地层沉降变形协调的防治煤矿立井井筒变形破坏的系统及方法与流程

本发明为一种防治煤矿立井井筒变形破坏的系统及方法，尤其是一种用于地层沉降变形协调的防治煤矿立井井筒变形破坏的系统及方法。

技术背景

自20世纪80年代以来，我国徐、淮、大屯、兖州等矿区的煤矿立井出现了一种国内外罕见的非采动性井筒破裂。这种灾害易造成井筒变形破裂、渗水，重者造成卡罐、涌水涌砂，甚至停产，给煤矿生产带来了严重的安全隐患，也使煤矿企业承受巨大的经济损失。自1987年以来，在我国的华东地区深厚表土层中建设的立井模拟井筒已经有80多个遭受破坏，严重影响了矿井的安全生产。

其中导致立井井筒发生的倾斜、错位、断裂、渗漏等各种变形和破坏的地质因素有：井筒穿过地层、岩层、煤层性质；地质构造；水文地质条件等。其中，不稳定含水层对立井井筒稳定性的影响，近年来尤为突出。特别是对于补给条件较弱的第四系底部含水层，大量的疏水将引起含水层不稳定，导致深部土层固结压缩及上部地层的沉降会对井筒有向下的相对运动,产生竖直附加力，在井筒内产生竖直附加应力，随着埋深增加，井筒附加应力在土层与基岩面交界处达到最大。当应力超过井筒强度时，井筒出现破裂，井筒内的设备发生变形会进一步影响立井稳定性。由此可见，井筒的破坏与地层的大面积沉降有直接关系。

目前为止，已有许多专家学者对含水层长时间疏水引起固结沉降导致井壁破坏以及治理措施进行了深入研究。目前国内采用的井筒破裂防治措施主要有：

①地层注浆法。按施工方法分为“壁后注浆”和“地面注浆”两种。壁后注浆是在井筒内打钻穿过井壁对地层进行注浆；地面注浆是在地面打钻到预定深度进行注浆加固。注浆法前期效果较好，由于只是控制井筒周边的含水层的沉降压缩，加固范围有限，随着时间增长大面积地层沉降会逐渐再现，前期加固井筒容易出现二次破坏。

②卸压槽法。在附加压应力大的井筒段沿环向开一个槽，在槽内放置压缩性材料，使井筒具备一定的压缩量，达到减小井筒应力的目的。但是随着压缩变形的增加，卸压槽会失去变形压缩功能，需再次开槽，且井筒变形带来的内部管道变形问题也需要解决。

③加圈套壁法。在附加压应力大的井筒段和破坏井筒段，在井筒内再套一层井壁或是用槽钢井圈对原有井壁进行加固。加圈套壁法会占用井筒内空间，缩小井筒最小内径。由于加固原理以抗为主，时间一长加固段又出现再次破坏。

④含水层注水法。是对含水层或是主压缩层进行注水维护，缺点是时间长，注水量若控制不好会造成负面影响，水源水质选择不当会对含水层水体造成污染。

以上治理方法，都存在各式各样的问题，无法有效的解决井筒变形破坏这一问题，因此有必要研究更安全且从原理上治理井筒破坏变形的方法。

根据井筒破坏机理，井筒周围松散含水层水位在长期呈下降趋势，冲积层的压缩变形也是一个长期过程，要保持井筒不会破坏就要将地层沉降对井筒的影响减小或消除。但到目前为止还没有采用地层沉降协调法防治井筒变形破坏的先例。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是要提供一种地层沉降变形协调的防治煤矿立井井筒变形破坏的系统及方法，解决现有的煤矿立井井筒变形破坏防治方案中无法有效的解决井筒变形破坏的问题。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：本发明的防治煤矿立井井筒变形破坏的系统及方法包括地层沉降协调系统及方法，具体为协调地层的沉降变形，以防治立井井筒的变形破坏。

该系统包括立井井筒(1)、影响范围内地层(2)、竖向隔离填充体(3)、含水层注浆加固体(4)、基岩(5)、含水层(6)和影响范围外地层(7)；在基岩(5)上方存在含水层(6)，在含水层(6)中构成含水层注浆加固体(4)，含水层注浆加固体(4)充满立井井筒(1)外的含水层(6)，并延伸入影响范围外地层(7)水平向1～2m；在立井井筒(1)外设置竖向隔离填充体(3)，在立井井筒(1)和竖向隔离填充体(3)之间是初始沉降影响范围内地层(2)，在竖向隔离填充体(3)外是初始沉降影响范围外地层(7)。

所述的竖向隔离填充体(3)采用常规配比的水泥浆、黏土浆、树脂材料或是化学浆配制而成的协调材料进行竖直填充；所述的竖向隔离填充体(3)填充深度要求深入到基岩层(5)1m，或穿过基岩表层的强风化层，以两者中深度最大为准。

所述的含水层注浆加固体(4)根据井筒实际情况通过地面注浆或壁后注浆形成，注浆后进行检测，以达到止水加固作用。

该井筒变形破坏方法包括如下施工步骤：

a.根据深厚松散层厚度与土层参数，计算井筒对周围地层的沉降影响范围；

b.对沉降影响范围的地层中的失水含水层进行注浆加固，采用现有注浆加固技术及设备，浆液采用常规止水加固水泥浆或化学浆，达到止水加固的目的；

c.选择竖向隔离填充体(3)的协调材料对影响范围的地层边界进行竖直填充，材料能起到隔离地层竖向力，并能传递地层水平力的作用；

d.竖向隔离填充体(3)的填充深度深入到基岩层1m，或穿过基岩表层的强风化层，以两者中深度最大为准，填充方法可采用单钻孔或多孔连续作业，钻孔同时进行填充，最终形成筒形包围。

步骤a中，根据深厚松散层厚度与土层参数，取经验值来确定井筒对周围地层的沉降影响范围，经验值取R＝5r₂，其中r₂为井筒外半径，或者通过通用数值模拟软件进行数值模拟确定初始沉降影响范围。

步骤b中，对所述的沉降影响范围的地层中的失水含水层(6)进行注浆加固，注浆范围可稍大于沉降影响范围，形成所述含水层注浆加固体(4)，达到止水加固的目的；前期已进行过注浆加固且加固范围达到要求的井筒可忽略此步骤；

所述竖向隔离填充体(3)的协调材料为常规配比的水泥浆：水与水泥的比例不要大于0.5，砂不要超过水泥的3倍；黏土浆：钙处理泥浆、甲基泥浆、乳化沥青泥浆以及油包水活度平衡泥浆常用黏土浆液；或是化学浆液材料：尿醛树脂浆液、水玻璃浆液、聚丙烯酰胺浆液常用护壁类化学浆液；对协调材料的基本要求为成型后边界光滑，与土层之间的摩擦力较小，起到隔离作用。

所述的填充方法采用竖向单钻孔或多孔连续作业、或者采用其他填充方法将材料进行垂直填充；所述的钻孔同时进行填充，整体填充后最终形成筒形包围：对选定的协调范围进行钻孔，钻孔方式采用对称间隔方式，钻掘到预定深度，一般深入到基岩层1m，或穿过基岩表层的强风化层，以两者中深度最大为准。

有益效果，由于采用了上述方案，从井筒破坏的原理出发，为协调地层的沉降变形，实现煤矿立井井筒变形破坏的防治方法。本方法的原理是通过竖向填充材料，将井筒周围特定范围内地层与周边区域进行隔离。本发明从协调地层沉降变形角度出发，隔离竖向变形以防止井壁附加力的产生并能保持水平力的存在以此保证立井井筒的稳定。

附图说明

图1为本发明的纵向剖面图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明的注浆加固体水平剖面图。

图中：1、立井井筒；2、影响范围内地层；3、竖向隔离填充体；4、含水层注浆加固体；5、基岩；6、含水层；7、影响范围外地层。

具体实施方式

本发明的防治煤矿立井井筒变形破坏的系统及方法包括地层沉降协调系统及方法，具体为协调地层的沉降变形，以防治立井井筒的变形破坏。该井筒包括立井井筒1、影响范围内地层2、竖向隔离填充体3、含水层注浆加固体4、基岩5、含水层6和影响范围外地层7；在基岩5上方存在含水层6，在含水层6中构成含水层注浆加固体4，含水层注浆加固体4充满立井井筒1外的含水层6，并延伸入影响范围外地层7水平向1～2m；在立井井筒1外设置竖向隔离填充体3，在立井井筒1和竖向隔离填充体3之间是初始沉降影响范围内地层2，在竖向隔离填充体3外是初始沉降影响范围外地层7。

所述的竖向隔离填充体3采用常规配比的水泥浆、黏土浆、树脂材料或是化学浆配制而成的注浆材料进行竖直填充；所述的竖向隔离填充体3填充深度要求深入到基岩层5下1m，或穿过基岩表层的强风化层，以两者中深度最大为准。

所述的含水层注浆加固体4根据井筒实际情况通过地面注浆或壁后注浆形成，注浆后进行检测，以达到止水加固作用。

该井筒变形破坏方法包括如下施工步骤：

a.根据深厚松散层厚度与土层参数，计算井筒对周围地层的沉降影响范围；

b.对沉降影响范围的地层中的失水含水层进行注浆加固，采用现有注浆加固技术及设备，浆液采用常规止水加固水泥浆或化学浆，达到止水加固的目的；

c.选择竖向隔离填充体3的协调材料对影响范围的地层边界进行竖直填充，材料能起到隔离地层竖向力，并能传递地层水平力的作用；

d.竖向隔离填充体3的填充深度深入到基岩层1m，或穿过基岩表层的强风化层，以两者中深度最大为准，填充方法可采用单钻孔或多孔连续作业，钻孔同时进行填充，最终形成筒形包围。

步骤a中，根据深厚松散层厚度与土层参数，取经验值来确定井筒对周围地层的沉降影响范围，经验值取R＝5r₂，其中r₂为井筒外半径，或者通过通用数值模拟软件进行数值模拟确定初始沉降影响范围。

步骤b中，对所述的沉降影响范围的地层中的失水含水层6进行注浆，注浆范围可稍大于沉降影响范围，形成所述含水层注浆加固体4，达到止水加固的目的；前期已进行过注浆加固且加固范围达到要求的井筒可忽略此步骤；

所述竖向隔离填充体3的协调材料为常规配比的水泥浆：水与水泥的比例不要大于0.5，砂不要超过水泥的3倍；黏土浆：钙处理泥浆、甲基泥浆、乳化沥青泥浆以及油包水活度平衡泥浆常用黏土浆液；或是化学浆液材料：尿醛树脂浆液、水玻璃浆液、聚丙烯酰胺浆液常用护壁类化学浆液；对协调材料的基本要求为成型后边界光滑，与土层之间的摩擦力较小，起到隔离作用。

所述的填充方法采用竖向单钻孔或多孔连续作业、或者采用其他填充方法将材料进行垂直填充；所述的钻孔同时进行填充，整体填充后最终形成筒形包围：对选定的协调范围进行钻孔，钻孔方式采用对称间隔方式，钻掘到预定深度，一般深入到基岩层1m，或穿过基岩表层的强风化层，以两者中深度最大为准。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：如图1所示，一种地层沉降变形协调的防治煤矿立井井筒变形破坏的系统及方法，主要由立井井筒1、影响范围内地层2、竖向隔离填充体3、含水层注浆加固体4、基岩5、含水层6和影响范围外地层7构成。所述的需要协调的地层范围为以OB为半径的地层范围。所述的竖向隔离填充体3由合适的协调材料进行竖直填充，该材料可以起到隔离地层竖向力，并能传递地层水平力的作用。所述的竖向隔离填充体3填充深度要求到达基岩面，一般深入到基岩层1m，或穿过基岩表层的强风化层，以两者中深度最大为准。所述的含水层注浆加固体4根据井筒实际情况通过地面注浆或壁后注浆形成，注浆后进行检测，以达到止水加固作用。

如图2所示，一种地层沉降变形协调的防治煤矿立井井筒变形破坏的系统及方法，所述立井井筒1和竖向隔离填充体3之间为需要协调的地层范围。

如图3所示，一种地层沉降变形协调的防治煤矿立井井筒变形破坏的系统及方法，所述的含水层注浆加固体4，通过对失水含水层进行注浆而形成，可以起到止水加固的目的。注浆加固的范围略大于需要协调的地层范围。

一种地层沉降变形协调的防治煤矿立井井筒变形破坏的系统及方法，具体实施步骤如下：

a.根据深厚松散层厚度与土层参数，取经验值来确定井筒对周围地层的沉降影响范围，经验值取R＝5r₂，其中r₂为井筒外半径，或者通过通用数值模拟软件进行数值模拟确定初始沉降影响范围。

b.对沉降影响范围内的地层中的失水含水层进行注浆，达到止水加固的目的(如前期已进行过注浆加固且加固范围达到要求的井筒可忽略此步骤)：首先进行钻孔勘探，探明含水层位置、厚度、渗透性等参数，保留勘探孔为后期填充材料时使用；然后进行注浆加固，可根据井筒实际情况选择进行地面注浆或是壁后注浆，注浆后进行检测，达到止水加固作用后进行下一步。

c.选择合适的协调材料对影响范围的地层边界进行竖直填充，材料能起到隔离地层竖向力，并能传递地层水平力的作用：采用钻孔方式的，协调材料可选择常规配比的水泥浆、黏土浆或是化学浆液材料，基本要求为成型后边界光滑，与土层之间的摩擦力较小，可以起到隔离润滑作用。所述的水泥浆是水与水泥的比例不要大于0.5，砂不要超过水泥的3倍；所述的黏土浆是钙处理泥浆、甲基泥浆、乳化沥青泥浆以及油包水活度平衡泥浆等市场常见黏土浆液；所述的化学浆液材料是尿醛树脂浆液、水玻璃浆液、聚丙烯酰胺浆液等市场上常见护壁类化学浆液。

d.填充深度达到基岩面，填充方法可采用垂直单钻孔或多孔连续作业，或者采用其他方式将材料进行垂直填充，钻孔同时进行填充，最终形成筒形包围：对选定的协调范围进行钻孔，钻孔方式采用对称间隔方式，钻掘到预定深度，一般深入到基岩层1m，或穿过基岩表层的强风化层，以两者中深度最大为准，即进行协调材料的填充，填充时监测井壁内应变变化，若变化较大及时停止填充，待稳定后继续进行填充，直至将整个协调范围填充完毕。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。