注水法预防井筒破坏机理及其工程应用

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1、摘要摘要井筒是煤矿的咽喉，井筒的稳定与否关系到煤矿的人员安全和经济效益。1987年以来，黄淮地区立井井筒破坏时有发生，给煤矿安全生产带来巨大威胁。经过多年的研究和实践发现，深厚松散冲积层底部含水层疏水是导致井筒破坏的根本原因。为保证井筒长期安全稳定，基于井筒破坏的机理，提出了一种注水稳定水位的方法预防井筒破坏并应用于煤矿现场。然而，在注水过程中，发现注水流量逐渐减小，注水效果逐渐减弱，其根本原因在于对注水法预防井筒机理认识不足。本文以济三煤矿注水法预防井筒破坏为工程背景，在分析了松散冲积土层的工程性质以及深部黏土失水的变形机

2、理的基础上，通过理论分析和现场实测，研究注水过程中水位变化、地层变形和井壁垂直微应变三因素的耦合关系，进而提出了注水有效性的工程判据以及合理注水效率的判定准则。同时，通过相似模拟和数值模拟研究了注水过程中砂土细小颗粒运移的宏、细观规律及其内在机理，探索了偏心注水的可行性，提出了增大流量的技术防治措施，建立了立井非采动破裂的的判别模型，并探讨了注水法在水位大降深工况下应用的可行性及合理的技术防治途径。论文的主要研究内容和结论如下：（1）通过对黄淮地区多个矿区79组深埋黏土物理力学性质分析，得出深埋黏土的密度随埋深整体呈增大的趋

3、势，黏土液性指数随着埋深的增大而减小，说明埋深增大，黏土由可塑向硬塑或半固态转变，黏土流动性变差。通过容量瓶和热重分析，得出黏土吸附结合水的含量大于黏土的含水率，得出黏土中的水全部为吸附结合水，含水层疏水黏土不变形的结论，并对黏土中结合水存在形式的温度界限进行了划分。通过XRD测试，得出深埋黏土的矿物成分主要为高岭石、伊利石和石英，部分黏土夹杂着蒙脱石和长石等，说明深埋黏土具有吸水膨胀的特点，并从微观角度分析了疏、注水过程中黏土、砂土释水和吸水的过程，阐述了注水法预防井筒破坏的微观机理。（2）通过对济三煤矿井筒附近的地质条件

4、分析发现，工业场地冲积层底部存在比较稳定的黏土层，具有底含厚度小、渗透系数小、连通性较差的特点，对注水法防治工程的实施有利。同时，从时效性、经济性等方面对济三煤矿采用注水法的适用性进行了综合分析，得出济三煤矿井筒附近地层具有可注性，采用注水法预防井筒破坏具有可行性。（3）根据地下水动力学知识，推导了稳定流注水群井水头分布公式，奠定了注水法可行的理论基础。根据土力学知识，推导了注水过程中地层膨胀量和井壁垂直附加应力公式，从宏观力学的角度揭示了注水法预防井筒破坏的机理。①群井注水水头分布公式：I中国矿业大学（北京）博士学位论文Q

5、10hH[lnRln(rr…r)]12n2kMn②注水过程中地层膨胀量：'0.01hSh()HHww01EE③注水后水位恢复至注水前水位井壁附加应力释放量：'0.674zz2RHGgSKgRlf1其中，z22aRRKgR00（4）采用专门的NM2dc数值模拟软件研究了疏、注水条件下井筒受力和地层变形的内在机理，得出水位下降，井壁产生竖直向下的附加应力，水位上升，井壁附加应力明显减小。注水过程中地层发生抬升，井壁垂直压应力减小，且在注水位置地层抬升量最为明显，注水呈环形向周围扩散

6、，随着与注水距离的增大，地层抬升量逐渐减小。模拟结果表明，注水法能有效预防井筒破坏。（5）通过短期工业试验和长期注水防治工程实测分析，得出：短期注水取得了良好的预期效果，即水位上升，地层膨胀，井壁垂直微压应变减小，短期注水水位变化量、地层微应变变化量和井壁垂直微应变化量三因素存在良好的耦合关系。地层微应变变化量与水位变化量整体上符合y=aebx的函数关系，其中，y为地层微应变变化量，x为水位变化量，a、b为常数；井壁垂直微应变变化量与地层微应变变化量呈二项式z=k21y+b1y+c1函数关系，其中，z为井壁垂直微应变变化量，

7、y为地层微应变变化量，k1，b1，c1为常数。长期注水过程中，防治效果减弱，尚未达到稳定水位、减小井壁垂直压应力的目的。注水流量逐渐减小，受注水不均匀的影响，导致局部水位变化量、地层微应变变化量和井壁垂直微应变变化量三因素的耦合关系差异性大，尚无统一的函数关系可以描述。（6）对短期和长期注水效果进行了定量评价，得出短期注水逆向改变了井壁垂直微压应变增大的趋势，长期注水虽然没有改变井壁微压应变增大的趋势，但有效缓和了井壁微压应变增大的速率。结合前期工业试验注水的经验，提出了注水有效性指数k的工程判据以及合理注水效率的判定准则。

8、①注水有效性指数k的工程判据：k的计算公式为：k=(y-b)/x，式中，k为有效性指数，即井壁垂直微应变与注水时间线性拟合的斜率，y为井壁垂直微应变，x为从注水开始到某时刻所经历的时间（月），b为常数。k的工程判据为0k35，注水效果理想，可长期维持井筒稳定k0，注水效果不佳，