本发明属于矿井安全防控领域，尤其是千米立井井壁破裂安全防控方法
背景技术：
为了进一步加快巨厚表土层千米立井井筒安全防控体系规范化，建设，在各种煤矿井筒中推行立井井筒安全防控体系建设，对井筒安全进行统筹布建，在保证井筒正常使用的同时，为了节约公司资金投入，保障现场工作人员的安全性，通过推行巨厚表土层千米立井井筒安全防控体系重要功能的方式联动公司与相关企业参与，即对立井井筒实施安全可靠、经济实惠的安全防控体系。希望通过对这种安全防控体系重要性的大力推行，在兼顾企业利益与工作人员安全性的前提下，挺高立井井筒的安全性，最终达到互利共赢的局面。
煤矿生产力发展水平在不断提高，而井筒的安全是煤矿安全运营和高效生产的前提，所有为了确保井筒工作过程中的安全性，一定要使用安全可靠防控体系。现有专利中将安全防控系统分为几个方面，一是设备是否正确使用，防止设备的错误使用导致安全性问题，二是定期检查仪器是否损坏，三是完善井筒监测系统，四是健全的应急措施等。这些措施都是管理方面采取的措施，随着煤矿安全技术的发展，目前的管理措施已不能满足当前煤矿的安全生产需求，需要从技术层次方面提供安全措施。
技术实现要素：
为了满足煤矿的安全生产需求，为井筒提供一个更加安全的工作环境，本发明将管理与技术结为一体，形成科学的深立井井壁破裂安全防控方法。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种深立井井壁破裂安全防控方法，其特征在于，它包括以下措施：
第一：对井筒每月进行一次安全综合防控评估，及时发现井壁脱落的部位头，评估井筒可能出水情况：
第二：采取井壁补固、壁间注浆充填及周边含水层注浆加固三种加固手段，克服出水隐患，加固井筒脱落部位：
2.1：采用“清理井壁+锚杆+钢筋网+喷射混凝土”方案进行井壁补固：
(1)对井壁粉化区段进行全面清理，将井壁表面的附着物清理干净；
(2)在清理干净的井壁粉化区段采用高强螺纹锚杆全锚的方式进行加固，要求锚杆间排距为1m×1m，锚杆施工的间排距设计为1.0m，锚杆扭矩不小于80nm，锚固力不小于20kn；之后在露出的锚杆头上挂钢筋网喷浆支护；
2.2：对井筒表土段进行壁间充填加固以消除井壁出水隐患；
一是壁间注浆范围是锁口下-582m深度段；二是采用上行式注浆，必要时复注；三是注浆压力、注浆孔深度、孔口管安设等应满足现行规程、规范规定；四是注浆材料以水泥浆为主，必要时采用水泥-水玻璃双液浆；五是壁间注浆段井筒涌水量和集中出水点水量、注浆质量符合相关现行规范要求了；
2.3：对井筒周边含水层进行注浆加固
要求采用水泥—粉煤灰浆液，结束注浆的标准为：
(1)单个段高结束注浆的标准：当段高注浆量达设计量的80％-120％，且注浆终压达设计值并稳定10min时；
(2)单孔结束注浆的标准：单孔注浆量达到设计量的80％以上，且达到设计终压；
(3)注浆工程最终结束标准为：总注浆量达设计量的80％以上，或井壁竖向传感器的应变值平均提高触及预警值，或地表抬升量预警值；
第三：装备井筒五大监测系统，具体包括：
3.1：装备电阻式与光纤光栅式井壁应变和温度监测系统
要求设置15个监测层，监测位置主要集中在含水砂层，通过设置电阻式和光纤光栅式交叉监测层，形成了互补性的监测系统，掌握煤矿开采活动和土层的沉降对井筒的受力变形状态和温度情况，为井壁安全性判断提供重要基础数据；
3.2：装备井筒周边表土段主要含水层水位监测系统
在不同深度砂层分区域、分层位施工了7个水位观测孔，安装7台kj402自动水文监测分站，实现了井筒周边表土层不同砂层水位、温度的实时监测，实时评估井筒安全状态；
3.3：高精度工广形变监测系统
工广形变监测系统由高精度测量机器人形变监测系统和静力水准仪沉降监测系统组成；
3.4：装备井底水量视频监测系统
通过网络高清摄像头、视频监控平台，实现井底涌水实时远程监测；
3.5：装备矿区沉陷监测cors单基站系统；
第四：提前安设应急设施
4.1：在风井装备应急救援井架
在地面安装提升井架、绞车、稳车等抢险救援应急设施，并配置吊盘、封口盘、压风管、供水管、动力电缆、通信信号电缆、吊桶、各类提升钢丝绳及管、线卡等设施；要求封口盘和活动吊盘均设计为多片组装结构，便于事故时快速组装安装；封口盘上设有吊桶电动门；供水管、压风管、照明及通信信号电缆联合手动门；稳绳手动门，动力电缆通过卡具固定在其中一根稳绳上随活动吊盘同步下井，吊桶电动门开闭绞车安装在井架二层操作平台上；
要求压球井架选型应满足：⑴能够安全承担应急提升中的全部荷载；⑵保证足够的过卷高度；⑶满足施工材料、设备的运输及天轮平台、翻矸台布置的需要；
4.2：在井底安装应急挡水或沙门
在井筒连接处安装挡水或沙门，主要目的是防止井筒方向来砂来水；
4.3：在井底装备进口高性能渣浆泵
根据预估出水量，配备相应功率的高性能渣浆泵，可有效、及时排出含砂涌水，如河南远工泵业有限公司高性能渣浆泵4/3c-ah(r)卧式耐磨渣浆泵；
4.4：提前敷设一条从就近水源到井筒附近的管路；
4.5：成立内、外应急救援队伍
一是与具有相关应急救援抢险资质和丰富施工经验的队伍签订发生井壁出水涌砂险情时应急抢险的协议，明确双方责任和义务，确保在矿井发生险情时，抢险队伍最短时间到达，二是公司抽调部分人员成立兼职注浆队伍，由外部注浆队伍负责培训，提高注浆队伍人员业务水平；
4.6：准备应急井筒可膨胀充填材料以及井筒充填主材；
第五：当发生应急状况时采用以下措施
5.1：当井壁发生漏水、突水需要注浆时，由底卸式吊桶下放注浆材料到下层吊盘上，实施注浆施工；当井壁破裂、埙坏需要修复浇筑混凝土井壁时，将供水管改成混凝土输送管，由地面搅拌输送到吊盘工作面，进行井壁施工处理；
5.2:当井筒发生不可抢救突水、涌砂灾害时，第一，尽早在井筒内形成止水塞；其次，第二尽早用填料覆盖住出水口；第三，尽早平衡井内、外水压，其中，形成止水塞是重点中的重点，它是阻止水土溃入井下的关键；
5.2.1：形成止水塞的方法与步骤：
(1)充填车场水平以下的井筒
(2)充填马头门及其两侧巷道
该阶段充填的主要任务是为下一步充填上部井筒提供骨架基础，为减少充填材料向马头门两侧的流失量，必须以充填大料为主；
(3)充填马头门上方的井筒
该阶段充填的主要任务是在马头门上方井筒内建立可靠的滤水层；
(4)充填隔水材料
该阶段充填的主要任务是在井筒内建立可靠的隔水层；
5.2.2：用填料覆盖住出水口的充填方式为：
先用矸石、碎石或砂充填25m高井筒，；再用粘土充填5m高井筒；然后再用矸石、碎石或砂充填25m高井筒，再用粘土充填5m高井筒，以此类推，直到填料高于井壁出水口100m以上；
5.2.3：平衡井内、外水压的方法为：
当井内第一个止水塞形成后，就可一边向井内填固体充填物，一边向井内灌水，直到井内水位与井外含水层的水位齐平为止。
本发明的有益效果是
(1)本发明的防控体系为绝大部分的巨厚表土层千米立井井筒，提供了安全可靠的工作环境，提升了工作人员的生命安全，为日后的井筒安全防控体系提供了良好的基础。
(2)本发明通过五个部分对安全防控体系进行了较好的阐述，四个部分相互依存，相互包含，提升了整体安全防控体系的效果。不仅大到对整个监测系统进行盘查，而且也对细小的数值进行核查，整个方案具有很强的严谨性。每月一次大型的安全评估、三种加固手段、完善的监测系统和应急措施都为整体的井壁安全提供了专业性的监测与治理措施，这四个部分很好的诠释了安全体系的内容。
(3)本发明的第一部分每月由总工程师进行一次全面的安全评估，对立井的每一个部分都有很好的把控，可以提前做好防护措施。第二部分对井壁发生的脱落问题和消除井壁出水隐患提出了很好的加固手段。第三部分安装的五个监测系统分别对井壁的应变、温度、水位、沉降和井筒内的各种信息起到了很重要的作用，是本发明的核心。第四部分完善了井筒在发生事故的时候应急措施，为第五部分对付对应急情况提供了有力的保障。本发明较现有专利在各个方面都有了显著提高，无论是整体上还是细节上的数据处理都具有很强的优势。
具体实施方式
下面通过具体实施方式详细说明本发明的技术方案。
本发明深立井井壁破裂安全防控方法具体包括以下措施：
第一：每月进行一次安全综合防控评估；
每月由公司总工程师组织，对五大监测系统数据、井筒巡查情况、井筒涌水量等情况进行综合分析，对井筒综合安全情况进行评估，及时发现井壁脱落的部位，评估井筒可能出水情况：
第二：采取井壁补固、壁间注浆充填及周边含水层注浆加固三种加固手段，克服出水隐患，加固井筒脱落部位：
2.1井壁补固：巡查井筒发现掉块、局部脱落、井壁混凝土的粉化及长期腐蚀、强度降低，导致表面剥离脱落等情况。采用“清理井壁+锚杆+钢筋网+喷射混凝土”方案进行井壁补固。
(1)对井壁粉化区段进行全面清理，腐蚀区域清理至新鲜完整混凝土层面，非腐蚀区域将井壁表面的附着物清理干净。
(2)锚杆选用规格为φ22×2000的高强螺纹锚杆，配置高强托盘，采用树脂锚固剂全锚的方式，锚杆间排距为1m×1m，锚杆施工的间排距设计为1.0m，锚杆扭矩不小于80nm，锚固力不小于20kn；采用直径6.5mm的钢筋制备的钢筋网，钢筋的间距设计为100mm，网片规格1.1×2.0m。
(3)采用cf40喷射混凝土进行支护，喷射混凝土应尽量与原井壁规格一致，误差控制在±20mm。
2.2壁间注浆充填
为了彻底消除井壁出水隐患，对井筒表土段进行壁间充填加固。一是壁间注浆范围是锁口下-582m深度段；二是采用上行式注浆，必要时复注；三是注浆压力、注浆孔深度、孔口管安设等应满足现行规程、规范规定；四是注浆材料以水泥浆为主，必要时采用水泥-水玻璃双液浆；五是壁间注浆段井筒涌水量和集中出水点水量、注浆质量符合相关现行规范要求。
2.3周边含水层注浆加固
综合分析井筒周边含水层地面注浆基础资料：(1)水文地质资料(2)主要含水层情况(3)地层温度(4)井筒周边建(构)筑物、基础与管线等。在相邻注浆孔扩散区域互有交叠条件下，建议适当加大注浆孔间距，以实现尽量打直孔，少打造斜孔或s定向孔。(5)井架基础及副井周边建筑的沉降观测(6)井筒测斜数据(7)井壁变形监测系统。综合判断相关注浆参数。经分析必选建议采用水泥—粉煤灰浆液性能优异、浆液材料费用低。结束注浆的标准：(1)单个段高结束注浆的标准：当段高注浆量达设计量的80％-120％，且注浆终压达设计值并稳定10min时。(2)单孔结束注浆的标准：单孔注浆量达到设计量的80％以上，且达到设计终压。(3)注浆工程最终结束标准为：总注浆量达设计量的80％以上，或井壁竖向传感器的应变值平均提高触及预警值，或地表抬升量预警值。
第三：装备井筒五大监测系统，具体包括；
3.1电阻式与光纤光栅式井壁应变和温度监测系统
装备了井壁应变和温度监测系统，共设置15个监测层(150个监测点)，监测位置主要集中在含水砂层，通过设置电阻式和光纤光栅式交叉监测层，形成了互补性的监测系统，掌握煤矿开采活动和土层的沉降对井筒的受力变形状态和温度情况，为井壁安全性判断提供重要基础数据。
3.2井筒周边表土段主要含水层水位监测系统
针对巨厚表土层中含水砂层多、连通性差的情况，通过对不同深度砂层分区域、分层位施工了7个水位观测孔，安装7台kj402自动水文监测分站，实现了井筒周边表土层不同砂层水位、温度的实时监测，实时评估井筒安全状态。
3.3高精度工广形变监测系统
工广形变监测系统由高精度测量机器人形变监测系统和静力水准仪沉降监测系统组成。
(1)高精度测量机器人形变监测系统
综合利用trimbles9机器人全站仪、监测软件及网络、测控、通讯技术，实现立井井架及附属建(构)筑物的三维形变位移量的全自动采集、传输，当形变量达到预警值时，通过监测系统进行短信、声光报警等方式预警。
(2)静力水准仪沉降监测系统
综合利用gnss、静力水准仪技术及专家预警分析系统和网络通信技术。实现立井及周边沉降0.1mm级的实时在线监测和特殊情况下的多级预警，并显示动态及长期沉降规律，为相关技术研究提供基础资料。
3.4井底水量视频监测系统
通过网络高清摄像头、视频监控平台，实现井底涌水实时远程监测。
3.5矿区沉陷监测cors单基站系统；
该系统基于全球卫星导航系统技术，建立以工广为中心，覆盖范围10-20km的一个高精度、高效率、高时空分辨率的信息监测服务系统。通过实时播发的空间定位信息改正参数，实现空间信息的实时精准定位、井上下空间位置信息的精确匹配等，从而实现流动站形变数据的快速、高精度获取。可以快速、精准的获取井筒周边、井筒装备及工广等的三维形变数据。
第四：提前安设应急设施
4.1风井装备应急救援井架
提前在地面安装提升井架、绞车、稳车、等抢险救援应急设施，并配置吊盘、封口盘、压风管、供水管、动力电缆、通信信号电缆、吊桶、各类提升钢丝绳及管、线卡等设施。应急设施在施工期间即不影响矿井正常生产，又能在井筒需要抢险时及时投入使用。根据安全生产需要，因风井发生井壁破坏、突水等事故后，缩短井筒抢险准备时间，加快井筒救援工作进度。事故处理时停止通风机，拆除防爆门，(需要时通过井下风门系统将井筒调节为进风井)吊装下放吊盘，安设封口盘，吊装下放供水管、压风管及动力电缆、通信信号电缆。待设备安装到位后，由吊桶运送抢修人员、工具及材料实施抢修作业。封口盘和活动吊盘均设计为多片组装结构，便于事故时快速组装安装。封口盘上设有吊桶电动门；供水管、压风管、照明及通讯电缆联合手动门；稳绳手动门，动力电缆通过卡具固定在其中一根稳绳上随活动吊盘同步下井。吊桶电动门开闭绞车安装在+6.0m井架二层操作平台上。
井架选型应满足：⑴能够安全承担应急提升中的全部荷载；⑵保证足够的过卷高度；⑶满足施工材料、设备的运输及天轮平台、翻矸台布置的需要。
4.2提前井底安装应急挡水(沙)门
根据井底车场及巷道布置，充分分析了各通道的立体位置关系，在井筒连接处安装挡水(沙)门，主要目的是防止井筒方向来砂来水。当出水、出砂井筒表土段井壁破坏严重，采取各项抢救措施均无效、严重威胁整个矿井安全时，为保障其他井筒和工业场地设施安全，提前关闭封闭设施，以便于进行应急处置。
4.3提前在井底装备进口高性能渣浆泵
根据预估出水量，配备相应功率的高性能渣浆泵，可有效、及时排出含砂涌水。
4.4提前敷设一条从就近水源到井筒附近的管路；
4.5提前成立内、外应急救援队伍；一是与具有相关应急救援抢险资质和丰富施工经验的队伍签订发生井壁出水涌砂险情时应急抢险的协议，明确双方责任和义务，确保在矿井发生险情时，抢险队伍最短时间到达。二是公司抽调部分人员成立兼职注浆队伍，由外部注浆队伍负责培训，提高注浆队伍人员业务水平；
4.6：准备应急井筒可膨胀充填材料和井筒充填主材；
本发明井筒充填主材选择时考虑到：
(1)在井筒大量涌水的情况下，化学充填材料与涌出的水沙不可避免地混合，其化学反应生成物的质量会受到严重影响。
(2)若采取化学材料充填井筒，在抢险需要时一般厂家的库存量达不到要求，化学材料的应急生产与运输能力有限，远水不解近渴。
(3)若购置化学充填材料备用，因材料保质期短，易造成材料过期失效，造成较大经济损失。
(4)距井筒不远处有丰富的廉价地材(矸石、粘土等)和水源，且输运问题易解决。
(5)回填砂石和回灌水方法是应急填井常用方法，效果可靠。
充填井筒的最优主材为矸石、粘土和水。
本发明井筒可膨胀充填材料选自于以下三种，具体的选择根据具体情况决定；
三种井筒可膨胀充填材料为河海大学生产的3种化学充填材料，具体为：
(1)fz-g300井筒专用高性能封堵剂
其主要性能指标如下：
①早强:10小时可达10mpa，最终强度能达到70mpa。
②自流态:现场只需加水搅拌后，直接灌入，不需震捣便可填充全部空隙。
③微膨胀:充分的填满裂缝，不会收缩，不会产生二次裂缝。
④无锈蚀作用:对钢筋、钢板等无锈蚀危害。
(2)fz-s300高分子膨胀发泡剂
fz-s300高分子膨胀发泡剂是一种低粘度、双组分合成高分子材料，a、b两种高分子材料混合时发生反应且遇水产生膨胀，本身反应或发泡生成多元网状密弹性体，适合带水作业，可以很好的填充各种工程缝隙，成品抗压介于25-38mpa，同时在遇水后(掺水)时产生关联反应，发生膨胀，在膨胀压力的作用下产生二次渗压(膨胀倍数为20-25倍)。快速固化只需30s-2min，慢速固化可调至大于10min。与混凝土面具有极佳的粘结性能，粘结强度大于自身凝胶体的强度，即使凝胶体本身遭到破坏，粘结面仍保持完好，最终强度能达到20-30mpa。
(3)mpc纤维膨胀剂
mpc聚合物纤维膨胀剂具有早强、膨胀、补偿收缩和提高混凝土抗裂抗渗的作用。由于cao-mgo-al2o3-so3四种组份形成三个不同的膨胀源，它们同时水化的速度不同，在混凝土形成的过程中，建立起早期、中期、后期不同的微膨胀力，抵卸混凝土在形成过程中不同时期的收缩力，所以裂缝难以进一步发展，从而阻断裂缝的发展，达到抗裂的作用。
第五：当井筒溃水涌砂时采取以下应急措施
5.1当井壁发生漏水、突水需要注浆时，由1.6m3底卸式吊桶下放注浆材料到下层吊盘上，实施注浆施工，吊桶下放注浆材料或抢修工具时，每次装载量不得超过1000kg；当井壁破裂、埙坏需要修复浇筑混凝土井壁时，将供水管改成混凝土输送管，由地面搅拌输送到吊盘工作面，进行井壁施工处理。
5.2当井筒发生不可抢救突水、涌砂灾害时，为最大程度地减少矿井损失，必须应急充填井筒。越早建立井内、外土水压力平衡，灾害造成的损失就越小。应急填井的要点是：
首先，尽早在井筒内形成止水塞；其次，尽早用填料覆盖住出水口；第三，尽早平衡井内、外水压。其中，形成止水塞是重点中的重点，它是阻止水土溃入井下的关键。
5.2.1形成止水塞的方法与步骤：
(1)充填车场水平以下的井筒
充填物及涌出的砂首先会落入车场水平以下的井筒内。该部分可用普通砂石材料，如矸石、碎石、砂等充填，不必采用大尺寸材料。
(2)充填井底车场巷道与立井井筒连接的过渡段也就是马头门及其两侧巷道
该阶段充填的主要任务是为下一步充填上部井筒提供骨架基础。为减少充填材料向马头门两侧的流失量，必须以充填大料为主。充填大型骨架材料可考虑的充填物有：
罐笼、提升钢丝绳、废旧卡车、矿车、运输皮带、钢轨等钢质型材与板材，以及木板等、钢筋网、铁丝网等网状材料、其他大型骨架材料。或充填大型钢筋混凝土预制块(采用立体配筋长方体钢筋混凝土预制块，单块体积为1-2m3)。
或充填粗骨料：以充填块石或矸石为主，按自然堆积安息角为30°考虑，马头门两侧堆积长度必须大于10m以上，偏保守地考虑要塞满两侧各30m巷道，需填充30×2×22＝1320m3块石或矸石(松散体积)。
(3)充填马头门上方的井筒
该阶段充填的主要任务是在马头门上方井筒内建立可靠的滤水层。
(4)充填隔水材料
该阶段充填的主要任务是在井筒内建立可靠的，隔水层采用1m厚的粘土层就可起到很理想的隔水作用。
5.2.2用填料覆盖住出水口的方法与步骤
当井内第一个止水塞形成后，涌出的水砂就能存留于井筒内，这就为尽早建立井筒内、外的水土压力平衡奠定了基础。但是，为防止止水塞溃塌破坏，还需继续充填井筒。充填方式为：先用矸石、碎石或砂充填25m高井筒；再用粘土充填5m高井筒；重复1-2步，直到填料高于井壁出水口100m以上。
5.2.3平衡井内、外水压的方法与步骤
当井内第一个止水塞形成后，就可一边向井内填固体充填物，一边向井内灌水，直到井内水位与井外含水层的水位齐平为止。