高建政 高 祥 王 偉 鄒久群

(1.兗煤菏澤能化有限公司萬福煤礦籌備處，山東 菏澤 274900; 2.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116)

0 引言

隨著我國礦產(chǎn)資源開采深度加大，在特殊地質(zhì)情況下，人工凍結(jié)地層法礦井建設已經(jīng)是普遍使用的方法，且有很多的研究工作和工程數(shù)據(jù)作為依據(jù)[1,2]。井筒作為通往地下的咽喉要道，所以，對井筒受力及變形的監(jiān)控直接關(guān)系到生產(chǎn)的安全，如果能夠使得監(jiān)測更加信息化、更加實時化，這將對隱患的預測和治理有著重要的意義。

巨野縣柳林萬福礦項目位于巨野煤田塊的南端，項目距菏澤45 km，距巨野32 km。項目設計產(chǎn)能1.8 Mt/年，項目場地設計布置主副和風三個井，井口標高+45 m，井底車場水平設計標高-820 m。井筒穿過大約760 m的沖基層，遠遠超過我國以往凍結(jié)法建設的井筒所穿越的表土厚度，因此在該項目建設中并沒有可參考的類似工程，增加項目建設中的不確定性。所穿越表土層中，第四系地層厚約100 m～200 m，第三系地層厚約540 m～640 m，而且第三系地層中粘土層的總厚度比例超過70%，但是該粘土層具有：含水量較低、膨脹性大、結(jié)冰溫度低、凍結(jié)速度慢和凍土強度低的特點，這將是凍結(jié)施工項目的噩耗。萬福項目下的沖積層下部的含水砂、礫層也可能會與煤系地層有很大的水力聯(lián)系，可能引起的水分遷移對井壁形成不均勻附加力作用，從而可能致使井筒結(jié)構(gòu)的異?，F(xiàn)象。

特殊地質(zhì)條件下凍結(jié)掘進施工，造成井壁破裂甚至破壞現(xiàn)象的案例，已有大量的研究。人們意識到其嚴重性，意識到井壁破壞嚴重威脅礦井的安全，國內(nèi)外也鮮有災難案件報道，一些專家也歸納其主要的原因為：凍脹力和附加力[3,4]等引起的井壁不均勻受力[5-8]；地下水分遷移所致的不均勻沉降；工程管理不合理及質(zhì)量無保證等。

現(xiàn)代施工技術(shù)中，信息化施工[9]舉足輕重，對施工過程中的情況能做到動態(tài)的監(jiān)測分析，此類工程中信息化、現(xiàn)代化的監(jiān)測手段應該得到較大的推廣。

1 副井井壁情況

下文針對副井-130 m～-300 m之間的一段出現(xiàn)較多裂紋的井壁，描述如表1所示。

表1 副井-130 m～-300 m段裂紋描述

表2 萬福煤礦副井內(nèi)壁監(jiān)測層位布置

2 信息化監(jiān)測方案設計

方案設計采用數(shù)值軟件ANSYS來確定相鄰監(jiān)測開槽點之間的間距，數(shù)值建模如圖1所示，在井壁中間取多點路徑提取數(shù)據(jù)分析沿井壁徑向開槽后的影響區(qū)域，計算云圖如圖2所示。通過上述計算的數(shù)據(jù)處理(見圖3)，得出豎槽的應力集中區(qū)域大概為11%，橫槽的應力集中區(qū)域大概為整個周徑的11.8%。通過計算可得300的橫豎開槽間距為最佳距離。開槽后埋置傳感元件，監(jiān)測溫度變化及應力應變等。其中5個監(jiān)測層位包括3個可縮層壓縮量監(jiān)測層位和2個混凝土應變監(jiān)測層位，具體層位如表2所示。沿順時針方向在每層可縮層東、南、西、北4個方向依次布設編號為SA,SB,SC和SD的4個測點，每測點布置一支測縫計。井壁混凝土中應變監(jiān)測層位將會按順時針方向在每層可縮層的東南西北四個方向依次布設測點編號為HA,HB,HC和HD的4個測點。每個測點布置豎向、環(huán)向混凝土應變計各1支。為了校正測量數(shù)據(jù)，每監(jiān)測層位在東、西方向各布置1支無應力混凝土應變計。各應變計封裝有溫度傳感器，可測試測點位置的溫度。

監(jiān)測系統(tǒng)及組成：由于井筒內(nèi)存在電磁干擾、振動、濕度大燈復雜環(huán)境，副井選用光纖式監(jiān)測系統(tǒng)，各層傳感器組通過主光纜連接至地面監(jiān)測室解調(diào)儀，主光纜采用16芯鎧裝光纜，直徑約13 mm，重量約200 kg/km，系統(tǒng)見圖4。系統(tǒng)安裝工序為：打眼開槽→光纜敷設→傳感器安裝→系統(tǒng)集成與調(diào)試。同層位的橫豎槽具體布置見圖5。鑒于數(shù)據(jù)較多，文章不在對所有的測點數(shù)據(jù)繪制曲線變化圖，單列出CD測點應變曲線，如圖6所示。

3 數(shù)據(jù)及裂紋機理分析

針對井筒外壁出現(xiàn)的裂紋狀況，及監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理，初步確定井壁裂紋出現(xiàn)的原因主要有以下幾個方面：

1)根據(jù)地質(zhì)資料，地層傾向為西北至東南，東南向揭露土層比西北向晚，故壓力下井壁受力便不均勻，從而致使井壁破裂。2)在裂紋出現(xiàn)的位置，粘土的膨脹性又造成二次凍脹壓力?；炷恋乃饔蒙纱罅繜崃?，造成井幫粘土局部解凍，在回凍后發(fā)生較大的塑性變形和蠕變，回凍后膨脹系數(shù)較大，會對井壁造成更大的壓力致使井壁的破壞。

通過數(shù)據(jù)的分析及表象的觀測，結(jié)合該工程地質(zhì)資料認為可從以下方面展開：在裂紋密集和寬度較大的井壁段增設井圈、背板進行聯(lián)合支護方式，其之間采用硬連接，并在后背楔實，保證其具有足夠的支撐力，該措施主要在于提高支護能力。在刷幫期間均勻增設布置卸壓槽，用以抵消井幫解凍后，二次回凍時的高凍脹力。一般情況，卸壓槽的布置間隔大約在1 m～1.5 m，寬度200 mm～300 mm之間，深度大約200 mm。同時，也要注重合理調(diào)整施工流程，注意主要的和關(guān)鍵的工藝節(jié)點，例如加強混凝土的振搗。

4 結(jié)語

1)從萬福礦井副井井筒外井壁已出現(xiàn)的裂紋可以看出，井壁的破壞是呈現(xiàn)一定的規(guī)律性的，而根據(jù)其機理分析在后續(xù)施工中所采取的措施，是能夠有效預防和控制井壁裂紋發(fā)展。

2)信息化的監(jiān)測施工理念更應該在不確定性因素復雜的工程中得到很好的推廣和應用，做到及時預測和預防隱患發(fā)生。

3)深部巖土工程遇到厚表土層情況時，凍結(jié)法掘砌施工是較為有效地掘進工藝，但是一般會存在因為地層結(jié)構(gòu)、凍土回凍和大體積混凝土水化熱以及不合理的施工管理所致的質(zhì)量問題，從而引起井筒受較大的不均勻荷載，甚至實際承載力遠遠達不到設計要求，從而較早的出現(xiàn)井筒裂紋，然而在接下來的長期生產(chǎn)都面臨著嚴重的隱患。

4)根據(jù)萬福副井的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，ANSYS的數(shù)值分析方法對監(jiān)測方案的確定是可行的。

參考文獻:

[1] 張 濤,楊維好,陳國華,等.大體積高性能混凝土凍結(jié)井壁水化熱溫度場實測與分析[J].采礦與安全工程學報,2016(2):290-296.

[2] 張 馳.富水巖層中新型單層凍結(jié)井壁關(guān)鍵施工技術(shù)與工藝研究[D].北京：中國礦業(yè)大學,2012.

[3] 楊維好,崔廣心,周國慶，等.特殊地層條件下井壁破裂機理與防治技術(shù)的研究(之一)[J].中國礦業(yè)大學學報,1996(4):1-5.

[4] 駱念海,楊維好.井壁豎直附加力的影響因素分析[J].煤炭科學技術(shù),2000,28(12):41-43.

[5] 姜國靜,王建平,劉曉敏.超厚黏土層凍結(jié)壓力實測研究[J].煤炭科學技術(shù),2013,41(3):43-46.

[6] 張紅曉.特厚沖積層凍結(jié)壁變形及凍結(jié)壓力的研究[D].長沙：中南大學,2011.

[7] 李運來,汪仁和,姚兆明.深厚表土層凍結(jié)法鑿井井壁凍結(jié)壓力特征分析[J].煤炭工程,2006(10):35-37.

[8] 王衍森,黃家會,楊維好,等.特厚沖積層中凍結(jié)井外壁溫度實測研究[J].中國礦業(yè)大學學報,2006,35(4):468-472.

[9] 宋 雷,楊維好,李海鵬.郭屯煤礦主井凍結(jié)法鑿井信息化監(jiān)測技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學報,2010,27(1):19-23.