临涣矿区深厚松散层井壁变形破裂机理

张 辉

（安徽省煤田地质局水文勘探队，安徽 宿州 234000）

井筒是煤矿安全生产的咽喉部位，一旦发生破裂，往往严重地影响矿山的正常运营，危及生产安全，造成重大经济损失。作为工程中面临且必须解决的核心问题，井筒破裂问题已逐渐成为岩土工程研究领域关注的焦点，并取得了许多应用性成果和相关学说，其中较为著名的有“井壁竖向附加应力说”[1-5]、“新构造运动说”[6]、“渗流变形说”[7-8]、“井壁施工质量说”[9]。毫无疑问，这些学说对井壁破裂治理措施的制定起到了巨大的促进作用，但是由于地质条件的差异性，不同区域井筒变形破裂机理可能不同。

临涣矿区自建井以来，先后有10余对井筒出现不同程度的破裂。破裂以来许多学者、专家对破裂原因从不同角度提出了许多有益的见解[7,10]，并针对破裂原因提出了一些防治措施（井圈加固、开设卸压槽等），但该区井筒破裂仍未得到有效根治，最近两年在临涣矿区又有两对矿井的井筒相继发生了井壁破裂事故，并已影响到煤矿安全生产。为此，本文以临涣矿区某煤矿副井为例，在系统分析、归纳和总结井壁破裂各种相关资料的基础上，通过松散层现场取样及室内实验测得的物理力学参数，分别采用解析分析对深厚表土四含失水进行研究。

1 研究区水文、工程地质概况及井壁破裂的特征

1.1 研究区水文地质与工程地质特征

根据工业广场各种钻孔资料统计分析，第四系松散表土层厚度为235.0～289.8m，土层结构较复杂，一般可分为三个隔水层和四个含水层共七个工程地质岩组。主要水文与工程地质特征如下：

（1）一含受地表水及大气降水的直接补给，每年枯丰期水位有2m 左右的波动，二含平均厚度较薄、底板平均埋深小，根据工广及附近水源井统计资料，从建井初期到井壁破裂出水，二含水位最大降深5.2m，水位变化小，故失水导致的压缩变形微乎其微。三含砂层较纯，骨架强度高，压缩模量大，其结构特点决定了三含失水亦不会产生较大的压缩变形[10]。

（2）含、隔水层的交界面因含水层的疏排水导致孔隙水压减小，但隔水层坚硬、密实的工程地质特性使其并不会向相邻含水层产生渗流而压缩。

（3）四含下部常发育有一厚度变化大，分布极不稳定的强风化带，在一些薄弱或尖灭地段易与基岩的原生与次生裂隙形成“优势水流通道”，使得四含在一定水动力条件下以越流下渗的方式泄入矿井。

（4）第三隔水层层位稳定，工广范围揭露厚度为47.2～98.2m，含水率较小，液性指数小于零，呈坚硬状态，为区域性良好隔水层，使得四含与第三隔水层以上含水层失去水力联系。

（5）四含粒度成分极不均匀，其组成结构特点决定了其水压下降，内部拥有自由重力水的粘土质砂、砂砾层、粗砂等必然会产生较大的压缩变形。图1为该副井附近地表沉降与四含水位下降关系曲线，可以看出，两者关联性非常明显，呈同步的下降趋势。

综上所述，四含以上含、隔水层均不会造成较大的压缩变形，工业广场地面沉降的主要原因是四含失水压缩固结“携迫”上覆土体同步下沉造成的，这一点已在图1中两者呈高度正相关关系可见一斑。由于井壁坐落于坚硬的基岩中，相当于固定支撑端，井壁在破裂前不能随地层同步下沉，使得井壁与表土层间存在着一个相对滑动量，宏观上对固立于基岩壁座上的井筒产生了一个负摩阻力，即竖直附加应力。

图1 地表沉降与四含水位下降关系曲线

1.2 副井井壁破裂特征

该煤矿副井井筒采用冻结法施工，壁座以上为双层井壁，钢筋混凝土结构。根据现场调查，井壁破裂特征如下：井壁混凝土开裂、脱落；内侧环向钢筋外露，间距减小；纵向钢筋有明显向井筒内凸出、错动迹象；破裂带呈近似水平环状；如图2所示。根据莫尔强度理论可知[11]，当井壁破裂是由水平地压引起时，其主破裂面应沿井壁轴向分布，且破裂面与井壁环向切线方向的夹角为25°～35，这显然与实际情况不符，当井壁破裂是由竖向荷载引起时，其破裂面应沿井壁的环向发展，表现为环向破裂带，这与现场破裂特征相吻合，从而说明竖向荷载是导致井壁破裂的主控因素。

图2 煤矿副井井壁破裂现场图

2 四含疏水沉降时的井壁受力分析

只有系统的分析、归纳和总结破裂井筒围土的水文、工程地质特性，找到了诱发井筒破裂的主控因素，在此基础上建立有关井筒破裂的力学模型才能客观、全面地反映其原型条件。

该煤矿副井井筒内径R=3.0m，外径R0=4.0m，井筒穿过松散层厚度约为244m，井筒周围的地层主要为粘土质砂层，松散层下部为一厚度为28m的含水层，根据黄家会等的相似模拟实验[12]，井壁的平均竖直附加力fn与含水层水压下降量Δp近似呈正比关系，即：

式中：b——回归系数，kPa/MPa，在模拟深度为244m，井筒围土主要为粘土质砂的情况下取b=122.1。

该井从建井起初到井壁破裂出水，井筒附近四含水头累计下降70m即（Δp=0.7MPa），故

深部土层失水变形时土与井壁的相互作用是从深部开始的，深部相互作用位移大，可进入塑性变形[13]。故在极限状态下，井壁与四含之间会首先出现相对滑动，由于井壁外缘十分粗糙，可认为是四含（实际上有一定宽度的接触带）产生塑性破坏所引起的，可根据莫尔库伦准则，计算井壁与松散层之间的摩擦力fn2[14]为：

式中：P′——作用在井壁的水平荷载，MPa，根据深厚表土层中立井建设工程实践，按重液地压经验公式[15]计算立井地压P′=γz；

γ——水土混合重液的容重，一般取为11～13kN/m3，此处取γ=11kN/m3；

z——计算点的深度，此处取三隔与四含交界面埋深，即松散层的厚度z=244m；

φ、c——四含与井壁接触带的粘聚力和内摩擦角，根据室内实验测得：c=70kPa，φ=16°。

当井壁竖向受力达到其极限强度时，井壁就会产生破裂，因此fn的最大值应等于fn1与fn2中的最小值，即：

根据公式（2）和（3）计算结果fn1=85.5kPa ＜fn2=789.2kPa，故取fnmax=fn1。

在fn作用下井壁所受的最大竖直附加应力σz为：

当四含水位下降70m时井壁所受最大竖直附加应力达23.8MPa，加上一般井壁自重应力和井塔重所引起的应力之和（8MPa），会超过井壁钢筋混凝土强度(一般允许强度为23～30MPa)，井壁便开始破裂。

3 井壁破裂的机理与防治

根据四含失水沉降时的井壁受力分析、井壁破裂实际情况，可对井壁初次和重复破裂机理做如下剖析（图3）。

图3 井壁破裂机理与地面注浆加固分析图解

井筒穿过第四系深厚表土244m，在四含失水之前，井壁竖向只受其自重应力和井塔重力σ1+σ2=8MPa，由于井壁设计时已考虑过它们的存在，故σ1+σ2是不足以引起井壁破裂的。随着四含的疏水降压，井壁会受到竖直附加应力σ3的作用，并随着四含水位下降的增大而增大（图中OA段）。当t1时刻，即四含失水70m 时，σ1+σ2+σ3达到井壁所能承受的极限附加应力σf=31.8MPa 时，井壁产生第一次破裂（副井井筒于2018年6月初次破裂），井壁附加应力得到了部分释放，降至σr(即残余附加应力，并有σr＜σf=31.8MPa)；由于四含疏排水的继续，且井壁与土接触面剪切强度并没有因第一次井壁破裂而降低，井壁附加力又以一定规律发展（图中BC段）；如果在井壁第一次破裂后的t2时刻对井壁破裂段进行治理（2018年12月对井壁破裂段开设卸压槽）。根据文献[16]，卸压槽可以释放和衰减井壁纵向应力；井壁附加应力会进一步释放(图中DE段)，减至σw，由于卸压槽仅局限于井壁本身，对阻止井筒外侧地表沉降不起作用，在四含水头进一步降低的情况下应力会重新集聚，并沿曲线EF的趋势发展。在未来t4时刻井壁所受的竖直附加应力可能会再次达到井壁所能承受的极限强度而破坏。

工程实践证实，地面注浆可以达到预防和治理井壁破裂的目的。故可在t3时刻对含水层进行地面注浆，因大量浆液的挤入，使上覆地层向上位移或产生上移趋势，井壁附加应力得以缓释（图3中GH段），附加应力减至σw1，若不考虑地面注浆加固对抑制四含失水的作用，附加力将沿曲线HI的趋势发展，井壁可能推迟到t5时刻发生破裂。事实上，地面注浆能起到对立井井筒周围底部含水层和风化带的整体加固作用，减小了四含因疏排水而产生的压缩量，从而减小上覆土层的下沉速率，井壁附加力随时间增长的斜率必将产生变化（曲线HJ），因此，地面注浆具有抑制附加应力（t时刻为m）和缓释附加应力（t时刻为n）的双重效应，从而最大限度地延缓井壁附加应力的积聚，保证生产期间井壁的安全。

4 结论

（1）深厚表土层四含失水是导致临涣矿区煤矿厚松散层井壁破裂的主控因素。

（2）采用解析分析计算了四含失水时井壁的竖直附加应力，认为井壁竖直附加应力随四含水位降深的增大而增大，并最终达到井壁的破裂极限，

（3）揭示了该矿立井井筒破裂的力学机理，并提出相应的治理措施，认为地面注浆加固有“抑制”和“缓释”井壁附加应力的双重效应。