竖井井筒偏斜原因及治理措施研究

赵 堃

(潞安环能股份公司 漳村煤矿，山西 长治 046032)

自20世纪80年代末至现在，我国煤矿出现十几处竖井井筒偏斜破裂事故，严重影响矿井安全生产。近些年，国内许多学者对竖井井筒偏斜破裂的原因进行了研究，提出了多种治理措施，经过现场试验取得良好效果。例如：于保华[1]、经来旺[2-3]、崔广心[4-6]、荣传新[7-8]等，通过研究得出竖井井筒偏斜破裂的主要原因是井筒底部厚含水层在多种影响因素(工作面开采、土体裂隙贯通)下产生大面积、大流量的失水造成的；张文泉等[9]依据井筒偏斜破裂情况，针对不同治理主体提出不同治理方案，并探究各个方案的优缺点；王档良等[10]通过研究地面注浆方案修复井筒偏斜破裂，取得良好的治理效果。本文以某矿竖井井筒偏斜为例，从井筒地质条件、井筒施工方法及矿井涌水量分析井筒偏斜原因，并针对该矿井，以既安全又不影响生产为原则，初步探究其合理的治理方案。

1 矿井主要含、隔水层概况

目前，该矿开采煤层为3号煤层，整个矿区覆盖着约500 m厚的松散土层，属典型的深厚松散表土层矿井。依据地质钻孔揭露的地层分析可知，该松散表土层有3段主要含水层和2段主要隔水层共5段。详情见表1。

2 井筒偏斜原因分析

井筒自建成投产使用后，随着工作面的开采，通过分析地表沉陷监测站监测数据发现井筒周边区域地表发生不均匀沉陷及井筒在松散厚土层段向西方偏斜，总平均偏斜量约为314 mm。下面从井筒地质条件、井筒施工方法及矿井涌水量三方面进行分析。

2.1 井筒地质条件

井筒穿过向斜构造，且位于轴部东侧，井壁承受相当大的集中构造应力。借助先进的声波探测手段，经过检测数据分析得出有数十条南北朝向的张性裂隙在风化基岩段被检测出来，裂隙彼此间联系性较强，故这些大张度裂隙可以作为良好的导水通道，且基岩段上覆为三含水层，并在基岩段勘探出多处漏水点，因此，松散厚表土层底部含水层与风氧化带基岩段含水层将会凭借扩张性裂隙和氧化裂隙联系在一起；另外由于地层东高西低，低部含水层的水会自东向西流且流速快，引起井筒西侧松散厚土层的固结沉降深度远大于东侧土层的固结沉降深度，导致井筒向西侧偏斜。

表1 主要含、隔水层概况

2.2 井筒施工方法

该矿地质条件属于巨厚松散表土层，且具有多段富水含水层，综合分析其实际地质情况，采用冻结法施工井筒。冻结期间，利用低温形成的一定厚度的冻结壁能够暂时隔绝井筒与外界地下水的联系，但随着井筒建设完工停止冻结，冻结壁会逐步解冻，井筒周围的水的循环速度也逐渐加快，形成具有一定流速的动态水；另外冻结过后的松散土层孔隙度变大，加上井筒周围的冻结钻孔，松散土层裂隙比冻结前更加发育，井壁本身存在接茬缝，致使低部含水层的水快速向下部及井壁渗透，引起水位下降、地层的不均匀沉降及井壁竖直附加力剧烈增加，导致井筒偏斜甚至破裂。

2.3 矿井涌水量

该矿自建成投产以来，随着采掘工作面数目及采空区面积逐渐增加，矿井涌水量日益变大，据不完全资料统计，矿井涌水量从投产时的约70 m3/h增加到现今的640 m3/h左右，矿井涌水量累计总量为2 000万m3，这其中包括低部含水层流向矿井的水量，因为低部含水层不仅从松散表土层段与基岩段的裂隙流入矿井，而且也会通过有工作面采动引起新生扩张裂隙流入，低部含水层与其它水体的水力联系进一步加强。通过对矿井排出的水体检测证明其含有三含水层水。

3 治理修复研究

3.1 治理方案对比

遵循确保矿井安全、正常生产及治理修复经济化原则，根据以上对该矿井筒偏斜的原因分析，治理修复该井筒偏斜问题可从井壁、水体、土体三个角度入手，现分析对比结果如下：

1) 井壁。针对井壁而言，正常从提高井壁的拉剪抗压能力方面来整治，可以采用改变井壁材料特性、增加井壁厚度及安装卸压槽的方法治理，现今井筒都已经投产使用，且花费极其大，很显然改变井壁材料特性和增加井壁厚度这两个方法不可取。该井筒为矿井唯一风井，肩负整个矿井的通风责任，在该井筒井壁安装卸压槽会影响矿井通风，耽误矿井的正常生产，另外井壁、卸压槽下沉时对管道要求很严格，必须及时检修，相对费时费工，故不适宜该矿。

2) 水体。针对水体而言，地下水巨大流失，必然会引起地下水位下降，可以利用人为注水提升地下水位达到最原始的地下水位，减小井筒周围松散表土层的固结沉降，从而达到保护井筒的目的，目前为止，该方法在技术方面不够成熟，存在一定的技术难关，并且需要投入大量的研发经费，就该矿实际情况来说，采用该方法会造成巨大经济负担及影响矿井正常生产，故不适宜该矿。

3) 土体。针对土体而言，地面注浆技术可以封堵地层裂隙、加固地层及提高地层强度，该方法在煤矿实际应用上相对成熟，安全系数高，能有效填堵地层裂隙，封堵地下水的联络通道，加固持续时间长，经济投入相对来说较少，并且不影响矿井正常生产，故该方案比较适合该矿。

3.2 地面注浆方案可行性试验

针对治理修复井筒偏斜问题，根据以上分析对比后选择地面注浆的方案，但是在大规模的开始注浆治理前，应该对地面注浆方案的可行性进行验证，所以，在井筒东侧布置3个注浆孔，注浆孔孔心距井筒中心30 m，注浆孔间距15 m，孔径200 mm，注浆压力10 MPa，并根据现场注浆果实际情况调整(见图1)。

此次选择松散表土层为注浆地层，注浆方向从下往上，以便能更好地排除孔隙水，由于裂隙较小，注浆浆液可以选择小粒径的水泥浆材，试验时间为期一个月。

利用设立的监测站对注浆试验完成前后进行不间断的监测，在东侧井壁50 m、100 m、150 m、200 m、250 m分别布置1号、2号、3号、4号、5号测点共5个测点进行地面注浆试验效果观测(见图2)，以此来验证地面注浆方案在该矿的可行性。考虑浆液凝固时间，监测数据取浆液凝固之后连续15 d的数据，根据监测数据可知：1号、2号、3号、4号、5号监测点向井筒偏斜反方向移动，1号、2号、3号、4号、5号各监测点的平均修复位移量分别约为50 mm、43 mm、39 mm、31 mm、25 mm，该井筒的总平均偏斜量约为314 mm，故1号、2号、3号、4号、5号的偏斜修复率分别为15.9%、13.6%、12.4%、10.0%、8.1%，从得出的数据显示该方案针对井筒偏斜问题修复效果显著(见图3)。

图1 注浆方案

图2 监测点布置

本次试验证明：地面注浆方案切合实际，修复效果显著，具有很强的可行性，可以为后续大批量的注浆工程提供借鉴。

4 结 语

1) 井筒处于地质构造的集中应力处时，将承受很大的构造应力，再加上含水层失水，井壁很容易发生剪切破坏。

2) 地层裂隙在人为因素影响下，形成大面积的贯通裂隙，造成含水层通过导水裂隙大量失水，致使井筒周边区域土层不均匀固结沉降，导致井筒偏斜，且偏斜方向为固结沉降厚度大的方向。

3) 针对该矿实际情况，地面注浆方案适合该矿井筒偏斜修复治理，通过3个注浆孔地面注浆试验的成功，为该矿后续大面积注浆工程及其他矿井类似情况提供借鉴。

图3 监测点位移