专利摘要

一种防治立井井筒破坏的方法，采用“地面注水稳定水位法”防治井筒破坏；具体是：①分析冲积层结构和水动态，选择冲积层中三年以上水位持续下降的松散含水层作注水层位；②在井筒附近施工注水孔，结构与水文长期观测孔结构一致；③用自来水或水泵注水，将水经注水孔注入注水层位；④注水期间进行注水效果监测：含水层水位监测和井壁变化监测；根据注水效果监测决定注水量调整。保持井筒及附近含水层水位增高且相对稳定，减小井筒周围松散土层由于水位下降导致的压缩变形及对井壁产生的附加压应力，以防造成对井壁破坏。本发明从矿井水文地质角度研究，根据井壁破裂的机理，找出根治井筒破坏的方法，防治效果明显，施工方便，更安全经济。

说明书

技术领域

本发明涉及采矿工程、矿井水文地质领域，特别是运用矿井水文地质技术手段防治煤矿立井井筒破裂的一种防治立井井筒破坏的方法。

背景技术

黄淮地区地处黄河、淮河平原，普遍存在着深厚(厚度大于100m)的新生界冲积层。该地区是我国重要的煤炭能源基地，分布有：淮南、淮北、永夏、平顶山、大屯、徐州、枣庄、兖州、巨野、肥城、新汶等大型矿区，建有300余个通过厚冲积层的立井井筒，年产煤量超过2亿吨。1987年立井井筒突发破裂灾害，此后每年均有新的井壁破裂灾害发生，至2005年底已达93个。

为防治井壁破坏，目前主要采用以下方法：

1)井圈加固井壁。初始阶段井壁破坏具有突发性，为尽快控制破坏的发展，采用槽钢井圈对井壁破坏段进行加固。可保障短期内提升安全运行。

2)卸压槽治理。在附加压应力大的井壁段，于井壁上沿环向开一个槽，在槽内放置压缩性材料，一般为木材。通过人为降低该处井壁的强度，增大压缩量，达到减小井壁应力的目的。是目前最常用措施，但需要随着地层压缩而反复扩槽。

3)套壁加固。在附加压应力大的井壁段和破坏井壁段，在井筒内再套一层砼内壁加强井壁强度，套壁厚250～300mm。套壁需要原井筒有富余断面积。原认为套壁可长期治理，但近年来一些套壁井筒在原处又出现再次破坏。

4)地层注浆。按施工方法分为“壁后注浆”和“地面注浆”两种：①壁后注浆。在井筒内打钻穿过井壁对地层进行注浆。破壁注浆的地层加固范围一般为壁后5m以内，减小井壁压缩变形不显著，难以作为长期治理的方法。但破壁注浆可有效减少井壁漏水量，施工费用低，因此也是常用措施。②地面注浆。为加大注浆加固地层的范围或井筒内没有施工条件，在地面打钻对冲积层的主压缩层注浆加固，目的是减少地层压缩量从而减小井壁附加应力。

上述井筒破坏治理方法主要缺点如下：①井圈加固井壁是短期措施，无法达到长期治理效果；②卸压槽法治理占用井筒时间长；③井壁破裂后套壁的治理机理不合理，易在原破裂处出现再次破裂；④地面注浆法治理工程费用高；⑤壁后注浆法减小井壁压缩变形不显著；⑥井筒每隔几年需再次治理；⑦治理工程存在一定的风险，包括：封堵含水层困难、井壁开裂、掉井壁块、设备变形等。因此，有必要研究更安全经济的井筒破坏防治技术。

由以上可见，水位、冲积层和井壁是井筒破坏的三要素。以往的防治方法：针对冲积层采用地层注浆加固冲积层减少压缩量等治理措施；针对井壁采用开卸压槽(让)、套壁和井圈加固(抗)等治理措施。根据井筒破坏机理，如果松散含水层水位保持长期稳定，则冲积层不出现压缩变形，井筒就不会破坏，但到目前为止还没有采用地面注水稳定水位法防治井筒破坏的工程实例。

发明内容

为了克服现有各种防治立井井筒破坏的方法所存在的上述不足，本发明提供一种防治立井井筒破坏的方法，它从矿井水文地质的角度分析，根据井壁破坏的机理，找出根治立井井筒破坏的办法，使井筒破坏防治效果更佳，更安全经济，施工更方便。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种防治立井井筒破坏的方法，采用地面注水稳定水位法防治立井井筒破坏。具体如下：

a.首先分析井筒范围冲积层的结构和水动态特征，确认冲积层中含三年以上水位持续下降的含水层；选择冲积层中三年以上水位持续下降的松散含水层作注水层位。

b.在井筒附近地面施工注水孔；注水孔的结构与水文长期观测孔结构一致：①注水层位采用注水的花管；②注水层位以上采用实管，隔断上面含水层的水力联系；③注水层位以下至冲积层底界采用实管，沉淀岩粉；④冲积层底界至注水钻孔底界用水泥封闭；⑤注水孔花管的埋深及长度根据注水层位的位置和厚度确定。

c.先选用自来水系统注水，若注水量小、注水效果不明显，则采用水泵高压注水，将水通过注水孔注入注水层位。

d.在注水期间进行注水效果监测，包括含水层水位监测和井壁变化监测；根据注水效果监测结果决定注水量的调整，保持井筒及附近含水层水位增高且相对稳定，减小井筒周围松散土层由于水位下降导致的压缩应变量及对井壁产生的附加压应力。

井壁变化监测包括：①井壁出水点监测：观测注水后井壁出水点及出水点的出水量增加与否；②井壁应力应变监测：监测注水后井壁多个测点的垂直应力应变改变与否。

本发明的有益效果是：

本发明从矿井水文地质的角度分析研究，根据井壁破裂的机理，找出根治井筒破坏的办法，采用“地面注水稳定水位法”防治井筒破坏，即通过地面注水，注入冲积层下部水位持续下降的松散含水层，保持井筒及附近含水层水位增高稳定，从而防止井筒周围松散土层压缩变形及井壁因此产生的附加压应力造成对井壁的破坏。该方法防治效果明显，施工方便，更安全经济。

附图说明

图1是本发明一种防治立井井筒破坏的方法的原理图。

图2是充煤公司××煤矿第四系水位观测孔观测段示意图。

图3是第四系冲积层观测孔水位变化图。

图4是注水孔Z1孔的钻孔结构图。

图5是注水试验水压与流量关系图。

图6是注水期间水位观测孔Q_下-3孔水位变化图。

图7是主井附近地层沉降监测点相对位置图。

图8～11分别是地层沉降观测孔注水期间光纤光栅FBG0203、FBG0204、FBG0302、FBG0303的中心波长变化图。

图12～15分别是2009年与2010年同期主井13V、34V、51V、12H的应变量变化情况比较图。

图中：1-阀门、2-供水管路、3-地表、4-井筒、5-注水后抬高的水位、6-注水孔、7-原始水位、8-实管、9-花管、10-沉砂实管、11-水泥封闭段、12-井壁、13-主井井塔、14-沉降监测点；W-水、H-注水孔处抬高的水位高度、L-注水段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

通过对井筒破坏的观测与研究，认为其破坏机理是：井壁内产生附加应力。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，当超过井壁强度时，井壁出现破裂并造成井筒内的设备变形。基于上述认识，本发明提出用“地面注水稳定水位法”防治立井井筒破坏方法。

在图1中示出本发明防治立井井筒破坏的方法即“地面注水稳定水位法”的基本原理。它通过在井筒附近10～100m施工地面注水孔，注水孔结构与水文长观孔结构一致，采用工业广场自来水系统或水泵，将水注入冲积层下部持续水位下降的砂砾含水层，保持井筒及附近含水层水位增高且相对稳定，从而防治井筒周围松散土层由于水位下降导致的压缩变形及进一步防治井壁由于产生附加压应力造成的破坏。在注水过程中对含水层水位、地层压缩量和井壁变化进行监测；根据注水效果监测的结果决定注水量的调整。

图1中：地面的自来水W，经阀门1、供水管路2、注水孔6，注入地表3之下的冲积层底部的注水层位中，使井筒4附近的水位由原始水位7提升至注水后抬高的水位5。L代表注水段，H代表注水孔处抬高的水位高度。

地面注水稳定水位法防治立井井筒破坏的技术应用于兖州煤业股份有限公司××煤矿，取得了较好的注水防治效果。注水时间2010年3月6日～2010年4月7日。下面以此为例详叙本发明防治方法的具体措施和实施过程。

1.确定冲积层的注水层位：

1)分析井筒范围的冲积层结构性质、冲积层水动态特征并确定地面注水稳定水位法防治井筒破坏的可行性：冲积层中含有的松散含水层，水位下降持续三年以上，造成立井井壁破裂，采用地面注水稳定水位法可行。

2)确定实施注水的层位：选择冲积层下部水位下降持续三年以上的松散含水层作注水层位，注水层位埋深及长度根据冲积层结构特点决定，一般为松散含水层水位下降较明显的砂砾层。

××煤矿第四系属冲积湖积相地层，由砂层、粘土层及砂质粘土、粘土砂等相间沉积组成。厚133.22～252.00m，平均187.28m，东薄西厚。第四系可分为上、中、下三组。上组属强富水含水层；中组以隔水层为主，多为粘土、砂质粘土类；下组隔水层减少，含水层增多，富水性较中组强，但较上组弱。第四系以下为侏罗系地层。其冲积层岩性柱状表可参见表2。

该矿现有4个水位观测孔观测第四系冲积层的水位变化。各水位观测孔的名称、位置、观测段深度、观测层位、原始水位、启用日期，如表1所示。工广内，即工业广场内，有3个：Q_下-1、Q_下-3、Q_下-4，还有一个Q_下-2在工业广场东南。

图2示出该矿第四系各水位观测孔的观测段。水位观测孔即水文长期观测孔。

表1第四系冲积层水位观测孔

图3示出第四系冲积层水位观测孔水位变化。由图中日常监测数据可知：

1)第四系冲积层水位整体上随时间呈波动下降趋势。截止到2010年2月，各孔水位标高分别为：Q_下-1孔14.85m，Q_下-2孔30.65m，Q_下-3孔13.12m，Q_下-4孔14.96m；相对于原始水位下降情况如下：Q_下-1孔水位下降7.00m，平均年降幅0.56m/a；Q_下-2孔水位下降1.52m，平均年降幅0.14m/a；Q_下-3孔水位下降5.23m，平均年降幅1.96m/a；Q_下-4孔水位下降4.67m，平均年降幅1.87m/a。

2)Q_下-1和Q_下-2号孔同为观测第四系中下组水位，两孔水位标高明显不同：2010年2月相差15.8m。注水试验表明Q_下-1由于矸石山施工被损坏。

3)Q_下-3和Q_下-4号孔分别观测第四系下组和中组水位，Q_下-4孔水位高于Q_下-3孔水位，2010年2月水位标高相差1.84m。自启用日起，两孔水位几乎同步下降，平均年降幅相近，表明第四系中下组垂向有补给关系。

4)位于工业广场的3个观测孔水位标高非常接近且水位降速明显高于远离工广的Q_下-2孔，表明井下开采活动及水源井取水对水位降速影响较大。

由以上分析可知，工业广场区域水位观测孔水位标高持续下降，特别是2006年以后下降明显。通过工业广场3个观测孔观测段比较，水位下降速度最大的为Q_下-3孔观测的第四系下组含水层，因此注水段应布置在第四系下组含水层。

2.施工注水孔：

注水孔布置在该矿工业广场主井附近，编号为Z1，简称Z1孔。用岩芯机：TXB-1000A型钻机，施工注水孔，于2009年11月26日竣工。Z1注水孔的参数----管口标高：37.515m，孔深：189.30m，终孔层位：基岩顶界(第四系底界面)以下10m。第四系上组及中组埋深范围0～119.90m，厚度119.90m；第四

表2 Z1号注水孔冲积层岩性柱状表

系下组埋深范围119.90～179.30m，厚度59.40m。注水孔的岩性柱状表见表2。

在图4中示出Z1孔的钻孔结构。注水孔结构：①注水层位采用φ127的花管9进行注水；②注水层位以上采用φ168的实管8，即水泥浆固管，隔断上面含水层的水力联系；③注水层位以下至冲积层底界采用φ127的实管，即沉砂实管10，沉淀岩粉；④冲积层底界至注水钻孔底界的水泥封闭段11，用袋装水泥砸实封闭；⑤花管的埋深及长度根据松散含水层位置和厚度确定。松散含水层一般为水位下降较明显砂砾层。实管8下端深度：144.85m，花管位置：由深度138.23m～176.40m，沉砂实管10位置：由深度176.40m～179.30m。

3.注水：

首先选用自来水管路系统注水，若自来水管路压力无法将水注入地下需要注水的含水层，或注水量较小，无法引起周边观测孔水位升高及井壁应力应变观测值发生变化，则改用水泵注水系统，通过水泵高压注水。

该矿首先用自来水管路给Z1孔注水，注水压力约0.2MPa，但效果不明显。后改用水泵注水系统高压注水：用矿浴室用水水源作注水水源，经管路输送，途经水泵、阀门、压力表和水表，由电机带动水泵将水压入Z1孔内。通过调节阀门控制注入水量，进而控制注水压力。水泵型号：MD46-30×4，水泵参数：扬程120m、流量46m³/h、配用功率30kw。

在图4中示出注水试验水压与流量关系。控压1.0MPa注水段流量相对稳定，但整体上逐渐减小。流量由开始的以27m³/h为主逐渐过渡到停泵前的以19m³/h为主，平均流量23.23m³/h。注水所占时间合计641h。

4.注水期间的水位、地层、井壁监测：

在注水期间进行注水效果监测，包括含水层水位监测、地层压缩量监测、井壁变化监测；根据注水效果监测的结果决定注水量调整。

1)含水层水位监测：在各水文观测孔孔口位置安装水位自动监测仪，通过信号传输装置将水位信息传至总台，观测人员可通过总台的计算机登陆指定网站，在网站上直接查询各观测孔水位历史记录，根据水位标高随时间的变化规律作图，通过对比注水期间井筒附近各水位观测孔水位变化，判断井筒位置地下水位是否受到注水影响。若注水期间某观测孔水位标高升高较大，之后徘徊在高位基本稳定，说明该水位观测孔位置受到注水影响。若未受到影响，可加大注水量；若受到影响，可保持注水量或减小注水量。可根据需要调整观测间隔时间，确定观测密度。本例的水位自动监测仪是采用SWYC-3型高精度钻孔水位水温无线遥测系统。

在图6中示出注水期间水位观测孔Q_下-3孔水位变化。××煤矿Q_下-3孔与注水孔相距较近，观测层位与注水段层位相近，注水期间反应最灵敏。Z1孔注水后，Q_下-3孔水位迅速升高，约2天时间内水位升高约10m，之后维持在高位相对稳定。水位标高随注水流量增大相应上升，受停开泵影响较明显。2010年4月5日15:00停泵后依靠管路自由压力注水，Q_下-3孔水位下降明显，截止到4月8日2:00，水位恢复稳定，水位标高为17.65m，相对注水前水位累计升高4.64m。水位升高无明显滞后。

2)地层压缩量监测：

监测方法有二。其一，通过水准仪，注水前测量一次井筒附近地表标高和井塔标高，注水过程中，每隔一段时间测量一次，间隔时间可灵活掌握，开始可每半月观测一次，注水稳定后观测时间可加长。通过前后观测数据对比，计算地层抬升量，检验注水对井筒附近地层的影响。其二，通过光纤光栅传感器(简称光纤光栅)监测，注水前将光纤光栅埋入距井筒不远处冲积层内，与井筒距离不大于200米，埋藏深度至冲积层底界，光纤上测点与冲积层各主要层位相对应，主要层位为厚层粘土层和厚层砂砾层，光纤光栅与信号转换器及计算机相连，监测为实时监测，测量时间间隔可为1小时或更长。通过监测到的光纤光栅中心波长值随时间的变化作图，若注水期间观测值随时间增大明显，说明安设光纤光栅的地层沉降观测孔位置地层受到注水影响。

①用水准仪进行井筒附近地层抬升量的监测：

在图7中示出主井附近地层沉降监测点的相对位置。本例的地层沉降监测点14选在主井及其附近地表，用水准仪在注水前后分别对主井附近地层进行观测，主井井塔12、井旁的地表5及井壁13高程(标高)测量值注水后(4月7日)较注水前(3月2日)都表现为相对抬升，见表3。井塔平均抬升0.80mm，地表平均抬升1.17mm，井壁平均抬升1.48mm。(注：8#测点位于主井正西，距注水孔比

表3 注水前后主井附近地层高程测量值变化

其他测点近，应更易受注水影响，注水后实测值不升反降，应为误测。)

②用光纤光栅传感器进行地层沉降观测孔附近地层抬升量的监测：

由西安科技大学安设光纤光栅传感器的松散地层沉降观测孔，简称地层沉降孔，距离Z1注水孔153m，注水试验期间有5个光纤光栅观测层位反应明显，见表4及图8～图11。具体表现为：3月6日15:00左右开泵注水后，光纤光栅中心波长值明显上升，4月5日15:00左右停泵注水后中心波长值明显下降，开泵注水期间中心波长值维持在高位波动。本例采用的传感器是：光纤Bragg光栅传感器；信号转换器是：PI-01型光纤光栅网络解调仪。

根据西安科技大学提供《松散地层沉降变形光纤光栅监测技术研究报告》中的结论：光纤光栅传感器中心波长值每变化1pm对应冲积层1uε的应变变化量及公式(1)对注水期间地层沉降孔附近地层抬升量计算如下：

ΔS=Σi=0nSi=1000Σi=0nΔϵiHi...(1)]]>

式中：ΔS--松散地层沉降变形量，mm；

Hi--松散地层组厚度，m；

Δε_i--该松散地层组监测层位应变变化量，uε(10^-6m/m)。

将表4中数据带入公式(1)计算得：截止到2010年4月5日地层沉降孔附近地层抬升量为0.5438mm；截止到2010年4月7日地层沉降孔附近地层抬升量为0.2957mm。根据4月7日数据比较，地层沉降孔附近地层抬升量远小于主井附近地层抬升量，符合注水影响规律：与注水孔距离越近，受注水影响越大，地层抬升量越大。

在图8～图11中分别示出名称为FBG0203、FBG0204、FBG0302、FBG0303、四个光纤光栅的中心波长的变化。(FBG0402光纤光栅中心波长变化图略)

表4注水后光纤光栅应变量增大值

3)井壁变化监测(观测)：

①井壁出水点观测：注水前派专人对井壁出水点及出水量目测一次并记录，注水过程中每隔两天或更长时间派专人观测井壁出水变化一次，若出水点增加或原有出水点出水量增加，则停止注水作业或减小注水量，反之继续原注水状态。

②井壁应力应变量监测：在井壁内不同高度安装井壁应力应变监测仪，地面传输装置可通过无线电波将各监测仪获取的信息传输至计算机中，实现对井壁应力应变量的实时监测，将应力应变量随时间的变化关系作图。若注水期间多个观测点的应力应变量逐渐增大或保持在某一值基本不变，说明注水引起了井壁变化，可以维持井筒的长期稳定。若大多数测点的应力应变量在注水期间未发生明显变化，说明注水没有效果，可适当增大注水量。本例采用DI-10型应变计和WL-60型应力计，前者用KVV22-20-1型电缆和AMU-30型测量单位传输；后者用KVV22-10-1型电缆和AMU-30型测量单位传输。

在图12～图15中分别示出2009年与2010年同期主井部分测点(13V、34V、51V、12H)应变量变化情况。测点13V：埋深119m竖向；测点34V：埋深143m竖向，测点51V：埋深159m竖向；测点12H：埋深119m横向。x轴单位：日/月(时间)，y轴单位：uε(应变量)。

注水后主井井壁应力应变监测数据变化明显。具体表现为2010年3月10日起有10个垂直应变测点和3个水平应变测点压应变逐渐减小或拉应变逐渐增大，相应数据曲线表现为逐渐上升。以测点13V为例，注水期间压应变由-286.4uε(2010/3/10)变为-261.8uε(2010/4/6)，压应变减小24.6uε。表明注水导致井壁压缩变形减小。如前所述，注水使松散含水层水位升高、地层抬升，进而引起井壁变化：压应变减小、井壁压缩变形减小，有利于井壁稳定。

变化明显的测点包括垂直应变测点中的12V、13V、21V、31V、33V、34V、42V、51V、54V、61V和水平应变测点中的12H、13H、31H。均出现井壁压缩变形减小的情况。主井测试传感器编号及对应位置见表5。

表5 主井测试传感器编号及对应位置

含水层水位监测、井壁应力应变监测、地层压缩量监测有多种方法和仪器可供选择，不局限于上述实施例所述。其中前两项监测优先选用。

一种防治立井井筒破坏的方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。