井筒出水涌砂災(zāi)害機理及防治

　　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)容實用。在建材行業(yè)中訂價最低,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)重威脅整個礦井安全.據(jù)統(tǒng)計，近20a間，我國多個已建成井筒發(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)生機理

　　井筒發(fā)生出水涌砂災(zāi)害必須同時具備2個條件: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壁后砂層的流動性

　　砂層的流動性決定著井壁出水涌砂強度.砂層流動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性的影響巖層流動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，流動性增強[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;粉細砂最易產(chǎn)生流動，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，多是在細砂層中.(2)應(yīng)力狀態(tài)及水壓環(huán)境對砂層流動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752m.該井筒沖積層厚度達到757m，凍結(jié)深度840m.在砂層處于封閉狀態(tài)時，砂層所處應(yīng)力狀態(tài)及水壓越高，其穩(wěn)定性越強，流動性越弱.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，就會對裂隙通道附近砂層產(chǎn)生較大的動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，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，濟寧金橋煤礦副立井在井深220m處的井壁上鉆孔時，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，利用膠輪車，從副斜井運輸采煤裝備(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，達到井壁破壞強度時，便會發(fā)生破裂[8􀆼9].上世紀(jì)80年代末期至今，我國兗州、濟寧、淮南、淮北、大屯、徐州等東部礦區(qū)的100多個井筒，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)濟損失，也成為了井筒安全運營的重大安全隱患[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，井壁出水涌砂強度一般較弱.但隨著時間的推移，水砂流量會快速增加;嚴(yán)重時，可造成淹井等惡性事故.特別是當(dāng)出水涌砂層位較深時，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，水砂會呈現(xiàn)噴射狀涌出.水砂噴射狀流動具有巨大的沖擊力，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)格逐漸擴大，水砂流量快速增大;同時隨著水砂涌出，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，也可能造成井壁進一步破裂，進而增大出水涌砂強度.

　　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，將會導(dǎo)致礦井被淹.另外，井筒大流量長時間出水涌砂，會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，速度由310km/h降為120km/h，限速運行[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，進行壓水試驗，試驗壓力需達到壁后水壓的1.5倍.要確�？卓诠馨惭b牢靠后，再原位套孔鉆進，進入壁后砂層.鉆進過程中，一旦出現(xiàn)頂鉆、噴砂等現(xiàn)象，必須及時拔出鉆桿，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)，實時監(jiān)測井壁混凝土變形，及時預(yù)測井壁變形破裂時間及破裂位置，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月開始壁后補水;補水后，砂層水位回升.地層在注水后，產(chǎn)生膨脹拉伸變形，達到了補充含水層失水、抑制地層變形的目的[13].

　　2.3井筒通行能力評價

　　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)致在利用井筒運行超大噸位裝備時，可能造成井筒破裂.在非常規(guī)超大裝備運輸前，需對井筒運行承載能力進行評價.可采用理論計算及數(shù)值分析的方法，進行評價;也可在井筒安裝相應(yīng)監(jiān)測設(shè)備，進行由輕到重的裝備試運，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，進行評價.一旦發(fā)現(xiàn)井筒承載能力可能不足，則可采用分體運輸、大面積分載運輸?shù)姆绞�，進行非常規(guī)超大裝備運輸.在運輸過程中，要實時做好井筒觀測工作，同時要避免多運輸機械連續(xù)運輸.

　　3井壁出水涌砂災(zāi)害治理

　　3.1出水涌砂點快速封堵

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

　　3.2出水涌砂動平衡處理

　　李糧店煤礦副立井井壁出水涌砂時，最大流量約350m3/h，地表沉降及塌陷快速發(fā)展.為此，該礦及時向井筒回灌水，有效控制了井筒地面塌陷速度及強度[1].在出水涌砂初期，出水砂源水壓、地壓大，水砂源充足，補給暢通;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，出水涌砂強度也相應(yīng)逐漸減小，并逐漸形成壓力動態(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行加固，以確保井筒長效安全運行.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散，來增加砂層整體穩(wěn)定性.金雞灘煤礦在搶險完成后，采用壁后注漿方式，對副斜井壁后砂層進行加固，各孔均注漿2次.鉆孔穿過井壁時，進行首次注漿;待漿液固化后，在原位套孔鉆進，進入壁后土層2.0m時，進行二次注漿，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、井圈的方式進行，增加井壁強度.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，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，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、井筒通行能力評價等方面，對井筒出水涌砂災(zāi)害進行防治.(5)井壁出水涌砂災(zāi)害治理，主要有出水涌砂點快速封堵、出水涌砂動平衡處理、壁后砂層加固、破損井壁加固4種形式.其中前2種為搶險措施，后2種為長久治理措施.

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