井筒出水涌砂灾害机理及防治

　　摘要:井筒发生出水涌砂灾害，将严重威胁整个矿井安全.以近年来我国发生的典型井筒水砂灾害为背景，系统分析了井筒发生水砂灾害的原因、影响因素、过程及危害，提出了井筒水砂灾害防治措施，可为井筒水砂灾害防治提供借鉴.

　　关键词:井筒;出水涌砂;壁后注浆;防治

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　　井筒被称为矿井的“咽喉”.井筒发生出水涌砂灾害(简称“水砂灾害”)，将严重威胁整个矿井安全.据统计，近20a间，我国多个已建成井筒发生过水砂灾害.井筒发生水砂灾害，可能造成矿井停产、井筒报废、矿井被淹等恶性事故.比如，2013年11月份，郑州李粮店煤矿副井井壁出现出水喷砂现象，出水喷砂量最大达350m3/h[1]，致使副井井筒以及周边地表沉降、井筒及地面设施受损，整个矿井被淹.现以郑州李粮店煤矿副立井、榆林金鸡滩煤矿副斜井、永城城郊煤矿东风井、济宁金桥煤矿副立井、巨野龙固煤矿主井等典型井筒水砂灾害为例，系统分析井筒发生水砂灾害的原因及危害，提出井筒水砂灾害防治措施.

　　1井筒出水涌砂灾害发生机理

　　井筒发生出水涌砂灾害必须同时具备2个条件:一是壁后存在饱和砂层，二是砂层对应位置井壁出现破裂现象或空洞.

　　1.1壁后砂层的流动性

　　砂层的流动性决定着井壁出水涌砂强度.砂层流动性与砂层的黏土含量、粒度组成、所处的应力状态及水压环境有关.(1)黏土含量及粒度组成对砂层流动性的影响岩层流动性与黏土含量密切相关.砂层随着黏土含量的减小，渗透系数增大，富水性增大，流动性增强[2].黏土层一般不发生水砂突涌渗透变形破坏;黏粒含量较小的粉土、粗砂和砾砂层，最容易发生突水、涌砂等水砂突涌渗透变形破坏[3].另外，砂层流动性与砂的粒度组成密切相关.颗粒较粗，孔隙较大的砂层，排水容易，不易出现涌砂现象;粉细砂最易产生流动，出现涌砂现象[4􀆼5].

　　目前已发生的较为严重的井壁水砂灾害，多是在细砂层中.(2)应力状态及水压环境对砂层流动性的影响一般情况下，砂层埋深越大，所承受的应力越大，水压越高.目前，全世界穿越埋深最大砂层的井筒为我国菏泽万福煤矿回风立井，砂层埋深达752m.该井筒冲积层厚度达到757m，冻结深度840m.在砂层处于封闭状态时，砂层所处应力状态及水压越高，其稳定性越强，流动性越弱.一旦井壁出现破裂，含水层承受的压力越大，裂缝通道内，相同时间内的孔隙水压力提高较快.当水力梯度增大至超过砂土液化的临界水力坡度时，就会对裂隙通道附近砂层产生较大的动水压力和渗透破坏力，使得在较大范围内，形成液化状态，进而造成出水涌砂现象[6].

　　砂层所处水压越高，水力梯度越大，井壁出水涌砂现象越强烈.井筒发生水砂灾害的砂层埋深一般较大.比如金桥煤矿副立井、李粮店煤矿副立井、城郊煤矿东风井发生水砂灾害的砂层，埋深分别达到220，280和414m.

　　1.2井壁出水涌砂通道形成井壁出水涌砂通道形成主要有3种形式:

　　(1)井壁不合理的人工造孔，形成出水涌砂通道.井筒在砂层段造孔，必须先在不钻穿井壁的情况下，安装孔口管及防喷阀门;然后在原位套孔钻进，揭露壁后土层.如不安装孔口管或孔口管安装不牢靠，则可能造成出水涌砂事故.1999年8月，济宁金桥煤矿副立井在井深220m处的井壁上钻孔时，在未安装孔口管的情况下，直接钻穿井壁，水与砂从钻孔喷出，无法控制，造成整个矿井被淹[7].

　　(2)人为不合理使用，造成井壁破裂，形成出水涌砂通道.不合理使用造成井壁破裂，这种情况主要发生在斜井中.斜井采用无轨胶轮车运输过程中，一旦胶轮车载重量大于斜井承载能力，则可能造成斜井底板破裂，进而形成出水涌砂通道.榆林金鸡滩煤矿2016年8月安装综采最大一次性采高8.2m(世界纪录)的采煤设备时，利用胶轮车，从副斜井运输采煤装备(单车质量220t)过程中，里程230~300m段斜井底板多处发生破裂，很多裂隙出水涌砂，造成矿井减产.

　　(3)井壁自身应力环境变化，造成井壁破裂，形成出水涌砂通道.由于采矿活动或抽排水，使得第四系含水层水位下降，土层固结压缩，引起上覆土体下沉;土体下沉过程中，与立井井筒发生相互作用，对井壁产生1个巨大的竖直向下的附加力，并随着土层变形的增大而增大;立井井筒在竖直附加力作用下，达到井壁破坏强度时，便会发生破裂[8􀆼9].上世纪80年代末期至今，我国兖州、济宁、淮南、淮北、大屯、徐州等东部矿区的100多个井筒，不同程度地发生过破裂变形和水砂灾害，不但造成了数百亿直接经济损失，也成为了井筒安全运营的重大安全隐患[10].另外，井壁注浆过程中，注浆压力控制不当、井壁混凝土腐蚀等，也可能造成井壁破裂，形成出水涌砂通道.

　　1.3井壁出水涌砂过程

　　井壁出水涌砂通道形成初期，井壁出水涌砂强度一般较弱.但随着时间的推移，水砂流量会快速增加;严重时，可造成淹井等恶性事故.特别是当出水涌砂层位较深时，壁后砂层所处水压及地压大，一旦井壁破裂，形成出水涌砂通道，水砂会呈现喷射状涌出.水砂喷射状流动具有巨大的冲击力，水力喷砂技术已应用于割缝射孔[11􀆼12].水砂从通道涌出过程中，通道被逐渐冲刷，通道的规格逐渐扩大，水砂流量快速增大;同时随着水砂涌出，壁后砂层逐渐被掏空，壁后土层发生沉降，井壁应力状态改变，也可能造成井壁进一步破裂，进而增大出水涌砂强度.

　　综上所述，井壁出水涌砂过程一般呈现出水涌砂流量快速增加及出水涌砂通道增大的“双增”过程.2013年11月，李粮店煤矿副立井井壁出水涌砂初期，水砂混合物流量为20m3/h;1h30min后，增大至200m3/h;4h50min后，增大至350m3/h[1].2016年8月，金鸡滩煤矿副斜井出水涌砂初期，出水量为29m3/h，水中含砂量为0.4%;15d后，出水量增加至72m3/h，水中含砂量增加至16%[13].图1所示为金鸡滩煤矿副斜井出水量及水中含砂量实测曲线.

　　1.4井壁出水涌砂危害

　　井筒发生大流量水砂灾害，当水砂流量大于矿井抽排能力时，将会导致矿井被淹.另外，井筒大流量长时间出水涌砂，会造成井筒以及周边地表沉降，井筒及地面设施受损.李粮店煤矿副立井出水涌砂，造成整个矿井被淹，地面形成以井筒为中心的降落漏斗，最大下沉量达到2.7m，致使距离井筒中心407m的京广高速铁路此处，火车经过时，速度由310km/h降为120km/h，限速运行[1].金桥煤矿副立井出水涌砂，同样造成矿井被淹及地表沉降[2].

　　2井筒出水涌砂灾害预防

　　2.1井壁造孔工艺完善

　　在砂层段造孔，必须选择在井壁相对完好的区域进行，初钻深度不得大于井壁厚度，并且至少预留100mm安全距离;安装孔口管及高压防喷阀门后，进行压水试验，试验压力需达到壁后水压的1.5倍.要确保孔口管安装牢靠后，再原位套孔钻进，进入壁后砂层.钻进过程中，一旦出现顶钻、喷砂等现象，必须及时拔出钻杆，关闭防喷阀门.

　　2.2井壁破裂预防

　　井壁破裂预防主要有2种措施:一是在井壁上安装变形监测系统，实时监测井壁混凝土变形，及时预测井壁变形破裂时间及破裂位置，提前采取预防性治理措施;二是对壁后砂层注水，保证壁后砂层水位稳定，防止因水位下降而导致井壁破裂.东滩煤矿西风井2012年11月开始壁后补水;补水后，砂层水位回升.地层在注水后，产生膨胀拉伸变形，达到了补充含水层失水、抑制地层变形的目的[13].

　　2.3井筒通行能力评价

　　随着近年来煤矿产能的增大，所需采煤装备的单重逐渐增加;而在井筒建设阶段，并未前瞻性地留足安全系数，导致在利用井筒运行超大吨位装备时，可能造成井筒破裂.在非常规超大装备运输前，需对井筒运行承载能力进行评价.可采用理论计算及数值分析的方法，进行评价;也可在井筒安装相应监测设备，进行由轻到重的装备试运，采集相关数据，进行评价.一旦发现井筒承载能力可能不足，则可采用分体运输、大面积分载运输的方式，进行非常规超大装备运输.在运输过程中，要实时做好井筒观测工作，同时要避免多运输机械连续运输.

　　3井壁出水涌砂灾害治理

　　3.1出水涌砂点快速封堵

　　井筒发生出水涌砂灾害后，及时快速封堵出水涌砂点，可及时遏制灾害发展.封堵出水涌砂点前，需做相关分析，弄清水砂来源及流通通道.出水涌砂点的封堵，一般先在出水涌砂点周围井壁质量相对较好的区域，施工多个分流孔，通过分流孔的作用，大幅减小出水涌砂点的水砂流量及压力;然后直接对出水涌砂点注浆封堵.济宁金桥煤矿副立井[2]、巨野龙固煤矿主井均采用该方式，治理出水涌砂.

　　3.2出水涌砂动平衡处理

　　李粮店煤矿副立井井壁出水涌砂时，最大流量约350m3/h，地表沉降及塌陷快速发展.为此，该矿及时向井筒回灌水，有效控制了井筒地面塌陷速度及强度[1].在出水涌砂初期，出水砂源水压、地压大，水砂源充足，补给畅通;井筒与壁后水砂源的巨大压力差，导致水砂畅通无阻地向井筒突涌.而及时向井筒回灌水，可使井筒与壁后水砂源压差逐渐减小，出水涌砂强度也相应逐渐减小，并逐渐形成压力动态平衡.

　　3.3壁后砂层加固

　　井筒经历水砂灾害后，井壁受损，壁后砂层整体性受到破坏，需对壁后砂层及井壁进行加固，以确保井筒长效安全运行.壁后砂层加固一般采用注浆法施工，通过浆液在砂层中的劈裂渗流扩散，来增加砂层整体稳定性.金鸡滩煤矿在抢险完成后，采用壁后注浆方式，对副斜井壁后砂层进行加固，各孔均注浆2次.钻孔穿过井壁时，进行首次注浆;待浆液固化后，在原位套孔钻进，进入壁后土层2.0m时，进行二次注浆，注浆终压1.0MPa.注浆过程中，井壁未出现新生破裂现象.注浆后，段内出水量由34.8m3/h减小至2.5m3/h[14].

　　3.4破损井壁加固

　　破损井壁加固采用架设金属支架、井圈的方式进行，增加井壁强度.立井常采用槽钢井圈，斜井常采用U型钢支架加固.比如兖矿东滩煤矿西风井基岩界面破裂井壁加固时，采用了20b槽钢井圈，密集架设，采用锚杆与井壁固定.金鸡滩煤矿副斜井井壁加固时，采用了U型钢支架.采用U29钢材作为支腿及顶圈，12号矿用工字钢作为底梁，加工支架.

　　4结语

　　(1)井筒发生出水涌砂灾害的2个基本条件:一是壁后存在饱和砂层，二是砂层对应位置井壁出现破裂现象或空洞.一般情况下，砂层黏粒含量少、粉细砂层及砂层埋深大，更容易发生出水涌砂灾害.(2)井壁不合理人工造孔，以及人为不合理使用井筒、井壁自身应力环境变化而造成井壁破裂，是井壁出水涌砂通道形成的主要形式.(3)井筒一旦发生出水涌砂事故，极有可能最终演化为恶性灾害，造成井筒以及周边地表沉降、井筒及地面设施受损，甚至导致人员伤亡、井筒报废、矿井被淹.(4)针对井壁出水涌砂通道形成的3种主要形式，提出在井壁造孔工艺、井壁破裂预防、井筒通行能力评价等方面，对井筒出水涌砂灾害进行防治.(5)井壁出水涌砂灾害治理，主要有出水涌砂点快速封堵、出水涌砂动平衡处理、壁后砂层加固、破损井壁加固4种形式.其中前2种为抢险措施，后2种为长久治理措施.

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