專(zhuān)利名稱(chēng)：一種防治立井井筒破壞的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采礦工程、礦井水文地質(zhì)領(lǐng)域，特別是運(yùn)用礦井水文地質(zhì)技術(shù)手段防 治煤礦立井井筒破裂的一種防治立井井筒破壞的方法。
背景技術(shù)：
黃淮地區(qū)地處黃河、淮河平原，普遍存在著深厚(厚度大于100m)的新生界沖積 層。該地區(qū)是我國(guó)重要的煤炭能源基地，分布有淮南、淮北、永夏、平頂山、大屯、徐州、棗 莊、兗州、巨野、肥城、新汶等大型礦區(qū)，建有300余個(gè)通過(guò)厚沖積層的立井井筒，年產(chǎn)煤量 超過(guò)2億噸。1987年立井井筒突發(fā)破裂災(zāi)害，此后每年均有新的井壁破裂災(zāi)害發(fā)生，至2005 年底已達(dá)93個(gè)。為防治井壁破壞，目前主要采用以下方法1)井圈加固井壁。初始階段井壁破壞具有突發(fā)性，為盡快控制破壞的發(fā)展，采用槽 鋼井圈對(duì)井壁破壞段進(jìn)行加固?？杀Ｕ隙唐趦?nèi)提升安全運(yùn)行。2)卸壓槽治理。在附加壓應(yīng)力大的井壁段，于井壁上沿環(huán)向開(kāi)一個(gè)槽，在槽內(nèi)放置 壓縮性材料，一般為木材。通過(guò)人為降低該處井壁的強(qiáng)度，增大壓縮量，達(dá)到減小井壁應(yīng)力 的目的。是目前最常用措施，但需要隨著地層壓縮而反復(fù)擴(kuò)槽。3)套壁加固。在附加壓應(yīng)力大的井壁段和破壞井壁段，在井筒內(nèi)再套一層砼內(nèi)壁 加強(qiáng)井壁強(qiáng)度，套壁厚250 300mm。套壁需要原井筒有富余斷面積。原認(rèn)為套壁可長(zhǎng)期治 理，但近年來(lái)一些套壁井筒在原處又出現(xiàn)再次破壞。4)地層注漿。按施工方法分為“壁后注漿”和“地面注漿”兩種①壁后注漿。在 井筒內(nèi)打鉆穿過(guò)井壁對(duì)地層進(jìn)行注漿。破壁注漿的地層加固范圍一般為壁后5m以?xún)?nèi)，減小 井壁壓縮變形不顯著，難以作為長(zhǎng)期治理的方法。但破壁注漿可有效減少井壁漏水量，施工 費(fèi)用低，因此也是常用措施。②地面注漿。為加大注漿加固地層的范圍或井筒內(nèi)沒(méi)有施工 條件，在地面打鉆對(duì)沖積層的主壓縮層注漿加固，目的是減少地層壓縮量從而減小井壁附 加應(yīng)力。上述井筒破壞治理方法主要缺點(diǎn)如下①井圈加固井壁是短期措施，無(wú)法達(dá)到長(zhǎng) 期治理效果；②卸壓槽法治理占用井筒時(shí)間長(zhǎng)；③井壁破裂后套壁的治理機(jī)理不合理，易 在原破裂處出現(xiàn)再次破裂；④地面注漿法治理工程費(fèi)用高；⑤壁后注漿法減小井壁壓縮變 形不顯著；⑥井筒每隔幾年需再次治理；⑦治理工程存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，包括封堵含水層困 難、井壁開(kāi)裂、掉井壁塊、設(shè)備變形等。因此，有必要研究更安全經(jīng)濟(jì)的井筒破壞防治技術(shù)。由以上可見(jiàn)，水位、沖積層和井壁是井筒破壞的三要素。以往的防治方法針對(duì)沖 積層采用地層注漿加固沖積層減少壓縮量等治理措施；針對(duì)井壁采用開(kāi)卸壓槽(讓)、套壁 和井圈加固(抗)等治理措施。根據(jù)井筒破壞機(jī)理，如果松散含水層水位保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，則 沖積層不出現(xiàn)壓縮變形，井筒就不會(huì)破壞，但到目前為止還沒(méi)有采用地面注水穩(wěn)定水位法 防治井筒破壞的工程實(shí)例。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有各種防治立井井筒破壞的方法所存在的上述不足，本發(fā)明提供一種 防治立井井筒破壞的方法，它從礦井水文地質(zhì)的角度分析，根據(jù)井壁破壞的機(jī)理，找出根治 立井井筒破壞的辦法，使井筒破壞防治效果更佳，更安全經(jīng)濟(jì)，施工更方便。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種防治立井井筒破壞的方法，采用地面注水穩(wěn)定水位法防治立井井筒破壞。具 體如下a.首先分析井筒范圍沖積層的結(jié)構(gòu)和水動(dòng)態(tài)特征，確認(rèn)沖積層中含三年以上水位 持續(xù)下降的含水層；選擇沖積層中三年以上水位持續(xù)下降的松散含水層作注水層位。b.在井筒附近地面施工注水孔；注水孔的結(jié)構(gòu)與水文長(zhǎng)期觀測(cè)孔結(jié)構(gòu)一致①注 水層位采用注水的花管；②注水層位以上采用實(shí)管，隔斷上面含水層的水力聯(lián)系；③注水 層位以下至沖積層底界采用實(shí)管，沉淀巖粉；④沖積層底界至注水鉆孔底界用水泥封閉； ⑤注水孔花管的埋深及長(zhǎng)度根據(jù)注水層位的位置和厚度確定。c.先選用自來(lái)水系統(tǒng)注水，若注水量小、注水效果不明顯，則采用水泵高壓注水， 將水通過(guò)注水孔注入注水層位。d.在注水期間進(jìn)行注水效果監(jiān)測(cè)，包括含水層水位監(jiān)測(cè)和井壁變化監(jiān)測(cè)；根據(jù)注 水效果監(jiān)測(cè)結(jié)果決定注水量的調(diào)整，保持井筒及附近含水層水位增高且相對(duì)穩(wěn)定，減小井 筒周?chē)缮⑼翆佑捎谒幌陆祵?dǎo)致的壓縮應(yīng)變量及對(duì)井壁產(chǎn)生的附加壓應(yīng)力。井壁變化監(jiān)測(cè)包括①井壁出水點(diǎn)監(jiān)測(cè)觀測(cè)注水后井壁出水點(diǎn)及出水點(diǎn)的出水 量增加與否；②井壁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)注水后井壁多個(gè)測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力應(yīng)變改變與否。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明從礦井水文地質(zhì)的角度分析研究，根據(jù)井壁破裂的機(jī)理，找出根治井筒破 壞的辦法，采用“地面注水穩(wěn)定水位法”防治井筒破壞，即通過(guò)地面注水，注入沖積層下部水 位持續(xù)下降的松散含水層，保持井筒及附近含水層水位增高穩(wěn)定，從而防止井筒周?chē)缮?土層壓縮變形及井壁因此產(chǎn)生的附加壓應(yīng)力造成對(duì)井壁的破壞。該方法防治效果明顯，施 工方便，更安全經(jīng)濟(jì)。


圖1是本發(fā)明一種防治立井井筒破壞的方法的原理圖。圖2是充煤公司X X煤礦第四系水位觀測(cè)孔觀測(cè)段示意圖。圖3是第四系沖積層觀測(cè)孔水位變化圖。圖4是注水孔Zl孔的鉆孔結(jié)構(gòu)圖。圖5是注水試驗(yàn)水壓與流量關(guān)系圖。圖6是注水期間水位觀測(cè)孔Q τ _3孔水位變化圖。圖7是主井附近地層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置圖。圖8 11分別是地層沉降觀測(cè)孔注水期間光纖光柵FBG0203、FBG0204、FBG0302、 FBG0303的中心波長(zhǎng)變化圖。圖12 15分別是2009年與2010年同期主井13V、34V、51V、12H的應(yīng)變量變化情
況比較圖。
圖中1-閥門(mén)、2-供水管路、3-地表、4-井筒、5-注水后抬高的水位、6-注水孔、 7-原始水位、8-實(shí)管、9-花管、10-沉砂實(shí)管、11-水泥封閉段、12-井壁、13-主井井塔、 14-沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)；W-水、H-注水孔處抬高的水位高度、L-注水段。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。通過(guò)對(duì)井筒破壞的觀測(cè)與研究，認(rèn)為其破壞機(jī)理是井壁內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力。采礦引 起新生界沖積層底部含水層水位下降，導(dǎo)致深部土層固結(jié)壓縮，其上面的地層不斷沉降。地 層在沉降過(guò)程中，由于對(duì)井壁有向下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在外井壁產(chǎn)生向下的摩擦力，外井壁的摩 擦力在井壁內(nèi)產(chǎn)生豎直向下的壓應(yīng)力，又稱(chēng)“附加應(yīng)力”。井壁壓應(yīng)力隨埋深增大，一般在沖 積層底部斷面達(dá)到最大，當(dāng)超過(guò)井壁強(qiáng)度時(shí)，井壁出現(xiàn)破裂并造成井筒內(nèi)的設(shè)備變形?；?上述認(rèn)識(shí)，本發(fā)明提出用“地面注水穩(wěn)定水位法”防治立井井筒破壞方法。在圖1中示出本發(fā)明防治立井井筒破壞的方法即“地面注水穩(wěn)定水位法”的基本 原理。它通過(guò)在井筒附近10 IOOm施工地面注水孔，注水孔結(jié)構(gòu)與水文長(zhǎng)觀孔結(jié)構(gòu)一致， 采用工業(yè)廣場(chǎng)自來(lái)水系統(tǒng)或水泵，將水注入沖積層下部持續(xù)水位下降的砂礫含水層，保持 井筒及附近含水層水位增高且相對(duì)穩(wěn)定，從而防治井筒周?chē)缮⑼翆佑捎谒幌陆祵?dǎo)致的 壓縮變形及進(jìn)一步防治井壁由于產(chǎn)生附加壓應(yīng)力造成的破壞。在注水過(guò)程中對(duì)含水層水 位、地層壓縮量和井壁變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)；根據(jù)注水效果監(jiān)測(cè)的結(jié)果決定注水量的調(diào)整。圖1中地面的自來(lái)水W，經(jīng)閥門(mén)1、供水管路2、注水孔6，注入地表3之下的沖積 層底部的注水層位中，使井筒4附近的水位由原始水位7提升至注水后抬高的水位5。L代 表注水段，H代表注水孔處抬高的水位高度。地面注水穩(wěn)定水位法防治立井井筒破壞的技術(shù)應(yīng)用于兗州煤業(yè)股份有限公 司XX煤礦，取得了較好的注水防治效果。注水時(shí)間2010年3月6日 2010年4月7日。 下面以此為例詳敘本發(fā)明防治方法的具體措施和實(shí)施過(guò)程。1.確定沖積層的注水層位1)分析井筒范圍的沖積層結(jié)構(gòu)性質(zhì)、沖積層水動(dòng)態(tài)特征并確定地面注水穩(wěn)定水位 法防治井筒破壞的可行性沖積層中含有的松散含水層，水位下降持續(xù)三年以上，造成立井 井壁破裂，采用地面注水穩(wěn)定水位法可行。2)確定實(shí)施注水的層位選擇沖積層下部水位下降持續(xù)三年以上的松散含水層 作注水層位，注水層位埋深及長(zhǎng)度根據(jù)沖積層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定，一般為松散含水層水位下降 較明顯的砂礫層。X X煤礦第四系屬?zèng)_積湖積相地層，由砂層、粘土層及砂質(zhì)粘土、粘土砂等相間沉 積組成。厚133. 22 252. 00m，平均187. 28m，東薄西厚。第四系可分為上、中、下三組。上 組屬?gòu)?qiáng)富水含水層；中組以隔水層為主，多為粘土、砂質(zhì)粘土類(lèi)；下組隔水層減少，含水層 增多，富水性較中組強(qiáng)，但較上組弱。第四系以下為侏羅系地層。其沖積層巖性柱狀表可參 見(jiàn)表2。該礦現(xiàn)有4個(gè)水位觀測(cè)孔觀測(cè)第四系沖積層的水位變化。各水位觀測(cè)孔的名稱(chēng)、 位置、觀測(cè)段深度、觀測(cè)層位、原始水位、啟用日期，如表1所示。工廣內(nèi)，即工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)，有 3個(gè)QT-1、QT_3、Q下-4，還有一個(gè)QT_2在工業(yè)廣場(chǎng)東南。
圖2示出該礦第四系各水位觀測(cè)孔的觀測(cè)段。水位觀測(cè)孔即水文長(zhǎng)期觀測(cè)孔。 表1第四系沖積層水位觀測(cè)孔
權(quán)利要求
一種防治立井井筒破壞的方法，其特征在于采用地面注水穩(wěn)定水位法防治立井井筒破壞；具體如下a.首先分析井筒范圍沖積層的結(jié)構(gòu)和水動(dòng)態(tài)特征，確認(rèn)沖積層中包含有三年以上水位持續(xù)下降的含水層；選擇沖積層中三年以上水位持續(xù)下降的松散含水層作注水層位；b.在井筒附近地面施工注水孔；注水孔的結(jié)構(gòu)與水文長(zhǎng)期觀測(cè)孔結(jié)構(gòu)一致①注水層位采用注水的花管；②注水層位以上采用實(shí)管，隔斷上面含水層的水力聯(lián)系；③注水層位以下至沖積層底界采用實(shí)管，沉淀巖粉；④沖積層底界至注水鉆孔底界用水泥封閉；⑤注水孔花管的埋深及長(zhǎng)度根據(jù)注水層位的位置和厚度確定；c.先選用自來(lái)水系統(tǒng)注水，若注水量小、注水效果不明顯，則采用水泵高壓注水，將水通過(guò)注水孔注入注水層位；d.在注水期間進(jìn)行注水效果監(jiān)測(cè)，包括含水層水位監(jiān)測(cè)和井壁變化監(jiān)測(cè)；根據(jù)注水效果監(jiān)測(cè)結(jié)果決定注水量的調(diào)整，保持井筒及附近含水層水位增高且相對(duì)穩(wěn)定，減小井筒周?chē)缮⑼翆佑捎谒幌陆祵?dǎo)致的壓縮應(yīng)變量及對(duì)井壁產(chǎn)生的附加壓應(yīng)力；井壁變化監(jiān)測(cè)包括①井壁出水點(diǎn)監(jiān)測(cè)觀測(cè)注水后井壁出水點(diǎn)及出水點(diǎn)的出水量增加與否；②井壁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)注水后井壁多個(gè)測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力應(yīng)變改變與否。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防治立井井筒破壞的方法，其特征在于所說(shuō)的在井筒附近 施工注水孔，是在距井筒10 IOOm范圍施工；所說(shuō)的沖積層中三年以上水位持續(xù)下降的松 散含水層，是位于沖積層下部、三年以上水位持續(xù)下降且水位下降明顯的砂礫層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防治立井井筒破壞的方法，其特征在于所說(shuō)的注水效果監(jiān) 測(cè)還包括地層壓縮量監(jiān)測(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的防治立井井筒破壞的方法，其特征在于所說(shuō)的地層壓縮量 監(jiān)測(cè)，是井筒附近地層抬升量監(jiān)測(cè)，通過(guò)水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)；測(cè)量注水前后井筒附近地表標(biāo)高 或/和井塔、井筒的標(biāo)高，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比，計(jì)算地層抬升量，檢驗(yàn)注水對(duì)井筒附近地 層壓縮影響的大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的防治立井井筒破壞的方法，其特征在于所說(shuō)的對(duì)地層壓縮 量的監(jiān)測(cè)是地層沉降觀測(cè)孔附近地層抬升量監(jiān)測(cè)，通過(guò)光纖光柵傳感器進(jìn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)； 注水前將光纖光柵傳感器埋入距井筒距離不大于200m處的地層沉降觀測(cè)孔的沖積層內(nèi)， 埋藏深度至沖積層底界，光纖光柵上測(cè)點(diǎn)與沖積層各主要層位一一厚層粘土層和厚層砂 礫層相對(duì)應(yīng)，光纖光柵傳感器通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連；通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖光柵中心波長(zhǎng) 值隨時(shí)間是否增大，判斷地層沉降觀測(cè)孔位置的地層抬升量受注水影響增大與否。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防治立井井筒破壞的方法，其特征在于所說(shuō)的含水層水位 監(jiān)測(cè)是采用水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行的；在各水文長(zhǎng)期觀測(cè)孔孔口位置安裝水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀， 通過(guò)信號(hào)傳輸裝置將水位信息傳至總臺(tái)的計(jì)算機(jī)，觀測(cè)人員通過(guò)計(jì)算機(jī)登陸指定網(wǎng)站，在 網(wǎng)站上查詢(xún)各水文觀測(cè)孔的水位歷史記錄，根據(jù)水位標(biāo)高隨時(shí)間的變化規(guī)律作圖，根據(jù)注 水期間水文觀測(cè)孔水位變化，判斷注水效果；觀測(cè)間隔時(shí)間可根據(jù)需要調(diào)整，確定觀測(cè)密 度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防治立井井筒破壞的方法，其特征在于所說(shuō)的井壁應(yīng)力應(yīng) 變監(jiān)測(cè)是采用井壁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行的；在井壁內(nèi)不同高度安裝井壁應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀， 地面?zhèn)鬏斞b置通過(guò)無(wú)線電波將各監(jiān)測(cè)儀獲取的信息傳輸至計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井壁應(yīng)力應(yīng)變量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將應(yīng)力應(yīng)變量隨時(shí)間的變化關(guān)系作圖，對(duì)比注水期間各觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變量變 化，判斷注水效果。
全文摘要
一種防治立井井筒破壞的方法，采用“地面注水穩(wěn)定水位法”防治井筒破壞；具體是①分析沖積層結(jié)構(gòu)和水動(dòng)態(tài)，選擇沖積層中三年以上水位持續(xù)下降的松散含水層作注水層位；②在井筒附近施工注水孔，結(jié)構(gòu)與水文長(zhǎng)期觀測(cè)孔結(jié)構(gòu)一致；③用自來(lái)水或水泵注水，將水經(jīng)注水孔注入注水層位；④注水期間進(jìn)行注水效果監(jiān)測(cè)含水層水位監(jiān)測(cè)和井壁變化監(jiān)測(cè)；根據(jù)注水效果監(jiān)測(cè)決定注水量調(diào)整。保持井筒及附近含水層水位增高且相對(duì)穩(wěn)定，減小井筒周?chē)缮⑼翆佑捎谒幌陆祵?dǎo)致的壓縮變形及對(duì)井壁產(chǎn)生的附加壓應(yīng)力，以防造成對(duì)井壁破壞。本發(fā)明從礦井水文地質(zhì)角度研究，根據(jù)井壁破裂的機(jī)理，找出根治井筒破壞的方法，防治效果明顯，施工方便，更安全經(jīng)濟(jì)。
文檔編號(hào)E21D8/00GK101985881SQ20101029780
公開(kāi)日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者倪興華, 劉瑞新, 張廣文, 楊建華, 王家臣, 苗素軍, 許延春 申請(qǐng)人:兗州煤業(yè)股份有限公司;中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)