井筒出水涌砂災(zāi)害機(jī)理及防治

　　摘要:井筒發(fā)生出水涌砂災(zāi)害，將嚴(yán)重威脅整個(gè)礦井安全.以近年來我國發(fā)生的典型井筒水砂災(zāi)害為背景，系統(tǒng)分析了井筒發(fā)生水砂災(zāi)害的原因、影響因素、過程及危害，提出了井筒水砂災(zāi)害防治措施，可為井筒水砂災(zāi)害防治提供借鑒.

　　關(guān)鍵詞:井筒;出水涌砂;壁后注漿;防治

　　相關(guān)論文投稿刊物：《水泥》(Cement)(月刊)1974年創(chuàng)刊,以“面向生產(chǎn),注重實(shí)用”為宗旨,發(fā)行量居全國建材科技期刊榜首,面向水泥廠、科研、設(shè)計(jì)和教學(xué)單位。每期64頁約10萬字,大16開,圖文并茂,內(nèi)容實(shí)用。在建材行業(yè)中訂價(jià)最低,稿酬標(biāo)準(zhǔn)高(每千字120元),刊出稿件質(zhì)量高,深受讀者歡迎,也受廣告廠家的青睞。適合于水泥及相關(guān)企業(yè)、科研院所、大專院校及設(shè)計(jì)單位的人員閱讀。

　　井筒被稱為礦井的“咽喉”.井筒發(fā)生出水涌砂災(zāi)害(簡稱“水砂災(zāi)害”)，將嚴(yán)重威脅整個(gè)礦井安全.據(jù)統(tǒng)計(jì)，近20a間，我國多個(gè)已建成井筒發(fā)生過水砂災(zāi)害.井筒發(fā)生水砂災(zāi)害，可能造成礦井停產(chǎn)、井筒報(bào)廢、礦井被淹等惡性事故.比如，2013年11月份，鄭州李糧店煤礦副井井壁出現(xiàn)出水噴砂現(xiàn)象，出水噴砂量最大達(dá)350m3/h[1]，致使副井井筒以及周邊地表沉降、井筒及地面設(shè)施受損，整個(gè)礦井被淹.現(xiàn)以鄭州李糧店煤礦副立井、榆林金雞灘煤礦副斜井、永城城郊煤礦東風(fēng)井、濟(jì)寧金橋煤礦副立井、巨野龍固煤礦主井等典型井筒水砂災(zāi)害為例，系統(tǒng)分析井筒發(fā)生水砂災(zāi)害的原因及危害，提出井筒水砂災(zāi)害防治措施.

　　1井筒出水涌砂災(zāi)害發(fā)生機(jī)理

　　井筒發(fā)生出水涌砂災(zāi)害必須同時(shí)具備2個(gè)條件:一是壁后存在飽和砂層，二是砂層對應(yīng)位置井壁出現(xiàn)破裂現(xiàn)象或空洞.

　　1.1壁后砂層的流動(dòng)性

　　砂層的流動(dòng)性決定著井壁出水涌砂強(qiáng)度.砂層流動(dòng)性與砂層的黏土含量、粒度組成、所處的應(yīng)力狀態(tài)及水壓環(huán)境有關(guān).(1)黏土含量及粒度組成對砂層流動(dòng)性的影響巖層流動(dòng)性與黏土含量密切相關(guān).砂層隨著黏土含量的減小，滲透系數(shù)增大，富水性增大，流動(dòng)性增強(qiáng)[2].黏土層一般不發(fā)生水砂突涌滲透變形破壞;黏粒含量較小的粉土、粗砂和礫砂層，最容易發(fā)生突水、涌砂等水砂突涌滲透變形破壞[3].另外，砂層流動(dòng)性與砂的粒度組成密切相關(guān).顆粒較粗，孔隙較大的砂層，排水容易，不易出現(xiàn)涌砂現(xiàn)象;粉細(xì)砂最易產(chǎn)生流動(dòng)，出現(xiàn)涌砂現(xiàn)象[4􀆼5].

　　目前已發(fā)生的較為嚴(yán)重的井壁水砂災(zāi)害，多是在細(xì)砂層中.(2)應(yīng)力狀態(tài)及水壓環(huán)境對砂層流動(dòng)性的影響一般情況下，砂層埋深越大，所承受的應(yīng)力越大，水壓越高.目前，全世界穿越埋深最大砂層的井筒為我國菏澤萬福煤礦回風(fēng)立井，砂層埋深達(dá)752m.該井筒沖積層厚度達(dá)到757m，凍結(jié)深度840m.在砂層處于封閉狀態(tài)時(shí)，砂層所處應(yīng)力狀態(tài)及水壓越高，其穩(wěn)定性越強(qiáng)，流動(dòng)性越弱.一旦井壁出現(xiàn)破裂，含水層承受的壓力越大，裂縫通道內(nèi)，相同時(shí)間內(nèi)的孔隙水壓力提高較快.當(dāng)水力梯度增大至超過砂土液化的臨界水力坡度時(shí)，就會(huì)對裂隙通道附近砂層產(chǎn)生較大的動(dòng)水壓力和滲透破壞力，使得在較大范圍內(nèi)，形成液化狀態(tài)，進(jìn)而造成出水涌砂現(xiàn)象[6].

　　砂層所處水壓越高，水力梯度越大，井壁出水涌砂現(xiàn)象越強(qiáng)烈.井筒發(fā)生水砂災(zāi)害的砂層埋深一般較大.比如金橋煤礦副立井、李糧店煤礦副立井、城郊煤礦東風(fēng)井發(fā)生水砂災(zāi)害的砂層，埋深分別達(dá)到220，280和414m.

　　1.2井壁出水涌砂通道形成井壁出水涌砂通道形成主要有3種形式:

　　(1)井壁不合理的人工造孔，形成出水涌砂通道.井筒在砂層段造孔，必須先在不鉆穿井壁的情況下，安裝孔口管及防噴閥門;然后在原位套孔鉆進(jìn)，揭露壁后土層.如不安裝孔口管或孔口管安裝不牢靠，則可能造成出水涌砂事故.1999年8月，濟(jì)寧金橋煤礦副立井在井深220m處的井壁上鉆孔時(shí)，在未安裝孔口管的情況下，直接鉆穿井壁，水與砂從鉆孔噴出，無法控制，造成整個(gè)礦井被淹[7].

　　(2)人為不合理使用，造成井壁破裂，形成出水涌砂通道.不合理使用造成井壁破裂，這種情況主要發(fā)生在斜井中.斜井采用無軌膠輪車運(yùn)輸過程中，一旦膠輪車載重量大于斜井承載能力，則可能造成斜井底板破裂，進(jìn)而形成出水涌砂通道.榆林金雞灘煤礦2016年8月安裝綜采最大一次性采高8.2m(世界紀(jì)錄)的采煤設(shè)備時(shí)，利用膠輪車，從副斜井運(yùn)輸采煤裝備(單車質(zhì)量220t)過程中，里程230~300m段斜井底板多處發(fā)生破裂，很多裂隙出水涌砂，造成礦井減產(chǎn).

　　(3)井壁自身應(yīng)力環(huán)境變化，造成井壁破裂，形成出水涌砂通道.由于采礦活動(dòng)或抽排水，使得第四系含水層水位下降，土層固結(jié)壓縮，引起上覆土體下沉;土體下沉過程中，與立井井筒發(fā)生相互作用，對井壁產(chǎn)生1個(gè)巨大的豎直向下的附加力，并隨著土層變形的增大而增大;立井井筒在豎直附加力作用下，達(dá)到井壁破壞強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生破裂[8􀆼9].上世紀(jì)80年代末期至今，我國兗州、濟(jì)寧、淮南、淮北、大屯、徐州等東部礦區(qū)的100多個(gè)井筒，不同程度地發(fā)生過破裂變形和水砂災(zāi)害，不但造成了數(shù)百億直接經(jīng)濟(jì)損失，也成為了井筒安全運(yùn)營的重大安全隱患[10].另外，井壁注漿過程中，注漿壓力控制不當(dāng)、井壁混凝土腐蝕等，也可能造成井壁破裂，形成出水涌砂通道.

　　1.3井壁出水涌砂過程

　　井壁出水涌砂通道形成初期，井壁出水涌砂強(qiáng)度一般較弱.但隨著時(shí)間的推移，水砂流量會(huì)快速增加;嚴(yán)重時(shí)，可造成淹井等惡性事故.特別是當(dāng)出水涌砂層位較深時(shí)，壁后砂層所處水壓及地壓大，一旦井壁破裂，形成出水涌砂通道，水砂會(huì)呈現(xiàn)噴射狀涌出.水砂噴射狀流動(dòng)具有巨大的沖擊力，水力噴砂技術(shù)已應(yīng)用于割縫射孔[11􀆼12].水砂從通道涌出過程中，通道被逐漸沖刷，通道的規(guī)格逐漸擴(kuò)大，水砂流量快速增大;同時(shí)隨著水砂涌出，壁后砂層逐漸被掏空，壁后土層發(fā)生沉降，井壁應(yīng)力狀態(tài)改變，也可能造成井壁進(jìn)一步破裂，進(jìn)而增大出水涌砂強(qiáng)度.

　　綜上所述，井壁出水涌砂過程一般呈現(xiàn)出水涌砂流量快速增加及出水涌砂通道增大的“雙增”過程.2013年11月，李糧店煤礦副立井井壁出水涌砂初期，水砂混合物流量為20m3/h;1h30min后，增大至200m3/h;4h50min后，增大至350m3/h[1].2016年8月，金雞灘煤礦副斜井出水涌砂初期，出水量為29m3/h，水中含砂量為0.4%;15d后，出水量增加至72m3/h，水中含砂量增加至16%[13].圖1所示為金雞灘煤礦副斜井出水量及水中含砂量實(shí)測曲線.

　　1.4井壁出水涌砂危害

　　井筒發(fā)生大流量水砂災(zāi)害，當(dāng)水砂流量大于礦井抽排能力時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致礦井被淹.另外，井筒大流量長時(shí)間出水涌砂，會(huì)造成井筒以及周邊地表沉降，井筒及地面設(shè)施受損.李糧店煤礦副立井出水涌砂，造成整個(gè)礦井被淹，地面形成以井筒為中心的降落漏斗，最大下沉量達(dá)到2.7m，致使距離井筒中心407m的京廣高速鐵路此處，火車經(jīng)過時(shí)，速度由310km/h降為120km/h，限速運(yùn)行[1].金橋煤礦副立井出水涌砂，同樣造成礦井被淹及地表沉降[2].

　　2井筒出水涌砂災(zāi)害預(yù)防

　　2.1井壁造孔工藝完善

　　在砂層段造孔，必須選擇在井壁相對完好的區(qū)域進(jìn)行，初鉆深度不得大于井壁厚度，并且至少預(yù)留100mm安全距離;安裝孔口管及高壓防噴閥門后，進(jìn)行壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力需達(dá)到壁后水壓的1.5倍.要確�？卓诠馨惭b牢靠后，再原位套孔鉆進(jìn)，進(jìn)入壁后砂層.鉆進(jìn)過程中，一旦出現(xiàn)頂鉆、噴砂等現(xiàn)象，必須及時(shí)拔出鉆桿，關(guān)閉防噴閥門.

　　2.2井壁破裂預(yù)防

　　井壁破裂預(yù)防主要有2種措施:一是在井壁上安裝變形監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測井壁混凝土變形，及時(shí)預(yù)測井壁變形破裂時(shí)間及破裂位置，提前采取預(yù)防性治理措施;二是對壁后砂層注水，保證壁后砂層水位穩(wěn)定，防止因水位下降而導(dǎo)致井壁破裂.東灘煤礦西風(fēng)井2012年11月開始壁后補(bǔ)水;補(bǔ)水后，砂層水位回升.地層在注水后，產(chǎn)生膨脹拉伸變形，達(dá)到了補(bǔ)充含水層失水、抑制地層變形的目的[13].

　　2.3井筒通行能力評價(jià)

　　隨著近年來煤礦產(chǎn)能的增大，所需采煤裝備的單重逐漸增加;而在井筒建設(shè)階段，并未前瞻性地留足安全系數(shù)，導(dǎo)致在利用井筒運(yùn)行超大噸位裝備時(shí)，可能造成井筒破裂.在非常規(guī)超大裝備運(yùn)輸前，需對井筒運(yùn)行承載能力進(jìn)行評價(jià).可采用理論計(jì)算及數(shù)值分析的方法，進(jìn)行評價(jià);也可在井筒安裝相應(yīng)監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)行由輕到重的裝備試運(yùn)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行評價(jià).一旦發(fā)現(xiàn)井筒承載能力可能不足，則可采用分體運(yùn)輸、大面積分載運(yùn)輸?shù)姆绞�，進(jìn)行非常規(guī)超大裝備運(yùn)輸.在運(yùn)輸過程中，要實(shí)時(shí)做好井筒觀測工作，同時(shí)要避免多運(yùn)輸機(jī)械連續(xù)運(yùn)輸.

　　3井壁出水涌砂災(zāi)害治理

　　3.1出水涌砂點(diǎn)快速封堵

　　井筒發(fā)生出水涌砂災(zāi)害后，及時(shí)快速封堵出水涌砂點(diǎn)，可及時(shí)遏制災(zāi)害發(fā)展.封堵出水涌砂點(diǎn)前，需做相關(guān)分析，弄清水砂來源及流通通道.出水涌砂點(diǎn)的封堵，一般先在出水涌砂點(diǎn)周圍井壁質(zhì)量相對較好的區(qū)域，施工多個(gè)分流孔，通過分流孔的作用，大幅減小出水涌砂點(diǎn)的水砂流量及壓力;然后直接對出水涌砂點(diǎn)注漿封堵.濟(jì)寧金橋煤礦副立井[2]、巨野龍固煤礦主井均采用該方式，治理出水涌砂.

　　3.2出水涌砂動(dòng)平衡處理

　　李糧店煤礦副立井井壁出水涌砂時(shí)，最大流量約350m3/h，地表沉降及塌陷快速發(fā)展.為此，該礦及時(shí)向井筒回灌水，有效控制了井筒地面塌陷速度及強(qiáng)度[1].在出水涌砂初期，出水砂源水壓、地壓大，水砂源充足，補(bǔ)給暢通;井筒與壁后水砂源的巨大壓力差，導(dǎo)致水砂暢通無阻地向井筒突涌.而及時(shí)向井筒回灌水，可使井筒與壁后水砂源壓差逐漸減小，出水涌砂強(qiáng)度也相應(yīng)逐漸減小，并逐漸形成壓力動(dòng)態(tài)平衡.

　　3.3壁后砂層加固

　　井筒經(jīng)歷水砂災(zāi)害后，井壁受損，壁后砂層整體性受到破壞，需對壁后砂層及井壁進(jìn)行加固，以確保井筒長效安全運(yùn)行.壁后砂層加固一般采用注漿法施工，通過漿液在砂層中的劈裂滲流擴(kuò)散，來增加砂層整體穩(wěn)定性.金雞灘煤礦在搶險(xiǎn)完成后，采用壁后注漿方式，對副斜井壁后砂層進(jìn)行加固，各孔均注漿2次.鉆孔穿過井壁時(shí)，進(jìn)行首次注漿;待漿液固化后，在原位套孔鉆進(jìn)，進(jìn)入壁后土層2.0m時(shí)，進(jìn)行二次注漿，注漿終壓1.0MPa.注漿過程中，井壁未出現(xiàn)新生破裂現(xiàn)象.注漿后，段內(nèi)出水量由34.8m3/h減小至2.5m3/h[14].

　　3.4破損井壁加固

　　破損井壁加固采用架設(shè)金屬支架、井圈的方式進(jìn)行，增加井壁強(qiáng)度.立井常采用槽鋼井圈，斜井常采用U型鋼支架加固.比如兗礦東灘煤礦西風(fēng)井基巖界面破裂井壁加固時(shí)，采用了20b槽鋼井圈，密集架設(shè)，采用錨桿與井壁固定.金雞灘煤礦副斜井井壁加固時(shí)，采用了U型鋼支架.采用U29鋼材作為支腿及頂圈，12號礦用工字鋼作為底梁，加工支架.

　　4結(jié)語

　　(1)井筒發(fā)生出水涌砂災(zāi)害的2個(gè)基本條件:一是壁后存在飽和砂層，二是砂層對應(yīng)位置井壁出現(xiàn)破裂現(xiàn)象或空洞.一般情況下，砂層黏粒含量少、粉細(xì)砂層及砂層埋深大，更容易發(fā)生出水涌砂災(zāi)害.(2)井壁不合理人工造孔，以及人為不合理使用井筒、井壁自身應(yīng)力環(huán)境變化而造成井壁破裂，是井壁出水涌砂通道形成的主要形式.(3)井筒一旦發(fā)生出水涌砂事故，極有可能最終演化為惡性災(zāi)害，造成井筒以及周邊地表沉降、井筒及地面設(shè)施受損，甚至導(dǎo)致人員傷亡、井筒報(bào)廢、礦井被淹.(4)針對井壁出水涌砂通道形成的3種主要形式，提出在井壁造孔工藝、井壁破裂預(yù)防、井筒通行能力評價(jià)等方面，對井筒出水涌砂災(zāi)害進(jìn)行防治.(5)井壁出水涌砂災(zāi)害治理，主要有出水涌砂點(diǎn)快速封堵、出水涌砂動(dòng)平衡處理、壁后砂層加固、破損井壁加固4種形式.其中前2種為搶險(xiǎn)措施，后2種為長久治理措施.

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