樹人論文刊發深部礦井井筒突水原因

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

　　【關鍵詞】井筒破裂;新地層孔隙水;溫度應力;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巖巖溶裂隙水組成。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，共有四個含水層、三個隔水層，自上而下相間分布。四含直接覆蓋在基巖風化帶之上，富水性不均一。回風井筒凈直徑Φ8.3m，設計累深1046.0m。累深369m以上為凍結段，井壁為復合鋼筋砼井壁。其下井壁為素砼井壁。 回風井松散層厚328.65m，共有4個含水層。2008年12月15日回風井突水并逐漸增大。12月16日涌水量27.6m3/h，至12月20日達87m3/h，然后穩定在80m3/h。涌水中含有較少量泥砂，水質類型為K++Na+-Cl型。

　　出水段水溫為25℃±。本區恒溫帶深度為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、水量及溫度特征可見：突水水源為新地層混合水，但第四含水層薄(工廣區域厚度0 ～3.15m)且含水性弱，即其主要為第三含水層孔隙水。

　　1.井壁破裂特征與機理

　　1.1井壁受力分析

　　近年來，徐淮礦區凍結法施工的立井，在凍結壁解凍之后，井壁有關位置不同程度地均出現了裂縫，嚴重者涌水淹井。經歸納井壁主要受到5種外力作用：①在重力作用下，沖積層產生側向水平作用力，水平地壓對井壁產生影響;②該礦區處于平原南端，新構造運動活躍產生的地質構造應力對井筒產生影響;③內外井壁溫度不一致，溫度的變化引起井壁縱向、切向應力發生變化;④井壁本身受到井塔、井筒裝備及井壁重量的影響，產生豎向應力⑤當沖積層下沉時，地層沉降對井壁產生垂直附加力。該礦回風井筒解凍后井筒發生了突水，主要原因井筒外壁一定深處產生了裂隙，水源從其裂隙突破進入壁間，然后從內壁注漿預埋管及井筒接茬縫突水。經分析：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井筒所特有的，在此可不作重點研究。因此溫度變化對其產生的影響——便成為一個不可忽視的因素(井壁溫度應力)。

　　1.2中性層位置的確定

　　凍結法施工的井壁澆筑一般是-10℃。凍結壁解凍后，井筒周圍的表土層溫度將升高。此時，表土要熱縮，而井筒卻要熱伸。這樣井筒與表土之間必然會產生較大的摩擦力。勢必井筒中表土段必產生一個平衡面的中性層(A—A)，即最危險截面。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硬巖層，故在此可假設基座不會發生向下的位移，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(1.0×10-5);A—井壁內外橫截面積[1/4π(D2-d2)=27.59m2;ΔT—溫差(℃);N(s)—內應力]。聯立求解式(2)、(4)、(5)，經整理并代入朱集東礦回風井的具體參數可得

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

　　回風井進入井底車場施工后，掘進工作面由于受地熱的影響而溫度較高(巖溫40℃±)。受此影響，表土段井壁的溫度相應也較高，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)代入數據得X=280.3m。可見，突水大量過水斷面在此深度。

　　2.注漿方案設計

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

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