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厚表土立井井壁环境因素耦合作用破裂机理及综合治理技术

所属分类:生态保护修复

所属单位:中国生产力促进中心推荐“中国好技术”

联系人:-

联系方式:0951-6087161/5020588

所在地:

成果简介

(1)本项目以“张双楼煤矿井壁破裂治理和井塔纠偏工程”为背景,历时30余年,从厚表土层井壁破坏特征分析、竖直附加力理论提出与验证、注浆加固地层防治井壁破裂机理揭示、约束内部的井壁加固机理揭示和斜孔掏土纠偏的机理与实践出发,阐述了厚表土层区域地层变形控制原理,分析了张双楼煤矿井壁破裂和井塔偏斜的原因和发展的趋势。获得了厚表土层井壁破坏机理与综合防治措施,为张双楼煤矿及类似地层井壁的安全评估具有很好的借鉴意义。
(2)张双楼煤矿井壁受力监测系统自2004年11月首次建成以来,正常监测数据达600万点次;每次井筒注浆期间加密观测100万点次,大量的监测数据反应了井筒井壁的应变增长趋势和数值;监测系统在日常井筒井壁受力监测、井筒注浆、井筒改造、安全生产过程中发挥了巨大的作用,是了解井筒受力状况的听诊器,对判断井壁安全、井筒健康诊断、井筒破坏预警必不可少的装置,长期监测数据为井壁破裂机理的揭示提供可靠的数据支撑。
(3)通过对井壁破裂特征和井壁应变长期监测的基础上,从实际工程中进一步克服了 “竖直附加力”现场定量测试的难题。研究获得了井壁破裂在外力共同作用下对井壁产生竖向、径向、环向三向应力和应变。在三向应力和应变中径向应力最大,径向应变在内壁边缘处为拉应变。外力中的“竖直附加力”随土层的压缩是一个不断增加的动态力,这就使径向应变持续增大,直到超出井壁材料的极限抗拉强度,井壁产生破坏。
(4)采用理论分析、模型试验和数值模拟等方法获得了控制注浆加固地层方法治理井壁破裂的力学机理和关键技术参数(加固高度、加固宽度、加固距离等),并进行了工艺优化。创新性地构建了“井壁附加应变监测和工业广场沉降观测相结合的综合和分析体系;形成了注浆加固地层过程的动态监测、控制与设计优化系统;采取“停”、“缓”、“转”、“变”等注浆技术方案及时调整、动态控制注浆过程的工艺、技术和材料参数,保证了注浆期间井壁的安全和井壁破裂防治效果,使得注浆防治井壁破裂技术从摸索、经验阶段发展到定量化和可控化阶段,本项目研究成果应用于多次破裂的张双楼煤矿主井井壁治理工程,工程进展顺利。
(5)井壁竖直附加力产生的根源是地层疏排水过程中井壁与土体的相对位移;注浆加固地层改变了井筒周围一定范围内土层的竖向位移大小和分布,在较大范围内减小甚至消除了井壁竖直附加力,对地层进行注浆加固具有缓释和抑制井壁竖直附加力的作用;然而注浆作用无法彻底阻止疏排水引起的地层继续压缩,因此注浆结束后井壁应变累积以及地表沉降现象仍然存在,竖向应变缓释效果,使得竖向应变缓释具有长时效益;环向应变则反映注浆层位各方向井壁的受力均匀性及稳定性;考虑到井壁破坏特征,不同层位的缓释量需要有针对性确定,避免过量注浆会导致井壁被拉断出现环向裂缝,井壁出现安全隐患。控制注浆加固地层治理井壁破裂方法,以竖直附加力理论为指导,从改变井筒周围地层的物理力学特性出发,减小土层压缩沉降量,从而缓释和抑制井壁附加力,理论与工程实践表明,该法对防治井壁破裂是行之有效的
(6)张双楼矿主井井塔生根于600多米立井井筒上的特殊建(构)筑物,纠偏治理难度大,分析了矿井工广不对称取水和基岩含水层疏排水下泄导致井筒周围第四系深厚表土地层产生不均匀沉降,以及改扩建导致的主井提升超负荷运行是井塔产生偏斜的主要原因;基于理论和数值模拟确定了纠偏的关键在于斜孔的开孔范围(孔数目)和钻孔深度,其定量化的结果指导了多个纠偏方案的制定。依据工程的现状和井塔偏斜实际先后提出了注浆-掏土、斜孔掏土-静压桩、密集斜孔掏土三套方案,并通过结构物关键部位安装传感器,较好地指导了现场工程施工,确保了井塔结构的安全可控。
(7)我国黄淮地区因底含疏水、土层固结压缩对井壁形成竖直附加力,导致井壁产生破裂造成了巨大的经济损失。本项目采用理论分析、数值模拟和物理试验相结合的研究方法,对特殊地层井筒内壁在约束前后和不同约束因素条件下的受力状态变化进行了深入、系统的研究,得出了该井壁治理措施的理论基础,并在此基础上分析了约束力大小、约束位置、约束长度、约束影响范围、压板尺寸、约束间距、锚杆间距、锚杆长度等因素对约束效果的影响,获得了诸因素对约束效果影响程度的定量数据,本项目提出的预应力约束内壁的方法既符合井壁破裂的机理,又简便易行,其治理机理有针对性且效果显著。
(8)本项目为同类地区的立井井筒井壁治理提供了重要的理论依据、系统成套的实施技术、大量翔实的实测数据和宝贵的工程经验,研究成果对于煤矿立井井筒的安全和矿井的高效生产具有重要意义,其社会和经济效益十分显著。

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