樹(shù)人論文刊發(fā)深部礦井井筒突水原因

　　【摘 要】該文筆者結(jié)合某礦井筒突水原因進(jìn)行了分析，提出采用壁間注漿技術(shù)，能達(dá)到了預(yù)期治水目的，治水效果顯著，具有一定借鑒意義。

　　【關(guān)鍵詞】井筒破裂;新地層孔隙水;溫度應(yīng)力;壁間注漿

　　0.井筒概況

　　某礦井田含水層(組)水由新生界松散砂層孔隙水、基巖砂巖裂隙水和灰?guī)r巖溶裂隙水組成。第四系新地層厚度150m-394m，平均厚度295m，在井筒及其附近厚度約為330m，共有四個(gè)含水層、三個(gè)隔水層，自上而下相間分布。四含直接覆蓋在基巖風(fēng)化帶之上，富水性不均一。回風(fēng)井筒凈直徑Φ8.3m，設(shè)計(jì)累深1046.0m。累深369m以上為凍結(jié)段，井壁為復(fù)合鋼筋砼井壁。其下井壁為素砼井壁。 回風(fēng)井松散層厚328.65m，共有4個(gè)含水層。2008年12月15日回風(fēng)井突水并逐漸增大。12月16日涌水量27.6m3/h，至12月20日達(dá)87m3/h，然后穩(wěn)定在80m3/h。涌水中含有較少量泥砂，水質(zhì)類型為K++Na+-Cl型。

　　出水段水溫為25℃±。本區(qū)恒溫帶深度為30m，溫度為16.8℃。平均正常地溫梯度值2.83℃/100m，回風(fēng)井“四含”底界328.65m，按公式t=16.8+2.83/100(H-30)。(t-溫度，H-深度)求得25.3℃。

　　從水質(zhì)、水量及溫度特征可見(jiàn)：突水水源為新地層混合水，但第四含水層薄(工廣區(qū)域厚度0 ～3.15m)且含水性弱，即其主要為第三含水層孔隙水。

　　1.井壁破裂特征與機(jī)理

　　1.1井壁受力分析

　　近年來(lái)，徐淮礦區(qū)凍結(jié)法施工的立井，在凍結(jié)壁解凍之后，井壁有關(guān)位置不同程度地均出現(xiàn)了裂縫，嚴(yán)重者涌水淹井。經(jīng)歸納井壁主要受到5種外力作用：①在重力作用下，沖積層產(chǎn)生側(cè)向水平作用力，水平地壓對(duì)井壁產(chǎn)生影響;②該礦區(qū)處于平原南端，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍產(chǎn)生的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力對(duì)井筒產(chǎn)生影響;③內(nèi)外井壁溫度不一致，溫度的變化引起井壁縱向、切向應(yīng)力發(fā)生變化;④井壁本身受到井塔、井筒裝備及井壁重量的影響，產(chǎn)生豎向應(yīng)力⑤當(dāng)沖積層下沉?xí)r，地層沉降對(duì)井壁產(chǎn)生垂直附加力。該礦回風(fēng)井筒解凍后井筒發(fā)生了突水，主要原因井筒外壁一定深處產(chǎn)生了裂隙，水源從其裂隙突破進(jìn)入壁間，然后從內(nèi)壁注漿預(yù)埋管及井筒接茬縫突水。經(jīng)分析：疏水沉降地層、井壁承受地壓、自重等而引起的外力，但這些并不是破壞回風(fēng)井筒所特有的，在此可不作重點(diǎn)研究。因此溫度變化對(duì)其產(chǎn)生的影響——便成為一個(gè)不可忽視的因素(井壁溫度應(yīng)力)。

　　1.2中性層位置的確定

　　凍結(jié)法施工的井壁澆筑一般是-10℃。凍結(jié)壁解凍后，井筒周圍的表土層溫度將升高。此時(shí)，表土要熱縮，而井筒卻要熱伸。這樣井筒與表土之間必然會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力。勢(shì)必井筒中表土段必產(chǎn)生一個(gè)平衡面的中性層(A—A)，即最危險(xiǎn)截面。此層上方，井筒所受摩擦力向下，此層下方，井筒所受的摩擦力向上。

　　由于表土段井壁下方為堅(jiān)硬巖層，故在此可假設(shè)基座不會(huì)發(fā)生向下的位移，于是中性層至基巖基座之間的井筒段沿豎直方向的變形量ΔL=0，由截面內(nèi)力分析得-α△T(L-x)=0從而解得

　　R=α△TEA+-(1)

　　[(1)式中，E—彈性模量(33.0GPa);α—熱膨脹系數(shù)(1.0×10-5);A—井壁內(nèi)外橫截面積[1/4π(D2-d2)=27.59m2;ΔT—溫差(℃);N(s)—內(nèi)應(yīng)力]。聯(lián)立求解式(2)、(4)、(5)，經(jīng)整理并代入朱集東礦回風(fēng)井的具體參數(shù)可得

　　k′2-0.2628001k′-(0.8122838+0.0357504ΔT)=0 (2)

　　回風(fēng)井進(jìn)入井底車場(chǎng)施工后，掘進(jìn)工作面由于受地?zé)岬挠绊懚鴾囟容^高(巖溫40℃±)。受此影響，表土段井壁的溫度相應(yīng)也較高，通常在20℃±。在此，取中性層的井壁平均溫度為20℃，則此處的溫差ΔT=20℃-(-10℃)=30℃，解式(2)得k′=1.25。因此，中性層位置由式(2)代入數(shù)據(jù)得X=280.3m。可見(jiàn)，突水大量過(guò)水?dāng)嗝嬖诖松疃取?/p>

　　2.注漿方案設(shè)計(jì)

　　該井筒出水點(diǎn)特征：出水點(diǎn)多而分散、水源連通性強(qiáng)、靜水壓力較小。若進(jìn)行壁后帷幕注漿，切斷含水層與井壁之間的水力聯(lián)系，難度大且費(fèi)用高。因此采用壁間注漿，分兩步進(jìn)行：第一步封堵明顯出水點(diǎn);第二步進(jìn)行壁間注漿。

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