王村煤業(yè)副井變形與地面沉降監(jiān)測研究

吳 軍

（晉能控股煤業(yè)集團王村煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

1 概況

王村煤業(yè)地處山西省大同市云崗區(qū)內(nèi)，投產(chǎn)于2011 年11 月1 日，年計劃生產(chǎn)能力為100 萬t，現(xiàn)階段生產(chǎn)能力約為108 萬t，主要煤炭種類為氣煤。王村煤業(yè)以水平開拓為主要開拓方式，使用的煤炭開采方法為全陷落法。王村煤業(yè)副井建設(shè)于2011 年，井筒深度為554 m，鉆井井壁厚度約為610 m。王村煤業(yè)第四系表土地層包括3 個隔水層以及4 個含水層，其中第四含水層位于煤炭層之上，是礦井的主要充水源，厚度約為13 m，深度約為220～231 m；第三隔水層主要是黏土與砂質(zhì)黏土，是影響地面沉降的主要因素。王村煤業(yè)共進行了兩次變形監(jiān)測，第一次監(jiān)測23 個月內(nèi)礦井壁共壓縮約33 mm，第二次監(jiān)測27 個月礦井壁共壓縮約36 mm。王村煤業(yè)副井變形特點為井筒變形沿垂直方向向上發(fā)展，且加固體無法阻止副井變形趨勢。經(jīng)監(jiān)測分析，王村煤業(yè)副井變形發(fā)生與地面沉降最大程度時間點相吻合，副井變形與地面沉降相關(guān)。

2 副井變形分析

王村煤業(yè)副井加固的位置在4 個含水區(qū)與3 個隔水區(qū)處。相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，4 個含水區(qū)水位是在加固處理后降至含水層底部的，說明含水層水位處于持續(xù)下降狀態(tài)。同時，副井壁的豎向變形與水位的下降呈正比關(guān)系，當4 個含水層水位下降至底部時副井壁再次發(fā)生損壞，且位置在含水層底部與基巖的交界處。副井壁的豎向變形與含水層的排水固結(jié)關(guān)系密切。

煤礦副井井壁垂直方向的壓縮變形逐漸向上蔓延，含水層的排水固結(jié)壓縮會使地層對副井井壁的阻力也逐漸增大，如不采取相關(guān)措施，最終副井井壁必會再次出現(xiàn)井壁豎向壓縮損壞現(xiàn)象。由于王村煤業(yè)在第三隔水層主要是黏土與砂質(zhì)黏土，一旦形成導(dǎo)水通道必然會使3 個隔水層與3 個含水層出現(xiàn)排水固結(jié)現(xiàn)象，使得副井井壁產(chǎn)生大范圍壓縮變形。煤礦地層的不均勻性以及地層與副井井壁的摩擦作用，再加上井口地表的沉降現(xiàn)象會直接造成差異沉降，造成井架傾斜。王村煤業(yè)副井變形監(jiān)測應(yīng)包括副井井壁、地面以及地下水位等多方面監(jiān)測。

3 副井變形監(jiān)測方案

副井變形監(jiān)測主要分為垂直方向壓縮變形、地面、地下水位三方面監(jiān)測[1-4]。副井井壁垂直方向壓縮變形監(jiān)測主要設(shè)置8 個監(jiān)測點，共分為2 個水平，主要監(jiān)測內(nèi)容為第四含水層垂直方向的壓縮變形位移；地面監(jiān)測主要是對王村煤業(yè)的地面沉降量進行監(jiān)測；水位監(jiān)測主要是對煤礦4 個含水層的水位進行監(jiān)測。王村煤業(yè)副井變形監(jiān)測的水平布置見表1。

表1 王村煤業(yè)副井變形監(jiān)測的水平布置

垂直方向壓縮變形監(jiān)測需設(shè)定兩個布置形式以及監(jiān)測元件完全相同的兩個水平埋設(shè)元件，其具體布置方位如圖1。

圖1 元件布置示意圖（mm）

檢測元件是以井筒提升中心為對稱線進行方位設(shè)計的，垂直位移監(jiān)測器安裝于元件下端，可進行14 m 范圍的位移壓縮量監(jiān)測。監(jiān)測中使用儀器主要為XP02 頻率儀，所需的測量元件主要為VJ400 位移計。在副井井口處至井筒位置需進行電纜敷設(shè)，采用KVVP-20×0.75 的屏蔽型電纜。敷設(shè)的電纜需對每根進行編碼處理，并使用萬用表測試電纜是否正常。XP02 頻率儀與VJ400 位移計需具備抗干擾、可屏蔽等功能，可穩(wěn)定長期使用，使用壽命應(yīng)滿足相關(guān)要求。地下水位監(jiān)測主要通過觀察水文孔的水位進行水位測量，地面沉降監(jiān)測采用垂直方向壓縮變形監(jiān)測同樣的方法，主要圍繞副井進行監(jiān)測設(shè)立，基準點使用基巖標的方法。在實際監(jiān)測中，地下水位的監(jiān)測為輔助監(jiān)測，監(jiān)測目的為輔助垂直方向壓縮變形監(jiān)測與地面沉降監(jiān)測原因分析。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理

4.1 垂直向位移變化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

變形監(jiān)測方案對王村煤業(yè)副井變形進行為期17 個月的監(jiān)測研究，將獲得的范圍為14 m 的副井井壁垂直向壓縮變形數(shù)據(jù)繪制為變化曲線圖可得第一監(jiān)測水平變化曲線（圖2）與第二監(jiān)測水平變化曲線（圖3）。該方案自2019 年7 月25 日開始，2020 年11 月7 日結(jié)束。

由圖2 可知，第一監(jiān)測水平四個方位的四個元件監(jiān)測到的垂直向沉降變化趨勢相近，共可以分為三個階段。2019 年9 月26 日—2020 年4 月17 日為沉降的第一階段，垂直向壓縮變形增長迅速，除小北方向位移量為5.3 mm 外，大北、小南、大南方向的壓縮量基本處于1.05～1.17 mm 范圍內(nèi)；2020年5 月22 日—2020 年9 月24 日為沉降第二階段，該階段沉降量變化趨于平穩(wěn)，壓縮變形較小且趨近于0；2020 年9 月24 日后為沉降第三階段，第三階段增長較為緩慢，最大值僅有1 mm。

圖2 第一監(jiān)測水平變化曲線圖

分析圖3 可知，第二水平與第一水平變化趨勢較為相似，但第二水平的副井井壁最大壓縮量與第一水平差距較大，二者最大數(shù)值相差3 倍。

圖3 第二監(jiān)測水平變化曲線圖

王村煤業(yè)的井壁垂直向位移變化主要可分為快速增長、穩(wěn)定以及緩慢增長三個階段。造成后續(xù)位移量較為穩(wěn)定的原因是該階段處于雨季階段，同時較高的溫度使得材料有熱脹效應(yīng)，因此該階段位移較小。地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)圖如圖4 所示。第一水平與第二水平最大壓縮量數(shù)值差距較大的原因可能與固結(jié)壓縮有關(guān)。

圖4 地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

對王村煤業(yè)副井井壁進行安全性評價，運用莫爾-庫倫極限平衡條件法進行評價，其計算公式為：

其中：σ1為井壁圍抱最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；φ為極限摩擦阻力的水平角度，（°）；c 為巖石凝聚力，MPa。經(jīng)測量，σ3=2.17 MPa，φ=23°，c=1 MPa。帶入式中可求得井壁圍抱最大主應(yīng)力σ1為7.97 MPa，大于相關(guān)要求的5.88 MPa，故該井壁符合相關(guān)安全要求。

4.2 地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

運用基巖標方法對副井口附近的地面沉降進行數(shù)據(jù)監(jiān)測并繪制成變化曲線圖如圖5。由圖5 可知，副井口周圍地面總體呈下降趨勢，但下降較為緩慢。副井口的地面沉降變化可分為三個階段：2019 年9月—2020 年2 月為第一階段，該階段地面沉降較快；2020 年2 月—6 月為第二階段，該階段為穩(wěn)定階段，沉降較為平穩(wěn)；2020 年6 月以后為第三階段，該階段地面沉降有所回升。

圖5 基巖標處沉降數(shù)據(jù)變化曲線圖

為更好地研究副井口地面沉降規(guī)律，本文對基巖標更遠的位置進行了地面沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，距離井口較遠位置的地面最大沉降為15 mm，最遠位置處地面最大沉降為20 mm。井口附近地面沉降是連續(xù)的，地面沉降數(shù)值與距離井口的距離呈正比，距離井口越近，地面沉降越小，速率越慢；距離井口越遠，沉降越大，速率越高。將上述數(shù)據(jù)帶入莫爾-庫倫極限平衡式中計算可得，井壁的最大主應(yīng)力為7.97 MPa，該結(jié)果大于井壁所需平均最大主應(yīng)力5.88 MPa，因此，井壁處于安全狀態(tài)。

5 結(jié)論

（1）運用莫爾-庫倫極限平衡條件法對副井井壁安全性進行評價分析后發(fā)現(xiàn)，井壁圍抱最大主應(yīng)力為7.97 MPa，大于相關(guān)要求的5.88 MPa，符合安全性評價要求。

（2）井口附近地面沉降具有連續(xù)性，且地面沉降數(shù)值跟速率和距離井口的距離大小成正比關(guān)系。