厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法

本发明属于煤炭资源开采与矿井建设领域，具体涉及一种厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法。

背景技术：

1、煤矿立井井筒一旦发生破损将严重威胁矿井生产安全，并造成重大经济损失。目前，多数已发生破损的煤矿深立井井筒所穿越地层具有松散层深厚基岩薄的特点，且厚松散层底部含水土层（底砾层，下称“底含”）多直接覆盖在煤系地层（薄基岩）之上，煤矿生产导致底含疏水，引起井筒周围土层产生二次固结沉降，产生作用于井筒之上的竖向附加力，该竖向附加力导致煤矿立井井筒发生竖向受压破损。

2、为避免厚松散层底含疏水固结产生的竖向附加力引起立井井筒破损，根据井筒破损机理，提出了基于“竖让横抗”设计原则的“开切卸压槽+壁后注浆”和“地面注浆加固井筒周围地层”二种治理方法，取得了预期良好效果。但是，现有的井筒破损修复防治技术均为建井期井壁设计和井筒破损后的修复加固措施，厚松散层底含疏水固结这一工程地质灾害风险一直存在于煤矿立井井筒修建与运营期间，难以确保煤矿立井井筒安全。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法，可避免煤矿立井井筒受厚松散层底含疏水固结产生的竖向附加力作用导致破损。从厚松散层底含疏水固结特性出发，在煤矿立井井筒修建之前，采用疏排+注浆（疏-注）联合加固技术，从根源上解决底含后期疏水固结问题以确保立井井筒周围地层稳定及井筒安全。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法，所述底含疏-注加固方法包括如下步骤：

4、步骤s1，立井井筒及首采区规划设计：根据矿区开采规划，选取立井井筒轴心位置地表坐标o(0,0)，设计首采区首采工作面布置区域角点abcd，建立平面坐标系0xy，确定立井井筒的设计参数，设计参数包括内直径 r1、外直径 r2、厚度 m、深度 h、立井井筒的施工方法；所述施工方法包括钻井法和冻结法；

5、步骤s2，现场钻孔取芯：在以立井井筒轴心位置地表坐标o(0,0)为圆心， r为半径的区域内，钻取芯孔进行取芯，获得地层参数，地层参数包括厚松散层厚度 h1、薄基岩厚度 h2、底含厚度 m1；

6、步骤s3，疏水孔布置：以立井井筒轴心位置地表坐标o(0,0)为中心，布置疏水孔；

7、步骤s4，水文观测孔布置：在最外圈疏水孔外侧和立井井筒轴心位置地表坐标o(0,0)处钻水文观测孔；

8、步骤s5，地表测点布置：沿立井井筒轴心位置地表坐标o(0,0)呈发散状布置多条观测线，观测线上布置地表测点；

9、步骤s6，底含疏水；

10、步骤s7，疏水孔后处理：外圈疏水孔注入微细水泥浆，内圈疏水孔留作水文观测孔；

11、步骤s8，立井井筒施工。

12、进一步地，在上述厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法中，所述步骤s1中，所述平面坐标系0xy确定方法如下：选择立井井筒的轴心地表点为坐标原点o(0,0)，由所述坐标原点o(0,0)指向矿区首采工作面中心地表点a为x轴正向，过所述坐标原点o(0,0)、垂直x轴且正方向符合右手规则的直线为y轴正向，所述步骤s2中，所述取芯孔穿越厚松散层和薄基岩，通过取芯孔钻取芯样，获得厚松散层厚度 h1、薄基岩厚度 h2、底含厚度 m1；所取芯样的长度>10cm、直径>50mm，将所述芯样制备成底含试样。

13、进一步地，在上述厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法中，所述步骤s2中，通过对取芯孔在底含层位进行压水试验或抽水试验测得底含渗透系数 k1，通过对所述底含试样进行室内试验测试测得压缩指数 cc1，室内试验测试的步骤包括：

14、步骤s21，采用高级固结仪进行；

15、步骤s22，装样后对所制底含试样施加初始孔隙水压力 pw和轴向力 pa， pa=2* pw=（20* h）kpa， h为底含平均深度，m；

16、步骤s23，保持轴向力 pa不变，将孔隙水压力 pw降为零，记录所述底含试样疏水过程的压缩变形量，计算压缩指数 cc1。

17、进一步地，在上述厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法中，所述步骤s3中，所述疏水孔有n圈，n=2~5，由内向外依次为a圈疏水孔、b圈疏水孔、c圈疏水孔、d圈疏水孔和e圈疏水孔，2~5圈疏水孔的圈径为30m~100m，每圈包括8~16个疏水孔，相邻的两圈疏水孔相距20m~40m，相邻的两圈疏水孔错开布置；所述疏水孔的孔径为5cm ~15cm。

18、进一步地，在上述厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法中，所述步骤s4中，在最外圈疏水孔外侧布置三圈水文观测孔，三圈水文观测孔分别距离最外圈疏水孔50m、100m和200m；所述水文观测孔的直径为5cm~8cm，每圈水文观测孔包括4个水文观测孔，4个水文观测孔成正交布置；相邻的两圈水文观测孔错开布置；最内圈的所述水文观测孔的相邻孔之间连线的中点也布置水文观测孔。

19、进一步地，在上述厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法中，所述步骤s5中，在所述平面坐标系0xy的x轴和y轴的正向与负向布置观测线，在观测线上布置地表测点；所述同一观测线上相邻地表测点的间距为10~50m，靠近矿井轴心附近可适当增加地表测点的数量；所述同一观测线上的所述地表测点自立井井筒轴心位置地表坐标o(0,0)向坐标轴正向和负向呈双向变疏布置，靠近立井井筒轴心位置地表坐标o(0,0)处的地表测点间距为10m，最外侧的地表测点间距为50m；距离立井井筒轴心位置地表坐标o(0,0)最远处的地表测点与最外圈水文观测孔所在圆的直线距离大于200m。

20、进一步地，在上述厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法中，所述步骤s6中，对所述厚松散层底含通过所述疏水孔抽水的方式进行底含疏水，同圈疏水孔同时疏水，不同圈疏水孔采用跳跃式疏水，跳跃式疏水是指不同圈疏水孔的相邻疏水孔不同时疏水；待全部疏水孔疏水结束后静置24小时，然后在立井井筒轴心位置地表坐标o(0,0)处进行抽水试验，按公式1计算地层渗透系数 k2：

21、                  公式1

22、在公式1中， q为o(0,0)抽水量； r1、 r2为与o(0，0)抽水点共面的两个水文观测孔与o(0,0)抽水点轴线的距离； h1、 h2为所述两个水文观测孔的水位；

23、所述厚松散层底含上面若有厚度大于50m的含水层，厚度大于50m的所述含水层也要进行疏水。

24、进一步地，在上述厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法中，所述步骤s6结束后，钻2~4个孔取芯，获取疏水后底含厚度m2，通过室内试验测得压缩系数 cc2，通过计算获得底含压缩变形量△m：

25、△m=m1-m2                   公式2

26、 cc2<0.2时，所述底含经疏水固结后属于低压缩性土；0.2< cc2<0.4时，所述底含属于中等压缩性土；0.4≤ cc2时，所述底含属于高压缩性土；

27、所述底含的压缩指数 cc2<0.2且渗透系数 k2小于10-6cm/s时，底含疏水结束，当渗透系数 k2大于10-6cm/s或0.2≤ cc2，均需进行下一轮疏水，直至达到疏水结束标准。

28、进一步地，在上述厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法中，所述步骤s7中，外圈疏水孔通过低压方式注入微细水泥浆，内圈疏水孔留作立井井筒和工业广场后续生产运营期的水文观测孔，所述外圈疏水孔注浆时，所述内圈疏水孔和所述立井井筒轴心位置地表坐标o(0,0)处同时进行抽水；所述外圈疏水孔注浆完成1个星期后，在所述立井井筒轴心位置地表坐标o(0,0)处进行抽水试验，采用公式1计算渗透系数 k3，同时在其外侧1m~2m处钻2个孔取芯，通过室内试验测得压缩系数 cc3，确保 k3小于10-6cm/s且 cc3<0.2。

29、进一步地，在上述厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法中，所述待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法适用于厚松散层薄基岩地层和常规地质条件，当所述煤矿立井井筒采用冻结法施工时，所述疏水孔根据冻结法设计要求继续作为冻结孔、冻结泄压孔和水文观测孔；当所述煤矿立井井筒采用钻井法施工时，所述疏水孔根据钻井法设计要求继续作为水文观测孔。

30、分析可知，本发明提供的厚松散层薄基岩待建煤矿立井井筒底含疏-注加固方法，从厚松散层底含疏水固结特性出发，在煤矿立井井筒修建之前，采用疏排+注浆联合加固技术，在根源上解决了底含后期疏水固结问题，确保了立井井筒周围地层稳定及井筒安全。一方面可避免后续井筒疏排水造成底含疏水沉降（底含疏水沉降会产生作用于井筒的竖向附加力）；另一方面，可降低煤矿立井井筒附近底含（疏水含水层）的渗透系数，预防后续厚松散层薄基岩下采煤作用引发矿区上方厚松散层底部含水层疏水对工业广场及矿井影响。

31、该发明填补了目前尚无可从根源上避免煤矿立井井筒受厚松散层底含疏水固结产生的竖向附加力作用导致其破损的防治技术的空白，为后续开展煤矿开采沉陷区防治与确保煤矿立井井筒运营安全提供了基础。