流固耦合状态下煤矿井壁破损透水机理研究

煤矿井壁破损透水事件时有发生,给地下空间利用和矿产资源开采构成重大威胁。为了弄清井壁破损过程承压地下水存在的影响以及透水通道形成机制,采用相似理论设计模型试验并结合流固耦合数值模拟技术开展研究。结果表明,井壁与压力水直接接触不利于其承载变形能力的发展,具体体现在破坏时屈服点位置提前出现,峰值强度及峰值应变降低,宏观裂纹分布更广,这是由压力水渗入井壁混凝土时诱发的渗流场应力场相互耦合作用引起的。对照模型试验结果开展数值仿真分析,获得一套适用于流固耦合状态下井壁破损数值计算参数。基于此开展0.05、0.10、0.20、0.40 MPa孔隙水压影响下井壁破损透水全过程细观数值分析,发现孔隙水压增大使井壁承受的临界侧向荷载依次降低5.88%、17.65%、23.53%,屈服强度附近试件内部裂纹发展明显加速,裂纹不断扩展、贯通,最终形成沟通井壁内外侧壁的透水通道。0.40 MPa孔隙水压下透水通道率先出现,相对于其他3种孔隙水压提前了2.67、2.53、1.67倍计算步,说明孔隙水压越大裂纹扩展速率越快,裂纹扩展路径先径向后环向。声发射监测表明井壁破损透水前夕,事件数量先逐步增大再持续保持高位,破损后应力得到释放,声发射事件频率及数量骤降,该信号特征可作为现场井壁破损透水监测依据,为井壁突水预防和治理提供依据。

白垩系含水地层立井突水淹井治理技术

结合五举煤矿主立井在穿过白垩系含水地层时遭遇的突水淹井事故,分析了事故特点并确立治理方案,提出了西部富水地层立井普通法施工突水淹井事故的综合治理技术。以静水位施工水下混凝土止水垫截水为先导工作,实施控制性排水协同壁后注浆封水,最后进行工作面渐进式高压深孔预注浆堵水。介绍了水下混凝土止水垫的参数设计、特制底卸式吊桶和水下自流平特制混凝土配比、水下止水垫浇筑与养护工艺、止浆垫联合加固及渐进式深孔预注浆等技术。成功解决145.68 m水下360.97 m3/h的涌水井筒淹井事故,为西部地区立井普通法施工及其防治水工作积累了实践经验。

深立井突水淹井治理及恢复技术研究

结合黑龙江鹤岗鸟山煤矿副井突水淹井的特征和现场工程条件,提出了井筒恢复与突水治理的综合技术方案。方案在"先探后治,靶向注浆"设计施工的框架下,以地面和井下物探手段为先导,确定矿井突水水源和涌水通道。为确保井壁和注浆安全,先实施控制性排水,分段完成分部耦合的伞状壁后注浆后,再进行工作面置换注浆。壁后注浆时,在"先固后注,注泄结合"的原则下,确定了孔位布置、浆液选配和施工工艺。之后,结合止浆垫的受力特征,提出下部滤水上部分层浇筑的水下止浆垫施工方案,同时详细阐述了于工作面先进行置换清淤后维护井壁的分段注浆施工工艺。壁后安全注浆和工作面清淤堵水有序结合的立井突水治理方案,技术与经济效益显著,为深部立井快速安全施工积累了实践经验。

斜井过向斜构造涌水原因分析及治理

针对山西黑龙矿副斜井在掘进至裂隙发育的向斜轴部时发生涌水,涌水量约120 m3/h,对施工造成严重影响的问题,首先根据水文地质条件及涌水特点,分析判断出涌水水源和涌水通道分别为太原组灰岩水和西沟向斜轴部裂隙发育区;然后针对西沟向斜岩溶裂隙发育,是构造富水带的特点,以"引水孔排水—注浆堵水—预注浆防水"为防治水思路,采用注浆封堵掘进工作面出水点和超前探水、预注浆相结合的治理方案;最后采用打检验孔和瞬变电磁超前探测的方法对注浆效果进行检验,斜井掘进后仅局部有淋水现象,涌水量3～4 m3/h,注浆封堵效果显著。

厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理

为揭示厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理,以安徽淮南矿区某在建煤矿副井为背景,分析厚表土薄基岩钻井井筒受拉破断过程与特征,建立马头门上覆岩层弯曲变形竖向剪切拉应力力学模型,给出井筒围岩分层竖向位移函数,采用最小势能原理及弹性力学理论推导出井筒竖向拉应力解析解。分析表明,井筒马头门上覆岩层受施工多次扰动影响发生弯曲变形是产生作用于井筒之上的竖向剪切拉应力的致因;该剪切拉应力产生的作用于井筒之上的拉力由下而上积累到某一阈值,该阈值与井筒自重应力的合力超过钻井井筒极限抗拉强度时,在钻井井筒接头处发生第1次拉断破坏,其后,随着岩层弯曲变形发展,拉断处以上井筒继续受竖向剪切拉应力作用而发生第2次拉断破坏,并导致底部含水层水砂溃入井筒发生淹井事故。马头门围岩的稳定性对改变上部钻井井筒受力状态有重要影响,其上覆基岩越薄影响越大,越易发生钻井井壁拉断破坏,基岩与风化基岩弹性模量比和风化基岩与底含弹性模量比对井筒发生拉断破坏时的位置,以及对应马头门顶部最大竖向位移影响均较小。通过采用钻井井筒竖向受拉等强设计、钻井井筒底部设置壁座、马头门至钻井井筒底部基岩段设置1~2道水平隔离缝、地面L型注浆加固马头门软弱围岩等技术途径,完善现行相关设计规范,确保钻井井筒运行安全。

井筒涌水突变特征研究

根据淮南板集煤矿副井的水文地质条件,建立了井筒涌水的计算模型,分析了井筒涌水突变过程中围岩位移场和流场的变化情况。研究表明,井筒涌水过程中,首先在二含和三含交界处出现压缩变形,随着含水层水头不断损失,涌水量由大变小,地表沉降速度加快,最终主副井间松散层形成沉降盆地结构,相邻含水层的强补给造成井筒涌水发生突变。

立井修复工程冻结监测与控制

板集煤矿主、副、风3个立井井筒成井后,发生了突水涌砂淹井事故,井壁受损,采用冻结法封水修复。通过制定科学合理的冻结监控方案,加强冻结监测和分析,及时了解了冻结温度场数据变化,掌握了冻结壁发展状况,适时调整了冷冻站冻结制冷机组运行数量,不仅满足了冻结壁厚度和强度要求,保证了各井筒排水、清淤和修复施工安全,避免了冻胀力破坏既有井壁,而且节省了设备运行费用,取得了很好的技术经济效益。

井筒注浆封水技术在谦比希铜矿的应用

谦比希东南矿体主井设计井深1100m,存在井筒穿越多个含水岩层,水压及涌水量较大等问题,如何有效封堵深部地下水成为井筒建设成败的关键,针对上述问题,在深入分析涌水规律的基础上,提出了工作面超前预注浆防水技术,封水效果良好,缩短了建设工期,为类似工程提供了借鉴意义。

地面预注浆施工技术在井筒涌水防治中的应用

张集矿区地层位于裂隙破碎带且含水量丰富,为解决第2副井井筒地面预注浆施工难度大的问题,基于工程地质调研、技术设计和工业试验的方法对地面预注浆施工技术进行了研究。通过在井筒开凿前上部表土段采用冻结法施工、下部基岩段采用地面预注浆技术施工,并采用直孔和Y孔相结合的布置方式,实现了注浆、冻结和凿井"三同时"施工的目的,有效节约了工期。在整个施工过程中,采用自主研发的监控设备,实现了实时控制并获得了重要的注浆参数,同时采用压水试验的方法对注浆质量进行了效果评价。根据监测结果:1)各段终压值和注浆量均达到了设计要求,总注浆量达16 286 m^3;2)压水试验测得的地层渗透系数明显减小,井筒涌水量仅为2.27 m^3/h,说明该施工方法起到了很好的加固和堵水作用。

潘三煤矿西风井井壁突水机理分析

潘三矿西风井在累深307.2 m处发生突水事故,为了分析其突水原因,基于流固耦合理论,应用统一强度准则和弹塑性损伤力学模型,分析了井壁所承受的临界水压力P0c与不同φ值（井壁混凝土孔隙率）、不同λ/E值（混凝土损伤后的降模量和弹性模量之比）和不同σc值（混凝土单轴抗压强度）的关系。结果表明：井壁混凝土强度等级为C48时,在累深307.2 m处不会发生突水事故,突水的主要原因是井壁混凝土强度未达到其设计强度；井壁发生突水时,其混凝土单轴抗压强度σc≤19 MPa,φ的取值为0.3~0.5,λ/E≥5。

斜井穿越风积砂层水砂突涌注浆治理研究

陕西榆林金鸡滩煤矿副斜井井筒表层广泛分布厚层风积砂,由于短时间内载重运输车的重复碾压,导致斜井底板破裂,发生水砂突涌灾害,严重威胁矿井安全。针对金鸡滩煤矿副斜井水砂突涌灾害治理难题,工程前期采用水泥注浆治理,起到了很好的固砂减水效果,但是并未完全封堵涌水通道;后期通过补注化学浆液,成功封堵了残存涌水通道。结合工程实践与模型试验,分析了斜井底板破裂原因、注浆治理效果及不同种类浆液的固砂堵水机理。现场治理效果与模型试验结果表明,水泥浆液主要以树根状劈裂脉固砂为主;化学浆液以劈裂和渗透堵水为主,在封堵残存涌水通道上更具优势,因此两种类型浆液配合使用效果更佳。

严重出水涌砂斜井修复过程研究

主要介绍了金鸡滩煤矿副斜井严重出水涌砂灾害发生的过程及机理,灾害治理的原理、过程及效果。研究发现超大吨位车辆多次循环通行造成底板多处破裂、壁后砂层液化是斜井发生水砂灾害的根本原因。副斜井出水涌砂灾害治理分为2个阶段,抢险阶段采用了"木垛内撑+帮部注浆"的方案,后期加固阶段采用"U型钢棚+壁后砂层注浆加固"的方案。副斜井治理完成后,斜井前后回收及安装2个工作面的整套采煤装备,斜井没有发生出水量增加、底板破裂、出砂等不良现象,实践表明斜井修复效果较好。

副斜井出水涌砂原因分析及抢险治理技术研究

介绍了金鸡滩煤矿副斜井出水涌砂灾害发生的过程,分析发现,短时间超大吨位车辆多次通行造成副斜井底板破裂、底板下覆砂层液化,是本次灾害发生的主要原因。制定了副斜井出水涌砂抢险治理方案,即:灾害抢险治理采用了"木垛内撑+帮部注浆"的方案,后期治理采取了"U型钢棚加固+壁后土层注浆"的方案。治理完成后副斜井已恢复正常通行,没有发生重复性出水涌砂现象,实践表明井筒治理效果较好。

地面注浆封堵松散层段井筒涌水

芦岭煤矿南风井巨厚松散层段井筒涌水，采用地面注浆堵水方法获得成功。本文着重介绍地面注浆堵水钻孔布置。

井筒冻结孔解冻涌水发生机制及其控制技术

针对冻结井筒解冻后频繁发生涌水灾害的情况,通过工程实例分析了冻结技术、井筒地层条件及解冻涌水特征。结果表明,涌水发生是由于解冻后冻结止水帷幕失效,冻结管周围地层介质渗透性增强,介质接触界面粘结强度降低而致界面缝隙扩大连通,使冻结钻孔连通含、隔水层而形成竖向导水通道,通道内高压水通过井筒薄弱部位发生涌水。采取在井筒外围适宜地层开挖环形巷道,在环形巷道内逐个切断冻结管并向冻结管内外注浆加固,最后将环形巷道用混凝土回填,形成人工隔水塞层。利用RFPA2D–Flow渗流耦合模型验证了该治理方案的可行性,且利用FLAC3D程序计算出环形巷道距离井壁7.50 m是最佳开凿位置。经该措施处理后的井筒涌水由原来的90 m3/h降低至2 m3/h,且井筒保持了稳定。

榆林矿区厚松散层矿井水文地质特征与井筒涌水分析

西北地区地质结构和岩层含水条件不同于东部地区。为研究榆林矿区厚松散层和砂层地质结构条件下的矿井涌水情况,以袁大滩煤矿为工程背景,分析了矿井水文地质特征,计算了井筒涌水量,对矿井涌水进行了评价。结果表明:矿井岩层裂隙丰富,上覆松散层含水层和砂岩含水层较厚,对井筒安全使用存在威胁;主斜井、副斜井、进风立井和回井立井的井筒涌水量分别为243m^3/h、388m^3/h、1409m^3/h和1388m^3/h;袁大滩煤矿比榆阳煤矿、榆树湾煤矿的井筒涌水量大,进风立井涌水量特别显著,在开采过程中应该加强防水措施。

千米深盲竖井下行前进式注浆堵水施工技术

三山岛金矿是山东黄金主体矿山之一,现进入全面深部开拓、回采阶段,深部主要开拓工程区域距地表距离已超过1 000 m。盲竖井掘进工程至-1 070 m工作面时出现涌水量达46 m3/h的含水裂隙带,如何采取科学有效的治水方案,确保掘进工程的安全进行,已成为矿山亟待解决的问题。在此背景下,优化下行前进式注浆法的设计参数与实施方案,选用合理的注浆设备及材料;在详尽观测涌水部位并确定合理注浆孔施工顺序的基础上,在现场分3次进行了90 m段高的注浆作业。注浆方案在现场的实施取得了良好的防、堵水效果,注浆后的总涌水量小于0.5m3/h,为盲竖井掘进工程通过含水断层区域提供了安全可靠的保障;该注浆方法对类似金属矿山深井突水灾害的防治具有一定的指导与借鉴意义。

釜山进风井突水治理

立井井筒涌水的治理是立井施工的一个难点和研究课题。分析了长平矿釜山进风井突水治理中采用强排后再进行工作面预注浆的方法。

金鸡滩煤矿副斜井突水涌砂原因与抢险治理措施

以金鸡滩煤矿副斜井井壁破裂,导致严重突水涌砂灾害的抢险治理工程为背景,分析了造成井壁破裂突水涌砂灾害的原因,与抢险工程措施。副斜井在大吨位车辆循环碾压的过程中造成底板破裂,下覆砂层液化,造成突水涌砂灾害,地表快速发育多个塌陷坑,随时有溃砂淹井的风险。采用临时木垛支撑,有效缓解了井壁变形速率,结合帮部破壁注浆技术,有效封堵了水、砂来源与通道,达到了抢险治理的目的,为井筒的整体修复赢得了宝贵时间。

银河煤矿副斜井破裂及出水携砂底板治理措施

银河煤矿二号副斜井底板结构薄弱,已出现破裂及出水携砂现象,有涌水溃砂灾变风险。根据具体情况,对破裂及出水携砂段底板,设计采用“工字钢地梁+底板注浆”的整体治理方案。即首先在底板破裂段,架设工字钢地梁,梁间填筑混凝土;然后注浆加固底板下卧土(砂)层。注浆过程中,通过安装斜撑、控制压力、底板监测等措施,保证了底板安全。治理完成后,斜井底板出水量大幅减小,携砂现象消除,未再出现底板破裂、出水量增加等现象,治理效果较好。