CN103352700A

CN103352700A - 冲积含水层自动补充失水法预防井筒破裂的方法

Info

Publication number: CN103352700A
Application number: CN2013103410766A
Authority: CN
Inventors: 邓小林; 许延春; 王春耀; 姜春才; 左金忠; 田银同
Original assignee: Yanzhou Coal Industry Co Ltd
Current assignee: Yanzhou Coal Mining Co Ltd; Yanzhou Coal Industry Co Ltd
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2033-08-07
Also published as: CN103352700B

Abstract

本发明属于煤矿用井筒的技术领域，具体为冲积含水层自动补充失水层水位，以预防井筒破裂的方法。该方法包括自动补水钻孔的结构及方法，自动补水钻孔与上组含水层对应的有一套疏水管（桥式花管），中间隔水层段为实管，与中下组含水层对应的有一套注水管，底部是沉砂管。冲积含水层的水通过钻孔周围的砾石、疏水管进入注水孔内，在水位压差压力作用下，通过失水层的注水管注入失水层，达到补水稳定水位的目的，补水过程中涌出的沙子沉淀到底部的沉砂管，以防堵住注水管，确保注水效果，从而减缓、消除因水位下降而引起的井壁变形、破裂。

Description

冲积含水层自动补充失水法预防井筒破裂的方法

技术领域

本发明属于煤矿用井筒的技术领域，具体为冲积含水层自动补充失水层水位，以预防井筒破裂的方法。

背景技术

立井井筒是煤矿提升运输、矿井通风、管线吊装及人员上下的重要通道，是生产矿井的咽喉。井筒破坏无疑给矿井生产和安全造成重大危害，立井井筒破坏现象及危害主要有：①安全隐患巨大，包括：井壁破裂，破坏的混凝土块坠落，容易伤人和砸坏井筒内设备；罐道变形，卡罐等重大事故；井壁断裂导致出现冲积含水层向井筒内涌水、溃砂、淹井等重大灾害的可能性。②经济损失严重，包括：矿井停产治理期间影响煤炭产量；“井圈加固”、“套壁”和“卸压槽”治理影响提升、通风能力；治理工程需一定费用等。

经过二十几年的研究，特别是20世纪90年代以来，国内外建井及地质界的专家和学者对井壁破裂的机理进行了大量的调查和科学试验，从不同角度对井筒破坏原因给出了理论解释和说明，提出了包括地应力说、施工质量说、渗流变形说和井壁竖直附加应力说等主要学说。经过多年研究实践，井壁竖直附加应力说得到大多数学者和工程人员的认可。该学说认为：采矿引起新生界冲积层底部含水层水位

下降，导致深部土层固结压缩，其上面的地层不断沉降。地层在沉降过程中，由于对井壁有向下的相对运动，在外井壁产生向下的摩擦力，外井壁的摩擦力在井壁内产生竖直向下的压应力，又称附加应力。井壁压应力随埋深增大，一般在冲积层底部断面达到最大。当压应力超过井壁强度时，井壁出现破裂，井筒内的设备发生变形。由此可见，井筒破坏是经过含水层水位下降—地层压缩—井壁破裂的循序渐进过程。

目前国内采用的井壁破裂防治措施主要有⑴井圈加固井壁法，②卸压槽治理法，③套壁加固法，④地层注浆法，⑤地面钻孔注水稳定水位法等方法。实践表明，以上治理工程实施时存在一定的安全风险，包括：封堵含水层困难，井壁开裂、井壁掉块，设备变形，治理费用高等。

（1）井圈加固井壁法和套壁加固法只能作为井筒破坏治理的辅助措施，无法作为长期治理的手段；

（2）卸压槽治理法和地层注浆法一般联合使用，注浆工程在开卸压槽前实施，对地层进行加固和堵水，保证实施卸压槽工程时的安全，此种治理方法占用井筒时间长，并且随着卸压槽压实，井筒每隔几年需再次治理；

（3）地层注浆法治理工程费用高，施工过程不易控制，易造成

井口设备变形等，治理效果略好，但也无法保持井筒长期稳定；

（4）地面钻孔注水稳定水位法的缺点是：一是需要外供水源长期供水，需要投入一些注水设备和费用；二是需要额外人工管理费；三是需要投入供水管路和管路的冬季维护费；四是需要投入较高的注水费；五是注入的水质可能污染含水层。

受认知和实验水平的限制，到目前为止还没有一种采用含水层自动补水预防井筒破裂的技术。

发明内容

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，而提供了一种冲积含水层自动补充失水法预防井筒破裂的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

冲积含水层自动补充失水法预防井筒破裂的方法，包括如下步骤：

(1)施工下组水文孔,确定补水法的可行性

首先在距离井筒10—30米范围内的任意位置施工一个第四系下组水文孔，按规程进行取芯、化验，获取准确的地层地质资料，获取准确的第四系上、中、下组层位资料，确定上部各含水体与下部含水体之间的隔水层的层位，隔水层是第四系中组；该隔水层的存在可基本阻隔其上部各含水体与下部含水体之间的水力联系，并进行抽水实验、土工实验，获取相应水文资料，确定井筒附近底部存在稳定的粘土层，且含水层连通性较差，井筒附近松散含水层具有可补性，以此确定补水法的可行性；

（2）确定补水孔位置，施工上组水文孔

将下组水文孔对称位置确定为自动补水孔位置；在距离此补水孔10-15米的位置处，施工一组上组水文孔，获取上组水文资料，确定上组水具备自动注水条件；

（3）补水水源化验分析，确定上组含水层补充中下组含水层的可行性

补水孔松散层上组含水层抽水试验临近结束前半小时，取水样一件，进行工业全分析，水质检测结果表明，上组水已达到饮用标准，补入中下组失水含水层后不会对地下水质造成任何影响，因此采用上组含水层补中组含水层是可行的；

（4）施工自动补水孔

①在钻孔上端的松散表土段下入实管，管外用粘土捣实；

②在钻孔对应的第四系上组含水层区段安装疏水管；

③在第四系上组与中下组间的隔水层段下入实管，管外灌注水泥浆固定；

④在第四系中下组地层，即失水层区段安装注水管；

⑤在补水孔的最下端10米的基岩段区域下入内径127毫米,外径150毫米的实管作为沉砂管，管外水泥浆固管；

⑥在注水管上端安装层间流流量监测装置,监测注水量。

所述的疏水管为桥式花管，所述的疏水管内径325毫米,外径425毫米。

所述的注水管为桥式花管，所述的注水管内径127毫米,外径150毫米。

在①和③中所述的实管的内径325毫米,外径425毫米。

所述的注水管上端带有喇叭口，喇叭口下端外包止水物。

所述的注水管外焊8^#铁丝6道，外包120目尼龙网两层，外用间距0.15m的16^#铁丝分段捆扎，用以防止孔壁的砂子涌入。

所述的止水物为海带。

在补水孔附近设置地层应变光纤光栅观测孔，所述的地层应变光纤光栅观测孔设置于补水孔周围10-30米范围内。

所述的补水孔的终孔孔斜不得大于2°，孔深0～100m孔斜不得大于1°。

自动补水技术原理：冲积含水层的水通过钻孔周围的砾石、桥式花管进入注水孔内，在水位压差压力作用下，通过失水层的注水管注入失水层，达到补水稳定水位的目的，补水过程中涌出的沙子沉淀到底部的沉砂管，以防堵住注水管，确保注水效果。

本发明的效果是：

本发明在进行了充分的钻孔抽水实验、注水实验、含水层土工实验等科学实验的基础上，提出了冲积含水层自动补充失水法预防井筒破裂技术，并进行了工业性实验。实验表明，冲积含水层自动补充失水法预防井筒破裂方法，能够有效地防止井筒破裂。

（1）经济效益：利用地层上部含水层的水在自身重力的压力下，通过特殊的注水花管，利用地层的渗透性能，将水自动注入失水层，达到稳定失水层水位预防井筒破裂的目的，节省了地面人工注水的注水设备、注水管路、管理费、人工费等。

（2）社会效益：采用地层上部水，避免了外部水源对地层水的污染。

（3）技术效果：水位监测数据表明，失水层水位明显提高；地

层光栅监测表明，地层受压状态明显改善；井壁变形监测数据表明，井壁应变明显减小。自动补水技术效果明显，运行正常，能够起到预防井壁破裂的作用。

总之，本发明不需要外部补水系统管路，节省投资；充分利用水文内部循环，避免了外来水源对水环境的影响；节省人工管理费；不需要注水费用，是迄今为止最经济、合理的预防井筒破裂方法。

四、附图说明

图1：自动补水原理示意图。

图2：自动补水孔结构图。

图3 自动补水法水位变化量监测。

图4 自动补水法层位光纤光栅传感器应变变化量监测。

图5 第四系中组水文长观孔Q_中-4水位变化量。

图6 补水层位及邻近层位光纤光栅传感器应变变化量。

图7为补水孔累计补水量。

图8为Q_中-4孔补水前水位动态示意图。

图9为Q_中-4孔补水后水位动态示意图。

其中， 2为粘土， 4为砾，5为水泥浆，6为疏水管，7为含水层区段，8为失水层区段，9为隔水层段，10为注水管，11为沉砂管，12为实管。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的利用层间水自动补偿钻孔技术进行详细的说明。

以西风井井筒为例。

1.施工下组水文孔,确定补水法的可行性

首先在距离井筒10—30米范围内的任意位置施工一个第四系下组水文孔，按规程进行取芯、化验，获取准确的地层地质资料，获取准确的第四系上、中、下组层位资料，确定上部各含水体与下部含水体之间的隔水层（第四系中组）的层位，该组地层岩性以灰绿色粘土、砂质粘土为主，夹粘土质砂砾层，含少量砂姜及铁质结核。粘土类厚度占本组厚度的75.1％，较稳定的粘土层有4～5层，厚23.6～75.5m，平均42.4m。单层粘土厚度较大，可塑性较强，因而本组隔水性能良好，该隔水层的存在可基本阻隔其上部各含水体与下部含水体之间的水力联系，并进行抽水实验、土工实验，获取相应水文资料，确定井筒附近底部存在稳定的粘土层，且含水层连通性较差，井筒附近松散含水层具有可补性，以此确定补水法的可行性。

2.确定补水孔位置，施工上组水文孔

确定补水方案后，开始设计施工补水孔。将下组水文孔相对井筒的大约对称位置确定为自动补水孔位置；在距离此孔大约10米的位置处，施工一组上组水文孔（如果已有此区域的上部水位资料，可不施工此孔），获取上组水文资料，确定上组水力是否具备自动注水条件。

补水孔松散层上组含水层抽水试验临近结束前半小时，取水样一件，送鲁南地质工程勘察院水土测试中心进行工业全分析，水质检测结果表明：水质类型为HCO₃--Ca²⁺·Mg+型，矿化度为0.61102g/L，pH值7.5。从松散层上组水化验结果可以表明，上组水已达到饮用标准，因此，补入中下组失水含水层后不会对地下水质造成任何影响。

综上可知，第四系上组含水层富水性强，单位涌水量为1.878999 L/s.m，第四系中组含水层单位补水量为0.012708 L/s.m，且松散层上组水化验结果表明，上组水已达到饮用标准，补入中组失水含水层后不会对地下水质造成任何影响，因此采用上组含水层补中组含水层是可行的。

4.施工自动补水孔,补水装置安装：

a）、钻孔位置：距离井筒中心30米与下组水位孔对称位置。

b）、终孔层位:Q底界以下10m，设计孔深144.79m。

c）、终孔孔径：Ф91mm（抽水、注水段孔径不小于Ф110mm）。

d）、取岩芯。

e）、钻具丈量。

f）、孔斜：要求下套管前测孔斜，孔深0～100m孔斜不得大于1°，终孔孔斜不得大于2°。

g）、测井：钻孔终孔后要求必须及时对钻孔全孔进行数字测井，测井成果达到优质标准。

h）、水文观测：上组含水层抽水试验；中下组含水层注水试验。绘制水文地质综合图表，内容包括：试验地段平面图；水位、流量与时间过程曲线图；Q=f（s）、q=f（s）曲线图；水位恢复曲线图；钻孔结构图等。计算水文地质参数：渗透系数等。

i）、在钻孔上端的松散表土段下入实管12(管径内径325毫米,外径425毫米)，管外用粘土2捣实；

j）、在钻孔对应的第四系上组含水层区段7安装桥式花管(管径内径325毫米,外径425毫米)，作为疏水管6，管外填砾4；

k）、在第四系上组与中下组间的隔水层段9下入实管12(管径内径325毫米,外径425毫米)，管外灌注水泥浆5固定；

l）、在第四系中下组地层即失水层区段8安装桥式花管(内径127毫米,外径150毫米)作为注水管10,其上端带有喇叭口，喇叭口下端外包海带等止水物，管外焊8^#铁丝6道，外包120目尼龙网两层，外用间距0.15m的16^#铁丝分段捆扎,用以防止孔壁的砂子涌入；

m）、在补水孔的最下端10米的基岩段区域下入内径127毫米,外径150毫米的实管作为沉砂管11，管外水泥浆5固管；

n）、在注水管上端安装层间流流量监测装置,监测注水量。

5.自动补水实验：

要求进行地面注水试验，获得注水孔的相关水文参数。具体要求如下：

（1）孔底沉淀物厚度不应大于10cm。应防止试段岩土层被扰动。

（2）在进行注水试验前，应进行地下水位观测，水位观测间隔为5min，当连续2次观测数据变幅小于10cm时，水位观测即可结束，用最后一次观测值作为地下水位计算值。

（3）试段止水可采用栓塞或套管脚粘土等止水方法，应保证止水可靠。对孔壁稳定性差的试段宜采用花管护壁。同一试段不宜跨越透水性相差悬殊的两种岩土层。对于均一岩土层，试段长度不宜大于5m。

（4）试段隔离后，应向套管内注入清水，使套管中水位高出地下水位一定高度（或至孔口）并保持固定不变，用流量计或量桶量测注入流量。

（5）开始每隔5min量测一次，连续量测5次；以后每隔20min

量测一次并至少连续量测6次。当连续2次量测的注入流量之差不大于最后一次注入流量的10%时，试验即可结束，取最后一次注入流量作为计算值。当试段漏水量大于供水能力时，应记录最大供水量。

（6）绘制水文地质综合图表，内容包括：试验地段平面图；水位、流量与时间过程曲线图；Q=f（s）、q=f（s）曲线图；水位恢复曲线图；钻孔结构图等。

（7）计算水文地质参数：渗透系数等。

（8）自动补水试验：自2012年11月22日17时至2012年11月24日6时，共计进行了一个水位抬高的补水试验，补水试验的持续时间为37h，水位稳定时间为12h，稳定动水位为7.83m。补水结束后观测恢复水位，至2012年11月26日8时，恢复水位为70.56m。探孔深为138.80m。

通过补水试验，得到以下观测结果及结论：

a.中下组含水层单位涌水量q=0.012708 L/s·m，为弱富水性，为良好的的受补水含水层。

b.由补水孔附近水文长观孔Q_中-4水位变化（见图5）可知，11月20日至22日补水前水位比较稳定，试验补水阶段，水位平均上升了0.92m。停止补水后，水位开始恢复到0.28m。开始正式补水的初

期，水位上升速度较快，整个正式补水阶段，水位处于上升状态，水位最高点比11月20日增加了2.2m。由此可知采用上组水补中下组含水层预防井筒破坏效果明显。

c.由光纤光栅孔监测的位于补水孔附近的数据。与本次补水段深度60.66～128.67m相关的光栅有11个，编号分别为FBG0108、FBG0208、FBG0308、FBG0408、FBG0102、FBG0402、FBG0107、FBG0207、FBG0307、FBG0106、FBG0104。补水后光纤光栅反映明显（见图6），从2012年11月26日正式补水，随着补水量的增大，松散层传感器的应变变化量多数呈不同程度的增大趋势。说明补水期间，随着补水量的增加松散层应变增大，松散层受压状态有所改善。

(9)正式注水：从2012年11月22日正式补水截至到2013年2月28日，补水孔累计补水量3625.063 m³，曲线图见图7-1。

（10）自动补水期间的井筒安全监测系统正常进行：利用层间流量监测系统监测补水量；矿井水文动态监测智能预警系统监测水位变化情况；井壁变形监测系统监测井壁应变变化情况；松散层内部变形光栅监测系统监测地层应变情况；地面沉降监测系统监测地表标高变化情况。

Claims

1.冲积含水层自动补充失水法预防井筒破裂的方法，包括如下步骤：

(1)施工下组水文孔,确定补水法的可行性

（2）确定补水孔位置，施工上组水文孔

（4）施工自动补水孔

①在钻孔上端的松散表土段下入实管，管外用粘土捣实；

②在钻孔对应的第四系上组含水层区段安装疏水管；

④在第四系中下组地层，即失水层区段安装注水管；

⑥在注水管上端安装层间流流量监测装置,监测注水量。

2.根据权利要求1所述的预防井筒破裂的方法，其特征在于，所述的疏水管为桥式花管，所述的疏水管内径325毫米,外径425毫米。

3.根据权利要求1所述的预防井筒破裂的方法，其特征在于，所述的注水管为桥式花管，所述的注水管内径127毫米,外径150毫米。

4.根据权利要求1所述的预防井筒破裂的方法，其特征在于，在①和③中所述的实管的内径325毫米,外径425毫米。

5.根据权利要求1所述的预防井筒破裂的方法，其特征在于，所述的注水管上端带有喇叭口，喇叭口下端外包止水物。

6.根据权利要求1所述的预防井筒破裂的方法，其特征在于，所述的注水管外焊8^#铁丝6道，外包120目尼龙网两层，外用间距0.15m的16^#铁丝分段捆扎。

7.根据权利要求1所述的预防井筒破裂的方法，其特征在于，所述的止水物为海带。

8.根据权利要求1所述的预防井筒破裂的方法，其特征在于，在补水孔附近设置地层应变光纤光栅观测孔，所述的地层应变光纤光栅观测孔设置于补水孔周围10-30米范围内。

9.根据权利要求1所述的预防井筒破裂的方法，其特征在于，所述的补水孔的终孔孔斜不得大于2°，孔深0～100m孔斜不得大于1°。