本發(fā)明為一種防治煤礦立井井筒變形破壞的系統(tǒng)及方法，尤其是一種用于地層沉降變形協(xié)調(diào)的防治煤礦立井井筒變形破壞的系統(tǒng)及方法。

技術(shù)背景

自20世紀(jì)80年代以來，我國徐、淮、大屯、兗州等礦區(qū)的煤礦立井出現(xiàn)了一種國內(nèi)外罕見的非采動性井筒破裂。這種災(zāi)害易造成井筒變形破裂、滲水，重者造成卡罐、涌水涌砂，甚至停產(chǎn)，給煤礦生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的安全隱患，也使煤礦企業(yè)承受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。自1987年以來，在我國的華東地區(qū)深厚表土層中建設(shè)的立井模擬井筒已經(jīng)有80多個遭受破壞，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)。

其中導(dǎo)致立井井筒發(fā)生的傾斜、錯位、斷裂、滲漏等各種變形和破壞的地質(zhì)因素有：井筒穿過地層、巖層、煤層性質(zhì)；地質(zhì)構(gòu)造；水文地質(zhì)條件等。其中，不穩(wěn)定含水層對立井井筒穩(wěn)定性的影響，近年來尤為突出。特別是對于補(bǔ)給條件較弱的第四系底部含水層，大量的疏水將引起含水層不穩(wěn)定，導(dǎo)致深部土層固結(jié)壓縮及上部地層的沉降會對井筒有向下的相對運(yùn)動,產(chǎn)生豎直附加力，在井筒內(nèi)產(chǎn)生豎直附加應(yīng)力，隨著埋深增加，井筒附加應(yīng)力在土層與基巖面交界處達(dá)到最大。當(dāng)應(yīng)力超過井筒強(qiáng)度時，井筒出現(xiàn)破裂，井筒內(nèi)的設(shè)備發(fā)生變形會進(jìn)一步影響立井穩(wěn)定性。由此可見，井筒的破壞與地層的大面積沉降有直接關(guān)系。

目前為止，已有許多專家學(xué)者對含水層長時間疏水引起固結(jié)沉降導(dǎo)致井壁破壞以及治理措施進(jìn)行了深入研究。目前國內(nèi)采用的井筒破裂防治措施主要有：

①地層注漿法。按施工方法分為“壁后注漿”和“地面注漿”兩種。壁后注漿是在井筒內(nèi)打鉆穿過井壁對地層進(jìn)行注漿；地面注漿是在地面打鉆到預(yù)定深度進(jìn)行注漿加固。注漿法前期效果較好，由于只是控制井筒周邊的含水層的沉降壓縮，加固范圍有限，隨著時間增長大面積地層沉降會逐漸再現(xiàn)，前期加固井筒容易出現(xiàn)二次破壞。

②卸壓槽法。在附加壓應(yīng)力大的井筒段沿環(huán)向開一個槽，在槽內(nèi)放置壓縮性材料，使井筒具備一定的壓縮量，達(dá)到減小井筒應(yīng)力的目的。但是隨著壓縮變形的增加，卸壓槽會失去變形壓縮功能，需再次開槽，且井筒變形帶來的內(nèi)部管道變形問題也需要解決。

③加圈套壁法。在附加壓應(yīng)力大的井筒段和破壞井筒段，在井筒內(nèi)再套一層井壁或是用槽鋼井圈對原有井壁進(jìn)行加固。加圈套壁法會占用井筒內(nèi)空間，縮小井筒最小內(nèi)徑。由于加固原理以抗為主，時間一長加固段又出現(xiàn)再次破壞。

④含水層注水法。是對含水層或是主壓縮層進(jìn)行注水維護(hù)，缺點是時間長，注水量若控制不好會造成負(fù)面影響，水源水質(zhì)選擇不當(dāng)會對含水層水體造成污染。

以上治理方法，都存在各式各樣的問題，無法有效的解決井筒變形破壞這一問題，因此有必要研究更安全且從原理上治理井筒破壞變形的方法。

根據(jù)井筒破壞機(jī)理，井筒周圍松散含水層水位在長期呈下降趨勢，沖積層的壓縮變形也是一個長期過程，要保持井筒不會破壞就要將地層沉降對井筒的影響減小或消除。但到目前為止還沒有采用地層沉降協(xié)調(diào)法防治井筒變形破壞的先例。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是要提供一種地層沉降變形協(xié)調(diào)的防治煤礦立井井筒變形破壞的系統(tǒng)及方法，解決現(xiàn)有的煤礦立井井筒變形破壞防治方案中無法有效的解決井筒變形破壞的問題。

技術(shù)方案：本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：本發(fā)明的防治煤礦立井井筒變形破壞的系統(tǒng)及方法包括地層沉降協(xié)調(diào)系統(tǒng)及方法，具體為協(xié)調(diào)地層的沉降變形，以防治立井井筒的變形破壞。

該系統(tǒng)包括立井井筒(1)、影響范圍內(nèi)地層(2)、豎向隔離填充體(3)、含水層注漿加固體(4)、基巖(5)、含水層(6)和影響范圍外地層(7)；在基巖(5)上方存在含水層(6)，在含水層(6)中構(gòu)成含水層注漿加固體(4)，含水層注漿加固體(4)充滿立井井筒(1)外的含水層(6)，并延伸入影響范圍外地層(7)水平向1～2m；在立井井筒(1)外設(shè)置豎向隔離填充體(3)，在立井井筒(1)和豎向隔離填充體(3)之間是初始沉降影響范圍內(nèi)地層(2)，在豎向隔離填充體(3)外是初始沉降影響范圍外地層(7)。

所述的豎向隔離填充體(3)采用常規(guī)配比的水泥漿、黏土漿、樹脂材料或是化學(xué)漿配制而成的協(xié)調(diào)材料進(jìn)行豎直填充；所述的豎向隔離填充體(3)填充深度要求深入到基巖層(5)1m，或穿過基巖表層的強(qiáng)風(fēng)化層，以兩者中深度最大為準(zhǔn)。

所述的含水層注漿加固體(4)根據(jù)井筒實際情況通過地面注漿或壁后注漿形成，注漿后進(jìn)行檢測，以達(dá)到止水加固作用。

該井筒變形破壞方法包括如下施工步驟：

a.根據(jù)深厚松散層厚度與土層參數(shù)，計算井筒對周圍地層的沉降影響范圍；

b.對沉降影響范圍的地層中的失水含水層進(jìn)行注漿加固，采用現(xiàn)有注漿加固技術(shù)及設(shè)備，漿液采用常規(guī)止水加固水泥漿或化學(xué)漿，達(dá)到止水加固的目的；

c.選擇豎向隔離填充體(3)的協(xié)調(diào)材料對影響范圍的地層邊界進(jìn)行豎直填充，材料能起到隔離地層豎向力，并能傳遞地層水平力的作用；

d.豎向隔離填充體(3)的填充深度深入到基巖層1m，或穿過基巖表層的強(qiáng)風(fēng)化層，以兩者中深度最大為準(zhǔn)，填充方法可采用單鉆孔或多孔連續(xù)作業(yè)，鉆孔同時進(jìn)行填充，最終形成筒形包圍。

步驟a中，根據(jù)深厚松散層厚度與土層參數(shù)，取經(jīng)驗值來確定井筒對周圍地層的沉降影響范圍，經(jīng)驗值取R＝5r₂，其中r₂為井筒外半徑，或者通過通用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬確定初始沉降影響范圍。

步驟b中，對所述的沉降影響范圍的地層中的失水含水層(6)進(jìn)行注漿加固，注漿范圍可稍大于沉降影響范圍，形成所述含水層注漿加固體(4)，達(dá)到止水加固的目的；前期已進(jìn)行過注漿加固且加固范圍達(dá)到要求的井筒可忽略此步驟；

所述豎向隔離填充體(3)的協(xié)調(diào)材料為常規(guī)配比的水泥漿：水與水泥的比例不要大于0.5，砂不要超過水泥的3倍；黏土漿：鈣處理泥漿、甲基泥漿、乳化瀝青泥漿以及油包水活度平衡泥漿常用黏土漿液；或是化學(xué)漿液材料：尿醛樹脂漿液、水玻璃漿液、聚丙烯酰胺漿液常用護(hù)壁類化學(xué)漿液；對協(xié)調(diào)材料的基本要求為成型后邊界光滑，與土層之間的摩擦力較小，起到隔離作用。

所述的填充方法采用豎向單鉆孔或多孔連續(xù)作業(yè)、或者采用其他填充方法將材料進(jìn)行垂直填充；所述的鉆孔同時進(jìn)行填充，整體填充后最終形成筒形包圍：對選定的協(xié)調(diào)范圍進(jìn)行鉆孔，鉆孔方式采用對稱間隔方式，鉆掘到預(yù)定深度，一般深入到基巖層1m，或穿過基巖表層的強(qiáng)風(fēng)化層，以兩者中深度最大為準(zhǔn)。

有益效果，由于采用了上述方案，從井筒破壞的原理出發(fā)，為協(xié)調(diào)地層的沉降變形，實現(xiàn)煤礦立井井筒變形破壞的防治方法。本方法的原理是通過豎向填充材料，將井筒周圍特定范圍內(nèi)地層與周邊區(qū)域進(jìn)行隔離。本發(fā)明從協(xié)調(diào)地層沉降變形角度出發(fā)，隔離豎向變形以防止井壁附加力的產(chǎn)生并能保持水平力的存在以此保證立井井筒的穩(wěn)定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的縱向剖面圖。

圖2為本發(fā)明的俯視圖。

圖3為本發(fā)明的注漿加固體水平剖面圖。

圖中：1、立井井筒；2、影響范圍內(nèi)地層；3、豎向隔離填充體；4、含水層注漿加固體；5、基巖；6、含水層；7、影響范圍外地層。

具體實施方式

本發(fā)明的防治煤礦立井井筒變形破壞的系統(tǒng)及方法包括地層沉降協(xié)調(diào)系統(tǒng)及方法，具體為協(xié)調(diào)地層的沉降變形，以防治立井井筒的變形破壞。該井筒包括立井井筒1、影響范圍內(nèi)地層2、豎向隔離填充體3、含水層注漿加固體4、基巖5、含水層6和影響范圍外地層7；在基巖5上方存在含水層6，在含水層6中構(gòu)成含水層注漿加固體4，含水層注漿加固體4充滿立井井筒1外的含水層6，并延伸入影響范圍外地層7水平向1～2m；在立井井筒1外設(shè)置豎向隔離填充體3，在立井井筒1和豎向隔離填充體3之間是初始沉降影響范圍內(nèi)地層2，在豎向隔離填充體3外是初始沉降影響范圍外地層7。

所述的豎向隔離填充體3采用常規(guī)配比的水泥漿、黏土漿、樹脂材料或是化學(xué)漿配制而成的注漿材料進(jìn)行豎直填充；所述的豎向隔離填充體3填充深度要求深入到基巖層5下1m，或穿過基巖表層的強(qiáng)風(fēng)化層，以兩者中深度最大為準(zhǔn)。

所述的含水層注漿加固體4根據(jù)井筒實際情況通過地面注漿或壁后注漿形成，注漿后進(jìn)行檢測，以達(dá)到止水加固作用。

該井筒變形破壞方法包括如下施工步驟：

a.根據(jù)深厚松散層厚度與土層參數(shù)，計算井筒對周圍地層的沉降影響范圍；

b.對沉降影響范圍的地層中的失水含水層進(jìn)行注漿加固，采用現(xiàn)有注漿加固技術(shù)及設(shè)備，漿液采用常規(guī)止水加固水泥漿或化學(xué)漿，達(dá)到止水加固的目的；

c.選擇豎向隔離填充體3的協(xié)調(diào)材料對影響范圍的地層邊界進(jìn)行豎直填充，材料能起到隔離地層豎向力，并能傳遞地層水平力的作用；

d.豎向隔離填充體3的填充深度深入到基巖層1m，或穿過基巖表層的強(qiáng)風(fēng)化層，以兩者中深度最大為準(zhǔn)，填充方法可采用單鉆孔或多孔連續(xù)作業(yè)，鉆孔同時進(jìn)行填充，最終形成筒形包圍。

步驟a中，根據(jù)深厚松散層厚度與土層參數(shù)，取經(jīng)驗值來確定井筒對周圍地層的沉降影響范圍，經(jīng)驗值取R＝5r₂，其中r₂為井筒外半徑，或者通過通用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬確定初始沉降影響范圍。

步驟b中，對所述的沉降影響范圍的地層中的失水含水層6進(jìn)行注漿，注漿范圍可稍大于沉降影響范圍，形成所述含水層注漿加固體4，達(dá)到止水加固的目的；前期已進(jìn)行過注漿加固且加固范圍達(dá)到要求的井筒可忽略此步驟；

所述豎向隔離填充體3的協(xié)調(diào)材料為常規(guī)配比的水泥漿：水與水泥的比例不要大于0.5，砂不要超過水泥的3倍；黏土漿：鈣處理泥漿、甲基泥漿、乳化瀝青泥漿以及油包水活度平衡泥漿常用黏土漿液；或是化學(xué)漿液材料：尿醛樹脂漿液、水玻璃漿液、聚丙烯酰胺漿液常用護(hù)壁類化學(xué)漿液；對協(xié)調(diào)材料的基本要求為成型后邊界光滑，與土層之間的摩擦力較小，起到隔離作用。

所述的填充方法采用豎向單鉆孔或多孔連續(xù)作業(yè)、或者采用其他填充方法將材料進(jìn)行垂直填充；所述的鉆孔同時進(jìn)行填充，整體填充后最終形成筒形包圍：對選定的協(xié)調(diào)范圍進(jìn)行鉆孔，鉆孔方式采用對稱間隔方式，鉆掘到預(yù)定深度，一般深入到基巖層1m，或穿過基巖表層的強(qiáng)風(fēng)化層，以兩者中深度最大為準(zhǔn)。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

實施例1：如圖1所示，一種地層沉降變形協(xié)調(diào)的防治煤礦立井井筒變形破壞的系統(tǒng)及方法，主要由立井井筒1、影響范圍內(nèi)地層2、豎向隔離填充體3、含水層注漿加固體4、基巖5、含水層6和影響范圍外地層7構(gòu)成。所述的需要協(xié)調(diào)的地層范圍為以O(shè)B為半徑的地層范圍。所述的豎向隔離填充體3由合適的協(xié)調(diào)材料進(jìn)行豎直填充，該材料可以起到隔離地層豎向力，并能傳遞地層水平力的作用。所述的豎向隔離填充體3填充深度要求到達(dá)基巖面，一般深入到基巖層1m，或穿過基巖表層的強(qiáng)風(fēng)化層，以兩者中深度最大為準(zhǔn)。所述的含水層注漿加固體4根據(jù)井筒實際情況通過地面注漿或壁后注漿形成，注漿后進(jìn)行檢測，以達(dá)到止水加固作用。

如圖2所示，一種地層沉降變形協(xié)調(diào)的防治煤礦立井井筒變形破壞的系統(tǒng)及方法，所述立井井筒1和豎向隔離填充體3之間為需要協(xié)調(diào)的地層范圍。

如圖3所示，一種地層沉降變形協(xié)調(diào)的防治煤礦立井井筒變形破壞的系統(tǒng)及方法，所述的含水層注漿加固體4，通過對失水含水層進(jìn)行注漿而形成，可以起到止水加固的目的。注漿加固的范圍略大于需要協(xié)調(diào)的地層范圍。

一種地層沉降變形協(xié)調(diào)的防治煤礦立井井筒變形破壞的系統(tǒng)及方法，具體實施步驟如下：

a.根據(jù)深厚松散層厚度與土層參數(shù)，取經(jīng)驗值來確定井筒對周圍地層的沉降影響范圍，經(jīng)驗值取R＝5r₂，其中r₂為井筒外半徑，或者通過通用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬確定初始沉降影響范圍。

b.對沉降影響范圍內(nèi)的地層中的失水含水層進(jìn)行注漿，達(dá)到止水加固的目的(如前期已進(jìn)行過注漿加固且加固范圍達(dá)到要求的井筒可忽略此步驟)：首先進(jìn)行鉆孔勘探，探明含水層位置、厚度、滲透性等參數(shù)，保留勘探孔為后期填充材料時使用；然后進(jìn)行注漿加固，可根據(jù)井筒實際情況選擇進(jìn)行地面注漿或是壁后注漿，注漿后進(jìn)行檢測，達(dá)到止水加固作用后進(jìn)行下一步。

c.選擇合適的協(xié)調(diào)材料對影響范圍的地層邊界進(jìn)行豎直填充，材料能起到隔離地層豎向力，并能傳遞地層水平力的作用：采用鉆孔方式的，協(xié)調(diào)材料可選擇常規(guī)配比的水泥漿、黏土漿或是化學(xué)漿液材料，基本要求為成型后邊界光滑，與土層之間的摩擦力較小，可以起到隔離潤滑作用。所述的水泥漿是水與水泥的比例不要大于0.5，砂不要超過水泥的3倍；所述的黏土漿是鈣處理泥漿、甲基泥漿、乳化瀝青泥漿以及油包水活度平衡泥漿等市場常見黏土漿液；所述的化學(xué)漿液材料是尿醛樹脂漿液、水玻璃漿液、聚丙烯酰胺漿液等市場上常見護(hù)壁類化學(xué)漿液。

d.填充深度達(dá)到基巖面，填充方法可采用垂直單鉆孔或多孔連續(xù)作業(yè)，或者采用其他方式將材料進(jìn)行垂直填充，鉆孔同時進(jìn)行填充，最終形成筒形包圍：對選定的協(xié)調(diào)范圍進(jìn)行鉆孔，鉆孔方式采用對稱間隔方式，鉆掘到預(yù)定深度，一般深入到基巖層1m，或穿過基巖表層的強(qiáng)風(fēng)化層，以兩者中深度最大為準(zhǔn)，即進(jìn)行協(xié)調(diào)材料的填充，填充時監(jiān)測井壁內(nèi)應(yīng)變變化，若變化較大及時停止填充，待穩(wěn)定后繼續(xù)進(jìn)行填充，直至將整個協(xié)調(diào)范圍填充完畢。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。