｅｐ－ｂｕｒｉｅｄ ｃｌａｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｗａｔｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｈｕａｎｇ－ｈｕａｉ ｒｅｇｉｏｎ. Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｐａｒｓｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ. Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｅｐ－ｂｕｒｉｅｄ ｃｌａｙ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｉｌ￣ ｌｉｔｅ ａｎｄ ｋａｏｌｉｎｉｔｅꎬ ａｎｄ ｉｔ ｃｈａｎｇｅｓ ｔｏ ａ ｓｅｍｉ－ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ａｓ ｔｈｅ ｂｕｒｉａｌ ｄｅｐｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ. Ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｏｉｌ ｌａｙｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ａｑｕｉ￣ ｆｅｒ ｓａｎｄ ｌａｙｅｒ ａｔ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ａｌｌｕｖｉｕｍ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｓｌｉｐｐａｇｅ.Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｗａｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｗａｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ. Ｉｔ ｗａｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎꎬ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｗａｌｌ ｃｏｎｔｉｎｕｅｓ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ａｆｔｅｒ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎꎬ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｗａｌｌ ｄｅｃｒｅａｓｅｓꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｏｒ ｅｖｅｎ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｌｉｆｔｓꎬ ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈａｔ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｕｐ￣ ｐｒｅｓｓｅｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ａｌｌｅｖｉａｔｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｗａｌｌ. Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓꎬ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ７３２ ２０２０ 年第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｊｉｎｉｎｇ Ｎｏ. ３ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｄｒａｗｄｏｗｎ ａｎｄ ｄｒａｉｎａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｚｈｕｘｉａｎｚｈｕａｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅꎬ ｉｔ ｗａｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｏｏｓｅ ｂｏｔｔｏｍ ａｑｕｉｆｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｑｕａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｊｉｎｎｉｎｇ Ｎｏ. ３ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ｈａｓ ｓｔｒｏｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｎ－ｓｉｔｅ ｐｏｒｏｕｓ ｊｏｉｎｔ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ￣ ｌｙ ｐｒｅｖｅｎｔｓ ｓｈａｆｔ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ. Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｚｈｕｘｉａｎｚｈｕａｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ｗａｓ ｐｏｏｒꎬ ａｎｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｄｒａｗ￣ ｄｏｗｎ ａｎｄ ｄｒａｉｎａｇｅꎬ ｉｔ ｗａｓ ｎｏｔ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｔｏ ｕｓｅ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｈａｆｔ ｆａｉｌｕｒｅ. Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｖｅａｌ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｈａｆｔ ｆａｉｌｕｒｅꎬ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎ￣ ｔｒｏｌ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｓｈａｆｔ ｆａｉｌｕｒｅ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｈａｆｔꎻ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄꎻ ｔｈｉｃｋ ａｌｌｕｖｉｕｍꎻ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｅｓｓꎻ ｓｔｒａｔｕｍ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ０ 引 言 黄淮地区是我国重要的煤炭生产基地ꎬ广泛分布 着淮南、淮北、枣庄、兖州等大型矿区ꎮ １９８７ 年起ꎬ黄 淮地区多个矿区陆续发生井筒破坏事故ꎬ目前破坏数 量已达数百个ꎬ给煤矿安全生产带来严重挑战[１－２]ꎮ 井筒是煤矿的咽喉ꎬ承担着行人、运输和通风的 任务ꎬ是连接矿井与地面最重要的通道ꎮ 井筒的稳 定与否ꎬ关系到矿井的正常生产运转ꎮ 经过多年的 科研攻关与现场实践ꎬ众多学者认为井筒的破坏与 厚松散冲积层底部含水砂层持续疏水有关ꎮ 虽然多 种学说相继提出ꎬ最终附加应力学说得到了广大学 者和现场人员的普遍认可ꎮ 该学说认为ꎬ厚松散冲 积层底部的含水砂层在采动的影响下水位逐渐下 降ꎬ水位下降引起上覆土层固结压缩ꎬ压缩过程中在 井壁上产生竖直向下的附加应力ꎮ 当压应力大于井 壁强度时ꎬ井筒发生破坏[３－７]ꎮ 基于井筒破坏的机 理ꎬ学者们提出了开卸压槽、套壁加固、井圈加固井 壁、地层注浆和地面钻孔注水稳定水位法简称注 水法 等防治方法ꎬ并在工程实践中进行了应用ꎮ 前 ４ 种方法从“抗”和“让”的角度考虑ꎬ不仅费时费 力ꎬ而且容易出现重复破坏、多次治理的情况ꎬ影响 矿井正常生产ꎮ 注水法是近年来新兴的防治方法ꎬ旨在通过注 补的方式维持含水层水位稳定ꎬ进而从根本上解 决井筒破坏的问题ꎮ 王长峰等[８]提出了地面布置 钻孔ꎬ通过注水的方式避免井筒破坏ꎬ但未经实践检 验ꎻ周国庆等[９]采用物理模拟方法ꎬ模拟研究了疏、 注水过程井壁附加应变的变化规律ꎬ得出注水可有 效减小附加应力的产生ꎬ但无法恢复到注水前的受 力状态ꎻ许延春等[１０－１３]在前人的基础上ꎬ将注水法 应用到煤矿现场ꎬ并在济三煤矿进行了单孔注水、多 孔联合注水试验ꎬ取得了预期效果ꎻ文献[１４－１５]在 注水法的基础上ꎬ提出松散冲积层上组水补给下组 水的思路ꎬ并在东滩煤矿进行了试验ꎬ取得了良好的 效果ꎻ柴敬等[１６－１８]采用光纤光栅技术对疏、注水条 件下地层变形情况进行了监测ꎬ分析了疏、注水条件 下地层的受力状态ꎬ阐明了疏、注水与地层变形的 关系ꎮ 综上所述ꎬ以往关于注水法预防井筒破坏防治 的研究主要集中在模型试验和现场工业试验上ꎬ注 水法预防井筒破坏的机理还未完全摸清ꎬ注水法预 防井筒破坏的长期效果还有待监测、评估ꎬ现场应用 的可行性还需要系统的研究与探讨ꎮ 鉴于此ꎬ笔者 在分析黄淮地区深埋土体工程性质的基础上ꎬ分析 深埋土体失水变形的机理ꎬ结合数值模拟ꎬ研究疏、 注水条件下井筒受力、地层变形机理ꎮ 在此基础上ꎬ 通过现场工程实例ꎬ探讨注水法应用的效果和可行 性ꎬ以期为黄淮地区井筒破坏防治提供理论基础与 应用参考ꎮ １ 黄淮地区深埋土体工程性质及失水变形 机理 黄淮地区地层普遍存在厚度大于 １００ ｍ 的松散 冲积层ꎬ垂向上通常为含、隔水层交替互层ꎬ典型的 淮北矿区朱仙庄矿、海孜矿等为“四含三隔”四 个含水层、三个隔水层结构ꎬ兖州矿区东滩矿、鲍 店矿等为“三含两隔”三个含水层、两个隔水层 结构ꎮ 厚松散层底部含水层失水变形机理与浅部存 在明显不同ꎬ厚松散层底部含水层疏水引起的地层 沉降是以砂土变形为主ꎬ而浅部土体变形则以黏土 固结压缩为主ꎮ 因此ꎬ要掌握黄淮地区井筒发生破 坏的关键ꎬ必须了解厚松散层底部的含水层疏水以 及上覆隔水层通常为黏土层的性质ꎮ １.１ 深埋黏土矿物成分分析 在济三煤矿风井附近钻孔Ｚ７进行土层取样ꎬ 并采用 Ｄ８ ａｄｖａｎｃｅ Ｘ 射线衍射仪对不同深度的黏 土试样进行矿物成分测试ꎬ测试结果如图 １ 所示ꎮ 由图 １ 可知ꎬ济三煤矿深埋黏土主要由伊利石、高岭 石组成ꎬ一些黏土试样中含有蒙脱石ꎬ夹杂白云母、 石英和长石ꎬ说明深埋黏土矿物主要以膨胀性矿物 成分为主ꎬ吸水易膨胀ꎬ但深埋黏土长时间处于高压 压缩状态ꎬ黏土的压缩性能还需要通过液塑限、容量 瓶等方法确定ꎮ ８３２ 杜明泽等注水法预防井筒破坏机理及其应用研究２０２０ 年第 ８ 期 图 １ Ｚ７ 孔岩心土样矿物成分分析 Ｆｉｇ.１ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｍｉｎｅｒａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｃｋ ｃｏｒｅ ｉｎ Ｈｏｌｅ Ｚ７ １.２ 松散土体工程性质 １深埋黏土工程地质特性ꎮ 统计搜集了 ７９ 组 常规土工试验数据ꎬ工程性质随埋深的关系如图 ２ 所示ꎮ 由图 ２ 可知ꎬ深埋黏土的密度、孔隙比与埋深 的关系分散性较大ꎬ孔隙比随埋深略有下降的趋势ꎬ 说明埋深越大ꎬ孔隙比越小ꎬ黏土密实程度更高ꎮ 黏 土液性指数随着埋深的增大而减小ꎬ埋深大于 ６０ ｍ 液性指数小于零ꎬ说明黏土随着埋深由可塑向半固 态转变ꎬ流动性逐渐变差ꎮ 黏土的内摩擦角、黏聚力 与埋深之间的离散性较大ꎬ说明不同深度黏土强度 各差异ꎬ同一黏土层间仍存在强度弱面ꎮ ２深部土体失水变形机理ꎮ 采用容量瓶法对 济三煤矿松散层第二隔水层进行了黏土结合水含量 测定[１９]ꎬ黏土埋深 １７１.５１７５.４ ｍ编号 Ａ和埋深 １３１.５１３６.１ ｍ编号 Ｂ两个试样ꎬ测试过程如图 ３ 所示ꎬ测试结果见表 １ꎮ 结果表明ꎬＡ、Ｂ 试验的含水 率为 １７.８％、１９.６％ꎬ而 Ａ、Ｂ 试样吸附结合水含量分 别为 ３６.１％、２８％ꎬ吸附结合水均大于黏土的含水 率ꎬ说明土中的水全部是吸附结合水ꎮ 因此ꎬ松散层 底部含水砂层失水时ꎬ上覆土体并不发生以固结 压缩为主或少量固结压缩ꎬ而是以整体下滑压缩 为主ꎮ 表 １ 试样吸附结合水测试结果 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｂｏｕｎｄ ｗａｔｅｒ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ 编号ｗ/ ％ｍｓ/ ｇＶｓ/ ｃｍ３Ｖ０/ ｍＬＶｌ/ ｍＬＶｔ/ ｍＬ Ａ１７.８％１５５.４５９０９４.２４.２ Ｂ１９.６％１５５.４７９０９４.５４.５ 注ｗ 为含水率ꎻｍｓ为干重ꎻＶｓ为土粒体积ꎻＶ０为注入容量瓶溶 液体积ꎻＶ１为最终液面体积ꎻＶｔ为实测溶液体积增量ꎮ ２ 注水法预防井筒破坏机理 采用数值模拟方法对疏、注水条件下井筒受力、 地层变形情况进行研究ꎬ分析注水法预防井筒破坏 的机理ꎮ 模拟采用 ＮＭ２ｄｃ 数值模拟软件ꎬ该软件能 够针对土工常见的应力应变、固结变形等问题进行 模拟ꎬ计算结果可通过 Ｔｅｃｐｌｏｔ 软件进行调用ꎬ进而 直观地反映模拟结果ꎮ ２.１ 模型建立与参数选择 由于井壁、土层、基岩风化带的性质不同ꎬ且松 散层厚度大ꎬ土体的性质差异性也较大ꎬ因此ꎬ不同 的材料选择的本构模型不同ꎮ 基于不同材料各自的 属性关系ꎬ模拟中井壁和基岩风化带选用线弹性模 型ꎬ土层选择邓肯－张模型ꎮ 模型选择比奥Ｂｉｏｔ固 ９３２ ２０２０ 年第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 结理论的空间轴对称模型ꎬ用以分析疏、注水过程中 井壁受力以及土层变形情况图 ４ꎮ 图 ２ 深埋黏土工程性质 Ｆｉｇ.２ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｅｅｐ－ｂｕｒｉｅｄ ｃｌａｙ 以济三煤矿风井为研究对象ꎬ参考现场 Ｚ１ 孔单 孔注水试验后改为水位观测孔试验结果ꎬ拟在距 离井筒中轴线附近 ３０ ｍ 处注水ꎮ 模拟范围为垂高 从地表至基岩风化带以下 ８ ｍꎬ径向宽从井筒中轴 线往外３００ ｍꎬ地层深度为１８５ ｍꎬ模型的单元数７８０ꎬ 节点数８３７ꎮ 济三煤矿风井疏注水模拟计算模型ꎬ在模 图 ３ 黏土结合水含量测定 Ｆｉｇ.３ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｕｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｃｌａｙ 图 ４ 济三煤矿风井疏注水模拟计算模型 Ｆｉｇ.４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｒａｉｎａｇｅ ｎｅａｒ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｓｈａｆｔ ｉｎ Ｊｉｎｉｎｇ Ｎｏ.３ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ 型中ꎬＸ 轴代表距离井筒中轴线的距离ꎬ为半径ꎬＹ 轴代表研究高度ꎬ模型最上端为地表ꎬ基岩风化带以 下 ８ ｍ 底界面为 Ｙ 轴零基准ꎮ 疏注水过程中 Ｑ下 －３ 孔对应的监测深度见表 ２ꎮ 地层工程参数主要土工试验获得ꎮ 地层岩性及 其力学参数见表 ３ 和表 ４ꎮ ２.２ 模拟方案 具体模拟方案见表 ５ꎬ荷载级设计见表 ６ꎮ 根 据水位变化进行荷载级设计ꎬ根据疏降注水方 案中水位的变化和对应的时间进行荷载级等级 设计ꎮ 表 ２ 水位观测孔、注水孔对应地层深度 Ｔａｂｌｅ ２ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｈｏｌｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｈｏｌｅ 注水孔编号注水深度/ ｍ水位观测孔编号水位监测深度/ ｍ对应冲积层位编号 Ｚ２１４２.０１７１.４Ｑ下 －４ １１５.８３１３５.１５１５ꎬ１７ Ｚ４１４１.０１６５.２ Ｑ下 －１ １１４.００１７１.５３１５ꎬ１７ꎬ２１ꎬ２２ꎬ２４ꎬ２９ꎬ３２ꎬ３４ꎬ３８ Ｚ５１４１.０１６５.２Ｚ１１４４.８５１７６.４０２４ꎬ２９ꎬ３２ꎬ３４ꎬ３８ Ｚ６１３８.８１６９.２ Ｑ下 －３ １６６.００１７６.００３８ ０４２ 杜明泽等注水法预防井筒破坏机理及其应用研究２０２０ 年第 ８ 期 表 ３ 邓肯－张模型参数 Ｔａｂｌｅ ３ Ｄｕｎｃａｎ－Ｃｈａｎｇ ｍｏｄｅｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 土层 序号 岩性 ｄ/ ｍ ρ/ ｇ􀅱ｃｍ －３ ＫＫｕｒｎＲｆＫｂｍ Ｃ/ ｋＰａ φ０/ ΔφＫ０ Ｋｎｓ/ ｃｍ􀅱ｓ －１ Ｋｖｓ/ ｃｍ􀅱ｓ －１ Ｓｆｅ０Ｓ０σ３０ １表土５４１.８６２００３０００.６０.６８０００３２２３.２０.６７０.０００ ２１ ０.０００ ２１００.７５１０ ２中粗砂８９２.２０３００４５００.６０.６１ ２０００３２２３.２０.６７０.０００ ２１ ０.０００ ２１００.７５１０ ３砂质黏土９９２.２０４００６０００.４０.７１ ６０００.２０３０１.３０.４００.０１６ １０ ０.０１６ １０００.７５１０ ４粗砂砾石 １３４２.１０５００７５０１.１０.６２ ００００３２２１１.７０.６７０.０００ ２１ ０.０００ ２１００.７５１０ ５砂质黏土 １５９２.１０４３０６４５０.３０.６１ ７２００.２０３０１.３０.４００.０５３ ００ ０.０５３ ００００.７５１０ ６中砂１７２２.１０７００１０５００.４０.７２ ８０００.３０３０３.２０.４０２.５３６ ００ ２.５３６ ００００.７５１０ ７黏土１７７２.２０８００１２０００.６０.７３ ２０００.６５２２１７.００.６００.０００ ２１ ０.０００ ２１００.７５１０ 注ｄ 为埋深ꎻρ 为天然密度ꎻＫ 为初始弹性模量基数ꎻＫｕｒ为卸载、再加载模量数ꎻｎ 为无因次指数ꎻＲｆ为破坏比ꎻＫｂ切线体积模量系数ꎻｍ 为切 线体积模量指数ꎻＣ 为黏聚力ꎻφ０为初始内摩擦角ꎻΔφ 为围压增加一个对数周期下摩擦角 φ 的减小值ꎻＫ０为侧压系数ꎻＫｎｓ为水平渗透系数ꎻＫｖｓ为 垂直渗透系数ꎻＳｆ为饱和度参数ꎻｅ０为初始孔隙比ꎻＳ０为初始饱和度ꎮ 表 ４ 风化带、井壁线弹性模型物理力学参数 Ｔａｂｌｅ ４ Ｌｉｎｅａｒ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｈａｆｔ ｗａｌｌ ａｎｄ ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ ｚｏｎｅ 土层序号位置ｄ/ ｍ ρ/ ｇ􀅱ｃｍ －３ Ｅ/ ＭＰａνＫ０ Ｋｎｓ/ ｃｍ􀅱ｓ －１ Ｋｖｓ/ ｃｍ􀅱ｓ －１ Ｓｆｅ０Ｓ０ １０风化带１８５２.５１ ００００.２５００.１９７.５１０ －５ ７.５１０ －５ ００.２１１ １１井壁２.４２５０ ００００.１６７ 注Ｅ 为弹性模量ꎻν 为泊松比ꎮ 表 ５ 计算方案及内容 Ｔａｂｌｅ ５ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔ 方案编号方案描述 方案一 底含在自然状态下疏水ꎬ疏水时间为 １２０ ｄꎬ模拟疏 水状态下井壁受力状态和地层变形情况 方案二 底含先疏水ꎬ疏水时间为 ３０ ｄꎬ然后开再进行注水ꎬ 注水压力为 １ ＭＰａꎬ注水时间为 ９０ ｄꎬ整个过程历 时 １２０ ｄꎬ研究疏、注水条件下井壁受力状态以及地 层变形情况 ２.３ 模拟结果及分析 １疏注水对井壁受力的影响ꎮ 方案一、方案二 疏、注水条件下ꎬ水位和井壁最大垂直压应力的对应 关系如图 ５ 所示ꎮ 由图 ５ 可知ꎬ疏水过程中方案 一第 ７ 荷载级井壁受力达到最大ꎬ而方案二经过 一段时间的注水ꎬ井壁压应力明显减小ꎬ说明注水缓 解了井壁的受力状态ꎮ 水位变化与井壁受力状态具 有明显的相关性ꎬ水位下降ꎬ地层压缩下沉ꎬ产生的 附加应力增大ꎬ井壁最大压应力增大ꎻ水位上升ꎬ 地层压缩量减小ꎬ甚至出现轻微抬升ꎬ井壁压应力 减小甚至出现拉应力ꎬ说明注水可有效预防井筒 破坏ꎮ 疏、注水条件下不同埋深井壁最大垂直压应 力与荷载级的关系如图 ６ 所示ꎮ 由图 ６ 可知ꎬ随 着 Ｑ下－１ 孔水位的下降ꎬ不同埋深井壁所受的压 应力均表现出增大的趋势ꎬ且埋深越大ꎬ井壁所 受的压应力越大ꎬ说明底含持续疏水ꎬ井筒发生 破坏的可能性增大ꎻ方案二中ꎬ开始疏水阶段井 壁压应力出现了增大的现象ꎬ然而ꎬ随着注水的 进行ꎬ井壁压应力逐渐减小ꎬ甚至由受压转变为 轻微受拉状态ꎮ 距离注水位置越近ꎬ井壁所受垂 直压应力越小ꎮ 表 ６ 荷载级方案设计 Ｔａｂｌｅ ６ Ｌｏａｄ ｇｒａｄｅ ｓｃｈｅｍｅｓ ｄｅｓｉｇｎ 荷载级 方案一方案二 Ｑ下－１ 水 位标高/ ｍ 水位 差/ ｍ 时 间/ ｄ Ｑ下－１ 水 位标高/ ｍ 水位 差/ ｍ 时间 / ｄ １１１.１０００１１.１０００ ２１１.０５－０.０５１０１１.０５－０.０５１０ ３１１.００－０.０５１０１１.００－０.０５１０ ４１０.９５－０.０５１０１０.９５－０.０５１０ ５１０.８０－０.１５３０１７.９５７３０ ６１０.６５－０.１５３０２０.９５３３０ ７１０.５０－０.１５３０２０.９５０３０ １４２ ２０２０ 年第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 图 ５ 疏、注水条件下水位和井壁最大垂直压应力的关系 Ｆｉｇ.５ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｓｈａｆｔ ｗａｌｌ ｕｎｄｅｒ ｄｒａｉｎａｇｅ ｏｒ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ 图 ６ 疏、注水条件下不同埋深井壁最大垂直压 应力与荷载级的关系 Ｆｉｇ.６ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｌｏａｄ ｌｅｖｅｌ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｕｒｉｅｄ ｕｎｄｅｒ ｄｒａｉｎａｇｅ ｏｒ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ 方案二不同荷载井壁压应力随不同埋深的变化 关系如图 ７ 所示ꎮ 由图 ７ 可知ꎬ第 １ 荷载级为井壁 自重ꎬ井壁压应力与埋深正相关ꎮ 第 ５ 荷载时ꎬ开始 向松散冲积层底部含水砂层注水ꎬ井壁垂直压应力 在注水后表现出明显的减小趋势ꎮ 埋深大于 １００ ｍ 后ꎬ井壁压应力减小较为明显ꎬ埋深在 １７０ ｍ 附近 时ꎬ井壁垂直压应力达到了最小ꎬ甚至出现了轻微拉 应力ꎬ说明注水有效抑制了井壁压应力增大ꎬ注水起 到了预防井筒破坏的目的ꎮ 图 ７ 方案二不同荷载井壁压应力随不同埋深的变化关系 Ｆｉｇ.７ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｌｏａｄ ｌｅｖｅｌ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｕｒｉｅｄ ｄｅｐｔｈ ｉｎ ｓｃｈｅｍｅ ｔｗｏ ２疏注水对地层变形的影响ꎮ 地层疏水状态 方案一第 ７ 荷载级地层位移变化如图 ８ 所示ꎬ地 层疏水后注水方案二地层位移变化如图 ９ 所示ꎮ 由图 ８、图 ９ 可知ꎬ随着 Ｑ下 －１水位下降ꎬ地层逐渐压 缩下沉ꎬ当疏水状态方案一为第 ７ 荷载级时ꎬ地 层压缩量达到最大ꎬ此时ꎬ地层变形呈现“平锅底” 形状ꎮ 井筒附近受井壁的支撑作用ꎬ地层压缩量相 对较小ꎬ远离井壁时ꎬ地层压缩量相对较大ꎬ距离增 大到一定程度ꎬ地层压缩达到最大ꎬ压缩量趋于平 衡ꎮ 方案二中ꎬ第 ５ 荷载级开始注水后ꎬ注水压力为 １ ＭＰａꎬ注水位置地层出现微抬升ꎬ注水位置地层的 抬升量最大ꎬ距离注水点越远ꎬ抬升量越小ꎮ 地层变 形呈环形向四周扩散ꎬ随着距离注水位置的增大ꎬ注 图 ８ 方案一第 ７ 荷载级地层位移变化 Ｆｉｇ.８ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ｓｔｒａｔｕｍ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｅｖｅｎｔｈ ｌｏａｄ ｉｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｎｅ ２４２ 杜明泽等注水法预防井筒破坏机理及其应用研究２０２０ 年第 ８ 期 水效果逐渐减弱ꎮ 图 ９ 方案二注水过程地层变化情况 Ｆｉｇ.９ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｔｒａｔｕｍ ｉｎ ｓｃｈｅｍｅ ｔｗｏ ３ 工程应用分析 ３.１ 兖州矿区注水法应用效果分析 济三煤矿位于山东济宁ꎬ矿井服务年限为 ８１ 年ꎮ 该矿井筒附近松散冲积层厚度大于 １５０ ｍꎬ风 井发生过破坏ꎬ为保证安全ꎬ主、副井也采取了提前 治理进行预防ꎮ 考虑到厚松散冲积层底部含水砂层 水位仍然持续下降ꎬ井筒仍然有发生破坏的可能ꎮ 为长期预防井筒破坏ꎬ采用注水法进行提前防治ꎮ 济三煤矿井筒附近松散层底部存在黏土层ꎬ底 含三含富水性较弱ꎬ且含水层厚度小ꎬ渗透系数 ０.０８２.８２ ｍ/ ｄꎬ连通性也较差ꎬ注水容易维持局部 含水层稳定ꎬ对注水法预防井筒破坏十分有利ꎮ 注水系统由注水孔Ｚ２、Ｚ４、Ｚ５ 和 Ｚ６、水位观 测孔Ｑ下 －１、Ｑ下 －３、Ｑ下 －４和 Ｚ１、光纤光栅地层监测 和井壁应变监测组成ꎮ 水位观测孔、光纤光栅孔、注 水孔与井筒相对位置关系如图 １０ 所示ꎮ ２０１１ 年 ４ 月 ２９ 日至 ２０１１ 年 ６ 月 ４ 日ꎬ济三煤矿采用联合 Ｚ５、Ｚ６进行了工业试验ꎬ研究多孔注水预防井筒 破坏的效果ꎮ 注水过程地层和水位的变化规律、风 井底部井壁应变与水位的变化关系如图 １１、图 １２ 所示ꎮ 图 １０ 水位观测孔、光纤光栅孔、注水孔与井筒相对位置关系 Ｆｉｇ.１０ Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｈｏｌｅｓꎬｗａｔｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｈｏｌｅｓ ａｎｄ ｓｈａｆｔｓ 图１１ Ｚ１孔水位变化与冲积地层第２４、２９、３２和３４层应变对比 Ｆｉｇ.１１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｚ１ ｈｏｌｅ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ２４ｔｈꎬ２９ｔｈꎬ３２ｎｄ ａｎｄ ３４ｔｈ ａｌｌｕｖｉａｌ ｓｔｒａｔａ ｍｉｃｒｏｓｔｒａｉｎ 由图 １１、图 １２ 可知ꎬ注水过程中ꎬＺ１ 孔的水位 变化与第 ２４、２９、３２ 和 ３４ 地层应变的变化存在明显 的同步关系ꎬＱ下－３ 水位变化与风井 １７２ ｍ 水平测 点 Ｖ２、Ｖ３ 的垂直应变变化也明显具有相关性ꎮ 图 中ꎬｆｂｇ０１０５ 与 ｆｂｇ０２０４ 监测数据相同ꎬ分别对应地 层为第 ２４ 层和第 ３２ 层ꎬｆｂｇ０１０３ 和 ｆｂｇ０３０３ 数据相 同ꎬ分别对应地层为第 ２９ 层和第 ３４ 层ꎬｆｂｇ０４０２ 对 应地层为 ２９ 层ꎮ 由图 １１ 可知ꎬ随着注水的进行ꎬＺ１ 孔水位升高ꎬ地层２４ｔｈ、２９ｔｈ、３２ｎｄ、３４ｔｈ拉应变均 出现增大ꎬ表明注水过程ꎬ地层出现了微抬升ꎮ 水位 ３４２ ２０２０ 年第 ８ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 图 １２ Ｑ下－３ 水位标高与风井 １７２ ｍ 水平垂直应变的对比 Ｆｉｇ.１２ Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｖｅｒｔｉｃａ ｍｉｃｒｏｓｔｒａｉｎ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ｓｈａｆｔ ａｔ １７２ ｍ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｉｎ Ｑｕｐ－３ ｈｏｌｅ 最大抬升 ４.１６ ｍꎬ地层拉应变最大增量为 ９１１０ －６ ꎮ 由图 １２ 可知ꎬ注水期间ꎬＱ下－３ 水位出现抬升ꎬ１７２ ｍ 水平垂直压应变明显减小ꎬ表现出明显的相关性ꎮ Ｑ下－３ 孔水位最大升高 ３.６７ ｍꎬ对应风井 １７２ ｍ 水 平垂直压应变减小 ５６.５１０ －６ ꎮ 这也说明 Ｚ５、Ｚ６ 联 合注水使得注水孔附近水位升高ꎬ地层压应变减小ꎬ 井壁所受的压应变减小ꎬ注水效果良好ꎬ联合注水预 防井筒破坏是完全可行的ꎮ ３.２ 注水法在大降深疏水工况下应用的可行性探讨 １大降深疏水井筒稳定性概况ꎮ 朱仙庄煤矿 位于江苏宿州ꎬ松散冲积层厚度在 ２００ ｍ 以上ꎬ其在 垂直方向整体可分为“四含三隔”结构ꎮ 由于“三 隔”厚度较大、隔水能力强ꎬ基本切断了上覆含水层 与“四含”的水力联系ꎮ 侏罗系砂砾岩含水层第五 含水层ꎬ简称五含位于松散冲积层下方ꎬ与“四含” 不整合接触ꎬ与四含、太灰和奥灰之间存在补给关 系ꎬ如图 １３ 所示ꎮ 图 １３ 各含水层补给关系示意 Ｆｉｇ.１３ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆｉｆｔｈ ａｑｕｉｆｅｒ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ａｑｕｉｆｅｒｓ 考虑到“五含”压覆下的工作面开采层发生过 突水事故ꎬ为保证 ８ 煤、１０ 煤安全开采ꎬ矿方采用帷 幕截流的方案ꎬ使“五含”水进行疏干ꎬ进而实现水 体下安全开采ꎮ 然而ꎬ“五含”与“四含”存在天窗 区ꎬ“五含”疏干必然引起“四含”水位下井ꎬ进而可 能影响井筒的稳定性ꎮ 经前期模拟结果表明ꎬ按疏水 ３６５ 天计算ꎬ工业广场水位总降深最大可达 １１８ ｍꎮ 采 用模糊数学和 Ｆｉｓｈ 判别模型进行预测ꎬ结果表明井筒 发生的破坏性较大ꎬ建议提前采取防治措施[２０]ꎮ ２注水法预防井筒破坏的可行性分析ꎮ 井壁破 坏防治的主要有套壁加固、井圈加固井壁、地层注浆、 开卸压槽和注水法等方法ꎮ 目前ꎬ套壁加固、井圈加 固井壁应用较少ꎬ逐渐趋于淘汰ꎬ注水法最为经济ꎬ地 层注浆和开卸压槽最为常见ꎬ技术也最为成熟ꎮ 朱仙庄煤矿底含四含与济三煤矿三含相 比ꎬ厚度较大ꎬ且“四含”厚度变化也较大ꎮ 前期济 三煤矿注水试验表明ꎬ低压注水井筒附近水位上升 ５ ｍ 的可能性几乎不存在ꎬ高压≥１ ＭＰａ水位短 时间内上升 ５ ｍ 的难度也很大ꎬ且停止注水容易产 生井壁受力回弹ꎬ增加井壁破裂的风险ꎮ 朱仙庄 “五含”疏水ꎬ疏水初期涌水量较大ꎬ水位下降远比 ５ ｍ 大得多ꎮ 同时ꎬ朱仙庄煤矿“四含” 渗透系数较 大ꎬ注水难以在井筒附近地层形成有效的水位保护 区ꎬ增加了注水法预防井筒破坏的难度ꎮ 综上所述ꎬ 考虑朱仙庄煤矿的地质条件ꎬ认为采用注水法在大 降深疏水的工况下可行性较小ꎬ地层注水的可控性 较差ꎬ风险性相对较大ꎬ故不建议采用ꎮ ４ 结 论 １通过对深埋黏土矿物成分和工程特性分析ꎬ 得出深埋黏土主要由伊利石、高岭石组成ꎬ部分含有 蒙脱石ꎬ夹杂白云母、石英和长石ꎻ深埋黏土随埋深 孔隙比有所减小ꎬ液性指数随着埋深的增加而减小ꎬ 埋深大于 ６０ ｍꎬ黏土为半固态ꎬ流动性差ꎻ深埋黏土 吸附结合水均大于含水率含量ꎬ说明底含疏水上覆 土体整体发生滑移ꎮ ２采用 ＮＭ２ｄｃ 数值模拟软件ꎬ研究了持续疏 水、先疏水后注水两种方案井壁受力和地层变形情 况ꎬ得出地层底板含水层在疏水的情况下ꎬ井壁所受 的垂直压应力持续增大ꎬ地层压缩量增大ꎻ而在注水 后ꎬ井壁所受垂直压应力减小ꎬ甚至出现轻微拉应 力ꎬ地层压缩量减小甚至出现轻微抬升ꎬ揭示了注水 法预防井筒破坏的机理ꎮ ３通过注水法的工程应用效果以及大降深疏 降注水法应用的可行性分析ꎬ得出济三煤矿工业广 场松散底部含水层的可控性较强ꎬ现场应用效果较 好ꎬ有效预防了井筒破坏ꎻ朱仙庄煤矿地层注水的可 控性较差ꎬ在大降深疏放的条件下ꎬ采用注水法预防 井筒破坏的危险性较大ꎬ可行性较小ꎬ不建议采用ꎮ ４４２ 杜明泽等注水法预防井筒破坏机理及其应用研究２０２０ 年第 ８ 期 参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ [１] 倪兴华ꎬ许延春ꎬ王同福.厚冲积层立井破裂机理与防治[Ｍ]. 北京煤炭工业出版社ꎬ２００７９８－１４１. ＮＩ Ｘｉｎｇｈｕａ. ＸＵ Ｙａｎｃｈｕ