井壁破裂的竖直附加力假说认为,特殊地层含水层因开采等活动而疏水,造成水位下降,土层有效应力增大、固结压缩,引起上覆土体下沉。土体在沉降过程中与井壁相互作用,施加于井壁外表面一个附加力系。该力增长到一定值时,混凝土井壁就会因不能承受而遭破坏。由于井壁的纵向附加应力通常在底部含水层-基岩接触面一带达到最大,因此绝大多数井壁破裂段位于底部含水层和基岩风化带层位内〔1-3〕。
地面注浆加固即是在地面距井壁周围一定距离处布孔,然后向待加固的地层段注浆的方法。该方法从改善地层性状着手,对造成井壁附加力的根源—疏排水含水层进行注浆加固,让具有固结性能的浆液直接注入地层中的孔隙、裂隙,挤走或置换地层中的自由水,使地层挤压密实并抬升,从而改变原来地层的结构和性能,在地下水位下降时可减缓地层下沉,减弱对井壁的附加力,从而起到保护井筒的作用〔4-8〕。
2 地面注浆过程中井壁应变变化规律
深厚表土层注浆加固不仅能抑制和减弱表土层施加给井壁的附加应变,而且注浆过程可缓释井壁中已有的竖向应变。图1为井壁附加应变ε与含水层疏水时间t的关系。
OA段为井壁破裂前的ε-t关系,由于疏排水的作用使得井壁的附加应变逐渐增大,最后达到井壁的极限附加应变ε。AB段为井壁发生了破裂,井壁附加应变降至残余附加应变εr。BD段为含水层疏排水的继续,井壁附加应变又以一定的规律发展。若在t1时刻对含水层进行注浆加固,因大量浆液的挤入会使部分上覆土层向上位移或产生上移趋势,井壁附加应变得以缓释,ε-t关系为图中CE段,这时附加应变减少至εw。如不考虑注浆加固对阻碍含水层疏水的作用,附加应变将沿EF段的趋势发展,事实上部分含水层得以充分密实,井壁附加应变随时间增长的斜率将产生变化,其变化关系将沿EG段的趋势发展。因此,对含水层进行注浆加固有抑制附加应变(t时刻为d)和缓释附加应变(t时刻为h)的双重效应。
3 地面注浆工程分析
3. 1 工程概况
某矿副井井筒深度434. 60 m,内径Ф6. 50 m,表土层厚168. 00 m,表土冻结段采用双层井壁,内壁厚650 mm,外壁厚500 mm,井壁外径Ф8. 8 m。2001年7月1日发现在垂深166. 5m处出现井壁环向微裂缝,副井地表累计沉降180 mm,井壁处于频临破裂状态。为防止井筒受力状况进一步恶化,保证正常生产和提升安全,选择地面注浆加固方式对井壁进行预防破裂治理。
工程人员在副井周围地面共施工8个注浆孔,以井筒为中心均匀地布置,圈径为Ф36m,距井壁外缘为13. 6 m。浆液扩散半径设计为6. 6 m,地层加固宽度为13. 2m,平均加固距离为4. 5m,加固段范围为: 148~168 m、128~148 m、108~128 m、88~108 m。8个注浆孔分两大段,采用跳孔、分段上行、下段裸孔上段射孔、定时定量、间歇注浆方式。注浆材料采用水泥加粉煤灰,封孔采用纯水泥浆获水泥-水玻璃浆液。注浆孔口终压为4. 0~5. 0 MPa。
浆液注入量分孔分材料统计见表1。
3. 2 井壁竖向应变变化分析
为控制地面注浆加固过程、评价加固效果并长
期预测和评价井壁的安全度,在所研究矿井副井垂深100m、120m、140m、160m井壁内分4层埋置了混凝土应变传感器,建立了由计算机控制的实时自动测试系统。图2是4层32个传感器实测得到的注浆前10个月、第一阶段注浆、间歇8个月、第二阶段注浆、注浆工程完成后10个月时间内实测竖向附加应变的平均值。
在井壁地面注浆过程,井壁竖向附加应变变化十分敏感。根据井壁竖向附加应变的变化,在地面注浆前后的1. 5 a的时间内,大体可以分为4个阶段,每一段时间均与实际工程情况完全吻合。
(1)传感器开始工作到第一阶段注浆前,持续时间约10个月。在这一期间,由于含水层疏排水继续,井壁竖向附加应变几乎线性增加,增加了约100με,属井壁破裂后附加应变增长段。
(2)对2#、4#、6#和8#孔进行第一阶段地面注浆,持续3个多月。注浆作用使得土层产生向上运动或运动趋势,井壁附加力被抑制,竖向附加应变的减少,这一现象在整个注浆过程中均表现明显,直到注浆结束,注浆作用使井壁竖向附加应变缓释了约200με。
(3)对1#、3#、5#和7#孔进行注浆,持续2个多月。在较短的时间内井壁竖向附加应变再缓释约200με,即在注浆结束时,井壁附加力共缓释约400με。
(4)注浆后井壁竖向应变有所增长,但不是很稳定,直到3个多月后才渐趋稳定在200με左右,实际第二阶段注浆对井壁附加应变的缓释量为100με左右。第二阶段效果不如第一阶段明显,主要是由于水泥含量的减少使得注浆胶结体的强度有所下降。
3. 3 注浆帷幕测试分析
在注浆1 a后开展了注浆体高频应力波检测。检测结果证实,灰浆帷幕交圈闭合较好,平均厚度近7. 6 m,在失水压缩最严重的砂、砾层内灰浆扩散范围更大、结石度更高。观察岩芯发现,浆液结石多以各种劈理、片理形式分散于土体中,部分砂层内有块状水泥。对注浆后5个岩芯样品的力学指标测定结果如表2。注浆使井筒周围土的整体力学性能有明显改进,与注浆前相比,有的指标甚至提高近1倍。
注浆帷幕的形成能有效减少土体下沉,大大弱化井壁的附加力。
分析表明,地面注浆使得井壁中的现有竖直附加力得到减少,即具有“弱化”效应,深部井筒井壁的附加力弱化效果最明显。注浆间歇和注浆结束后,井壁中的附加应变增加明显减弱,说明地面注浆加固取得了抑制井壁竖直附加力的效果。
3. 4 地面注浆过程监控
为确保表土层注浆期间井壁的安全并检测注浆加固效果,必须对注浆过程进行监控。一是建立井壁附加应变监测系统,采集注浆加固期间井壁的附加应变数值,对井壁的安全状态进行实时、动态的监控;二是注浆过程中根据工程经验对注浆参数进行及时调整,以指导工程和控制注浆加固过程,注浆过程的控制参数包括注浆位置、注浆压力、注浆量和浆液浓度等。
地面注浆加固时会对井壁产生附加荷载,监测井壁附加应变可在井壁内沿竖向不同水平埋设传感器,分别布置在主要表土层加固段。传感器的尺寸一般为630×100 m/n,埋设在井壁中并破坏井壁的完整性。每一水平沿井筒圆周均匀布置4个测点,每个测点分别埋设竖向和环向2个传感器。根据需要可在相应的水平进行埋设,然后通过屏蔽铠装电缆引出到井口,接入接线箱和计算机。系统采用自动测量和记录,以获取不同时间井壁各相应测
点的应变值。数据的测量一般以传感器埋设完毕稳定一个月的数值为基准,开始测量井壁的附加应变。
地面注浆可使井壁的受力状态发生改变。浆液进入土层凝固后可使得地层不同程度的抬升,井壁内局部出现相对拉应变或压应变,即井壁的附加应变。含水层注浆加固过程中,如果注浆范围或注浆工艺、参数选择不当,浆液压力将可能造成井壁承受超过原始设计的不均匀水平压力而致使井壁破裂;地层的上移过量,也有可能使井壁竖直方向受拉,同样会对井壁安全构成威胁。因此,必须通过实时监测井壁的附加应变,及时调整注浆参数,控制注浆过程。
4 结 论
(1)地面注浆控制井壁变形技术是一项新的井壁治理手段,对于抑制和减缓由于地层沉降而产生的井壁附加应力和由此而带来的井壁破裂灾害是一种行之有效的方法。
(2)地面注浆加固井壁的理论机理是对疏排水含水层进行注浆加固,从而挤走或置换地层中的自由水,使地层挤压密实并抬升,从而改变原来地层的结构和性能,减少井壁应变,从而起到保护井筒的作用。
(3)为了保证注浆工程质量,形成完整的注浆帷幕,从而提高地层减沉效果,需要正确确定注浆位置、注浆时间、注浆量、注浆压力等注浆参数,这是井壁地面注浆工程成败的关键。
(4)整个地面注浆加固工程实施过程,必须建立可靠的井壁受力、地表变形监测系统,以便根据井壁附加应变演变时时调整注浆加固参数,同时也可以检测注浆加固的实际效果。
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