井筒是煤矿的咽喉,井筒的稳定与否关系到煤矿的人员安全和经济效益。1987年以来,黄淮地区立井井筒破坏时有发生,给煤矿安全生产带来巨大威胁。经过多年的研究和实践发现,深厚松散冲积层底部含水层疏水是导致井筒破坏的根本原因。为保证井筒长期安全稳定,基于井筒破坏的机理,提出了一种注水稳定水位的方法预防井筒破坏并应用于煤矿现场。然而,在注水过程中,发现注水流量逐渐减小,注水效果逐渐减弱,其根本原因在于对注水法预防井筒机理认识不足。本文以济三煤矿注水法预防井筒破坏为工程背景,在分析了松散冲积土层的工程性质以及深部黏土失水的变形机理的基础上,通过理论分析和现场实测,研究注水过程中水位变化、地层变形和井壁垂直微应变三因素的耦合关系,进而提出了注水有效性的工程判据以及合理注水效率的判定准则。同时,通过相似模拟和数值模拟研究了注水过程中砂土细小颗粒运移的宏、细观规律及其内在机理,探索了偏心注水的可行性,提出了增大流量的技术防治措施,建立了立井非采动破裂的的判别模型,并探讨了注水法在水位大降深工况下应用的可行性及合理的技术防治途径。论文的主要研究内容和结论如下:（1）通过对黄淮地区多个矿区79组深埋黏土物理力学性质分析,得出深埋黏土的密度随埋深整体呈增大的趋势,黏土液性指数随着埋深的增大而减小,说明埋深增大,黏土由可塑向硬塑或半固态转变,黏土流动性变差。通过容量瓶和热重分析,得出黏土吸附结合水的含量大于黏土的含水率,得出黏土中的水全部为吸附结合水,含水层疏水黏土不变形的结论,并对黏土中结合水存在形式的温度界限进行了划分。通过XRD测试,得出深埋黏土的矿物成分主要为高岭石、伊利石和石英,部分黏土夹杂着蒙脱石和长石等,说明深埋黏土具有吸水膨胀的特点,并从微观角度分析了疏、注水过程中黏土、砂土释水和吸水的过程,阐述了注水法预防井筒破坏的微观机理。（2）通过对济三煤矿井筒附近的地质条件分析发现,工业场地冲积层底部存在比较稳定的黏土层,具有底含厚度小、渗透系数小、连通性较差的特点,对注水法防治工程的实施有利。同时,从时效性、经济性等方面对济三煤矿采用注水法的适用性进行了综合分析,得出济三煤矿井筒附近地层具有可注性,采用注水法预防井筒破坏具有可行性。（3）根据地下水动力学知识,推导了稳定流注水群井水头分布公式,奠定了注水法可行的理论基础。根据土力学知识,推导了注水过程中地层膨胀量和井壁垂直附加应力公式,从宏观力学的角度揭示了注水法预防井筒破坏的机理。①群井注水水头分布公式:（?）②注水过程中地层膨胀量:（?）③注水后水位恢复至注水前水位井壁附加应力释放量:（?）（4）采用专门的NM2dc数值模拟软件研究了疏、注水条件下井筒受力和地层变形的内在机理,得出水位下降,井壁产生竖直向下的附加应力,水位上升,井壁附加应力明显减小。注水过程中地层发生抬升,井壁垂直压应力减小,且在注水位置地层抬升量最为明显,注水呈环形向周围扩散,随着与注水距离的增大,地层抬升量逐渐减小。模拟结果表明,注水法能有效预防井筒破坏。（5）通过短期工业试验和长期注水防治工程实测分析,得出:短期注水取得了良好的预期效果,即水位上升,地层膨胀,井壁垂直微压应变减小,短期注水水位变化量、地层微应变变化量和井壁垂直微应变化量三因素存在良好的耦合关系。地层微应变变化量与水位变化量整体上符合y=aebx的函数关系,其中,y为地层微应变变化量,x为水位变化量,a、b为常数;井壁垂直微应变变化量与地层微应变变化量呈二项式z=k1y2+b1y+c1函数关系,其中,z为井壁垂直微应变变化量,y为地层微应变变化量,k1,b1,c1为常数。长期注水过程中,防治效果减弱,尚未达到稳定水位、减小井壁垂直压应力的目的。注水流量逐渐减小,受注水不均匀的影响,导致局部水位变化量、地层微应变变化量和井壁垂直微应变变化量三因素的耦合关系差异性大,尚无统一的函数关系可以描述。（6）对短期和长期注水效果进行了定量评价,得出短期注水逆向改变了井壁垂直微压应变增大的趋势,长期注水虽然没有改变井壁微压应变增大的趋势,但有效缓和了井壁微压应变增大的速率。结合前期工业试验注水的经验,提出了注水有效性指数k的工程判据以及合理注水效率的判定准则。①注水有效性指数k的工程判据:k的计算公式为:k=（y-b）/x,式中,k为有效性指数,即井壁垂直微应变与注水时间线性拟合的斜率,y为井壁垂直微应变,x为从注水开始到某时刻所经历的时间（月）,b为常数。k的工程判据为0≤k＜35注水效果理想,可长期维持井筒稳定k＜0注水效果不佳,难以长期维持井筒稳定②合理注水效率的判定准则:η≥20(m³·h^-1·Mpa^-1)Q≥5(m³·h^-1)注水工效值的计算公式:η=Q/P,式中,η为注水工效（m3﹒h-1﹒MPa-1）;Q为瞬时流量（m3﹒h-1）;P为注水压力（MPa）。合理注水效率的判定准则（单孔）为（?）（7）研制了注水过程中含水砂层细小颗粒运移密实圈形成机理的试验装置（专利申请号:201721548417.7）,采用该装置对黏土粉、高岭土和膨润土细小颗粒在注水过程中的运移特点进行了分析。结果表明,选用黏土粉作为细小颗粒,出水口每小时出水量随时间呈幂函数关系减小,与现场注水孔瞬时流量减小的规律趋于一致;高岭土溶解度高,易随水流流失;膨润土胶结性相对较强,水流流动缓慢,且在出水开始阶段出水流量随时间呈增大的趋势,与现场注水结果不符。通过对比分析,得出选用黏土粉模拟含水砂层中的细小颗粒最为合适。（8）采用相似模拟研究了注水过程中含水砂层中细小颗粒运移密实圈形成的机理,得出细小颗粒含量越多,出水所需的时间越长,出水开始阶段每小时出水量相对越小;注水压力越大,出水所需的时间越短,出水开始阶段每小时出水量越大,但随后递减较快。试验结束后,出水口端砂土的密度整体大于注水口端,渗透系数整体小于注水口端,说明水压作用下砂土中细小颗粒从注水口向出水口运移。同时,采用PFC5.0数值模拟软件对水压力分布、颗粒的接触力链、配位数、孔隙率以及颗粒移动趋势等细观参数进行了分析,得出各参数反映注水过程中细小颗粒的运移机制在本质上具有一致性,即随着注水的进行,细小颗粒逐渐向出水口端运移,随着水流通道的逐渐形成,注水压力损失减小,模型内各点的水压达到颗粒启动的动力时颗粒开始运移,注水口附近水压大,颗粒移动快,远离注水口端的水压较小,速度相对慢,逐渐在运移通道中堆积。随着水流通道进一步畅通,水压损失逐渐减小,细小颗粒继续向出水口端运移,最终在出水口端密集堆积,形成密实结构。（9）采用FLAC^3D数值模拟软件,通过设置不同注水压力（或流量）、注水孔与井筒不同距离等因素研究了偏心注水对井壁受力的影响,从井壁垂直压应力变化和井壁受力不均两方面分析,得出理想条件下采用低压（0.3MPa）,距离井筒50m处注水对井筒受力无明显不利影响。考虑长期注水流量逐渐减小,建议注水压力不小于0.3MPa时,距井筒注水位置随着注水压力的增大适当增大。根据注水流量逐渐减小的原因,结合注水过程中砂土中细小颗粒运移的机理,提出了洗井、振荡加压和补打注水孔等技术防治措施。洗井是从注水孔轴向方向考虑,利用液态CO2气化,人为制造井喷,从而将细小颗粒带出井口,达到清理淤积物的目的;振荡加压在透水花管径向方向通过产生类似声波的疏密波,使水的瞬时能量增大,从而部分消除堵塞现象,增加注水量;在有条件或洗井、振荡加压注水效果不佳的情况下,可通过补打注水孔增大注水流量。（10）对于尚未破裂的井筒,选取地表沉降速度、地表累计下沉量、主压缩层埋深、井筒净直径、井壁厚度因素、施工方法和井壁施工质量及井塔因素7个影响因素为判别因子,建立井筒初次破裂的Fisher判别和模糊聚类分析模型,并依据判别模型,综合评判了朱仙庄煤矿大降深工况下主、副和西风井发生破坏的可能性,得出三个井筒发生破坏的可能性很大,可能性从大到小排序为副井>主井>西风井。对于重复破裂的井筒,考虑井筒的治理方式,选取井筒直径、松散冲积层厚度、水位降、卸压槽压缩率、破裂等级、服务年限率、治理方式和冲积层压缩速率8个影响因素为判别因子,建立井筒重复破裂的Fisher判别和模糊聚类分析模型,此次样本Fisher模型回判判对率达100%,模糊聚类回判判对率为95%。依据两种判别模型,综合评判了2016年济三煤矿6月主、副和风井的稳定状态,得出济三煤矿2016年6月主、副和风井不发生破坏的结论。（11）针对底含水位大降深对井筒稳定性产生影响的问题,以朱仙庄煤矿五含“L”形帷幕截流疏干引起四含水位下降为工程背景,结合前期GMS数值模拟结果,设置了四含水位不同降深速率的方案,采用NM2dc数值模拟软件模拟了快速、中速和低速疏水情况下井筒受力及地层变形情况,得出快速、中速和低速方式期间井筒最大压应力均大于井壁强度,井壁破坏可能性高。当前自然疏降的井筒工况条件,四含疏水速率0.2m/月时,虽然近2年破坏可能性低,但是井筒应力有增大的趋势,长期破坏的可能性仍然高。并在此基础上,对注水法在朱仙庄煤矿大降深疏放条件下进行应用的可行性进行分析,对比注水法、开卸压槽和地层注浆加固等技术防治措施的优缺点,得出注水法在水位大降深的情况下不适合使用,相比而言,地层注浆加固技术最为合理。