立井井筒破壞原因及修復方案設計

喬立瑾

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120)

井筒被稱為礦井的“咽喉”[1]，是人員、設備、材料運輸的重要通道[2]。井壁作為井筒的主體結構，是隔絕壁后高壓水、抵抗地壓的有力屏障，同時也是井筒裝備安裝的著力點，井壁質量的優劣是井筒安全運行的基礎。近年來，立井井筒井壁突發破裂災害逐年增多，嚴重威脅礦井提升運輸、人員出入及通風安全，影響礦井安全生產[3]。因此，綜合分析立井井筒非采動破裂的影響因素以及其相應的影響程度，對于保障礦井的安全生產具有重大意義[4]。本文以甘肅華能天竣能源有限公司劉園子煤礦主立井產生破壞為工程背景，深入分析了導致主立井井壁破壞的原因，提出了井筒修復治理方案，以期為類似井壁修復工程提供借鑒和參考[5]。

1 工程概況

1.1 井筒概況

劉園子煤礦設計生產能力90萬t/a。主立井井筒凈直徑4.0m，垂深456.0m，0～70m表土段井壁砌筑材料采用鋼筋混凝土，厚度400mm；基巖段采用素混凝土，厚度400mm?；炷翉姸鹊燃墳镃35，水泥采用抗硫酸鹽水泥。井筒于2011年投入使用，2015年礦方發現井筒井壁存在粉化破裂。

1.2 井筒穿越地層及水文地質情況

表1 主井井筒穿越地層地質特征表

2 井筒破壞特征及原因分析

2.1 破壞特征

主井破壞特征表現為井壁粉化破裂，主要集中在50～80m段，粉化區域的中心位置粉化深度一般最大，向邊緣逐漸變淺，最大破裂寬度2.3m左右，最大深度可達20～30cm，主井井深50～90m井壁粉化破裂區域素描圖如圖1所示。井壁粉化破裂后，原井壁混凝土的石子、砂、水泥分離，已粉化井壁與原井壁的附著性較差，采用手扣即散落，未粉化部分井壁質量相對較好，表明井壁粉化是由壁面向里逐漸進行的。井壁在井深0～139m沒有明顯的滲漏段分布，僅在部分粉化破裂區域井壁呈濕潤狀態，越向下濕潤程度越高。井筒從井深150m左右井壁基本呈現全濕的狀態，越向下井壁淋水量越大，部分區域出現水簾。井筒總水量在3.5m3/h左右。

圖1 主井井深50～90m井壁粉化破裂區域素描圖(m)

2.2 原因分析

2.2.1 混凝土質量評價

立井混凝土質量評價以箕斗為平臺安裝鉆孔取芯設備，采集不同位置、不同粉化破裂狀態的井壁混凝土芯樣，然后進行采樣后鉆孔窺視、混凝土芯樣長度測量、感觀評價、強度測試、微觀結構觀測等以評價井壁混凝土的質量。在主井井壁取樣6個，取樣點位于井筒的深度、方位等參數見表2。

表2 主井井壁混凝土芯樣分析

采用KS-Ⅰ型鉆孔專用窺視儀對孔口及孔底進行探測，主井井壁鉆孔孔口及孔底窺視結果如圖2所示。

圖2 主井井壁鉆孔孔口及孔底窺視結果

通過窺視觀測，發現主井井壁混凝土與圍巖接觸較好，沒有出現離層、空洞等不良現象。且鉆孔孔壁較光滑，井壁混凝土本身也沒有出現目測可視的空洞等不良現象。井壁打鉆時也沒有出現突進等現象，也相應說明井壁混凝土與壁后圍巖接觸較好；通過對井壁取樣發現，在未去除井壁粉化芯樣的情況下，主井井壁混凝土平均厚度達到410mm，達到設計要求的井壁厚度400mm的標準。但部分混凝土芯樣出現蜂窩、空洞的現象，說明主井井壁混凝土密實度不足。

依據《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》，采用的測試裝置為YAW-3000壓力試驗機(S4-1026)及0～150mm游標卡尺，對取樣進行強度測試，井壁混凝土試樣強度測試結果見表3。

通過對主井井壁混凝土試樣微觀結構觀測，發現混凝土采用砂的磨圓度相對較高，水泥水解產物呈針葉狀，水泥膠結料與砂骨料接觸不夠緊密，存在較多的小洞和微裂隙，如圖3所示。

通過鉆孔窺視、試樣強度測試及微觀結構觀測，主井井壁混凝土與壁后圍巖接觸較好，支護厚度達到設計要求，但混凝土平均單軸抗壓強度10.23MPa，換算為軸心抗壓強度12.07MPa，僅為設計軸心抗壓強度16.7MPa的72%[18]，且混凝土局部呈現蜂窩、空洞狀，表明井壁混凝土質量存在瑕疵。

表3 主井井壁混凝土試樣強度測試結果

圖3 試樣電鏡圖片(主井井深69.8m井壁混凝土試樣)

2.2.2 井壁后含水層水質評價

表4 主井水質分析結果統計

井筒圍巖埋深70m處水質較差，該水質對于井壁混凝土具有中等腐蝕性。其余取水點水質均相對較好，對井壁混凝土的腐蝕等級均為微腐蝕。

2.2.3 總體評價

井壁破壞一般由于深厚表土層底層失水，上層土體固結沉降并相對井筒向下移動，對井壁施加一向下的負摩擦力，井壁中產生應力集中，超過井筒中混凝土的承載極限時，井筒發生破壞[13]。

根據對混凝土質量、壁后含水層等方面分析，該立井井筒投入使用約4年就發生粉化破裂，且已破裂的混凝土脫離原井壁，主要原因：一是由于井筒施工過程中振搗不充分，導致混凝土出現蜂窩、空洞的現象密實度不足，強度未達到設計標準；二是在井筒掘砌過程中迎頭有涌水，井壁澆筑帶水作業，混凝土中水泥易被沖蝕，井壁質量不能保證[1]；三是壁后水質具有腐蝕性，導致混凝土中膠結物被消耗，混凝土強度降低[7]；四是提升設備運行產生動荷載加劇了井壁破壞，荷載因素時間越長，井壁支護對圍巖應力的抵抗力越低[8]。

3 井筒修復方案

3.1 修復原則與方法

主井井筒井壁粉化破裂存在砸壞井內設備，砸斷井內管線的可能，極大地威脅井內裝備的安全；特別是在井筒檢修階段檢修人員進入井筒后，一旦發生井壁垮落事故，將極有可能威脅井中工作人員的生命安全。另外主井擔負全礦井煤炭提升任務，如果井壁繼續粉化破裂，一旦固定托架梁、罐道梁的錨桿失效，造成罐道變形，甚至脫落，將嚴重影響礦井正常生產并發生重大事故。因此，在井筒修復時本著修復、預防并重的原則[9]，同時應充分考慮到井筒修復需停產、工期緊、任務重等因素[14]。根據上述情況，制定了“固、注、卸”的綜合治理方案，即：①“固”，采用井圈加固，通過籠形井圈對井壁進行加固[17]，由于該井筒為礦井主提升井筒，在井圈設置時既要考慮加固強度，又要考慮設置井圈后井壁與提升容器滿足《煤礦安全規程》最小間隙要求；②“注”，采用壁后注漿，通過注漿在井筒周圍形成注漿帷幕，要以壁后注漿堵水與壁后松散地層加固同時考慮，改善圍巖力學特性[10]；③“卸”，通過設置卸壓槽，有效地吸收井筒的豎向壓力[11]，對井壁的應力進行有效釋放[12]。

3.2 井圈加固修復

根據該井筒破壞特征，設計選用籠形井圈。該種方式可減少修復費用，縮短工期。井圈規格選用20號槽鋼加工，豎向采用14號槽鋼連接?？紤]到箕斗與井壁之間最小間隙僅為166mm，為保證井圈的支護強度、同時滿足規程規定的最小間隙要求，采用開切井圈槽及切割井圈鋼筋板相結合的方法安裝井圈。上下井圈均勻交叉布置，即上下井圈接頭不能在同一條豎線上，以增加井圈牢固強度[15]。井圈分為5節，每節弧長2.595m，并且在端頭焊厚10mm的鋼板堵頭，每個堵頭打2個Ф22mm孔，以備采用2顆螺栓連接。井圈加工與安裝如圖4所示，加工參數見表5，材料消耗量見表6。

圖4 井圈加工與安裝(mm)

表5 井圈加工參數

表6 材料消耗量

3.3 壁后注漿

注漿的目的主要在于確保挖補已破壞混凝土和開切卸壓槽時的施工安全和井筒安全，通過壁后注漿可有效地封堵破壞段井壁的出水點，增強井壁的封水性和抵抗水平地壓的能力[16]，提高現有井壁外部固結體的斷面，防止和減緩后期壁后地層沉降，且一定程度上減小壁后涌水對井壁的腐蝕作用。

根據井壁厚度、井筒穿越巖層巖性等因素，確定采用中深、中淺孔雙液(水泥+水玻璃)壁后注漿堵水、加固。中淺孔主要目的是封閉出水點，注漿孔深度宜為穿透井壁10～20cm；中深孔主要目的是加固圍巖，根據注漿擴散半徑，孔深控制在1～2m。

注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿。水泥型號P.O32.5；水玻璃模數2.8～3.2，濃度40Be'；水泥與水玻璃的體積比1∶0.2～1∶0.5。注漿順序由上而下，根據吃漿量和注漿壓力觀察注漿效果，如果出現吃漿量少且壓力上升快，打開孔口管閥門觀測仍有水涌出，說明此部位巖層裂隙小，用水泥、水玻璃雙液介質濃度大且顆粒粗，無法注入充填微細裂隙，在此情況下要變換注漿介質，采用ZK-Ⅲ型孔隙溶膠劑型化學漿液或波雷音馬麗散。注漿參數見表7。

表7 井筒注漿參數

3.4 卸壓槽設置

卸壓槽是在井壁內開切的 1 個水平環狀槽，用以釋放和衰減作用于井壁上的豎向附加力[16]。一部分卸壓槽布置在松散層下部井壁破壞段；還有一些井筒由于考慮到井壁破壞處破壞嚴重，并且為中等富水含水砂層或砂礫層，卸壓槽施工有一定風險，將卸壓槽放到了基巖風化帶或上面粘土層，位于井深49m處，從而遠離了井壁應力集中段。

卸壓槽尺寸：高度520mm，深度410mm。

卸壓槽充填材料：卸壓槽內充填的可壓縮材料要有一定的強度，且變形性能良好，對材料的物理力學性能應具有下列要求：首先在10MPa的壓應力作用下，要有較大的壓縮變形率;然后材料要便于加工和井下施工，它的防腐蝕和耐久性要好[16]。選用采用瀝青防腐的松木塊，松木塊尺寸為：長度400mm，大頭面寬×高=240mm×250mm，小頭面寬×高=199mm×250mm(考慮10mm灰縫)。每層63塊，合計126塊。

卸壓槽工程量及材料消費見表8。

表8 卸壓槽工程量及材料消耗量

4 井筒修復施工

井筒修復施工順序為：①工程準備→②井圈加固→③對井壁漏水點進行封堵(注漿)→④修補破壞處→⑤施工卸壓槽→⑥工程收尾。

4.1 臨時施工工作盤

根據主井筒內現有的2個箕斗情況，在不影響安全和生產的情況下，用壁厚不小于6mm鋼管在箕斗外延鋼梁上焊接固定管梁，再用小于管梁直徑的鋼管穿于其中，用頂絲固定至離井壁小于30cm的位置，上面鋪設不小于3cm厚的木板做施工平臺。

4.2 井圈槽施工及槽鋼豎向連接

井圈槽尺寸：高度220mm，深度不大于200mm。井圈槽施工要求：在施工過程中必須保證安全，成型要基本規整，避免對井壁的進一步破壞，采用混凝土靜切割機沿井壁切割輪廓線槽后，配合風鎬修整為輔。井圈后部背實、楔緊，保證其具有支撐力[19]，各節井圈之間采用對接式連接，水平采用錨桿或壁樁固定連接，要求架設在一個平面上，井圈各節間用鋼板楔實調整壁間尺寸后焊接不能松動。井圈與井壁采用小錨桿連接，每節井圈2個。井圈段采用上行式支護，即從下向上施工。井壁與井圈空隙，需采用細石混凝土充填密實。井圈與井壁之間的空隙采用鋼板或木板脹緊密實。在罐籠的兩角，如果架設井圈后安全提升間隔如果不足，需切割槽鋼翼，增加提升間隔。采用槽鋼豎向連接，主要是使各井圈重量均勻分布，防止較薄的井壁段由于增加井圈的重量而破裂。連接采用14號槽鋼，將槽鋼截成與井圈間距相匹配的短段，采用螺栓螺母的方式連接井圈。根據井筒裝備懸臂罐道梁的布置層位，井圈間距設計為兩種：與罐道層上下相鄰的井圈間距為0.85m，其它的井圈間距為0.83m，共設置50層。

4.3 注漿施工

要求注漿不能加劇井壁的破壞。井壁無嚴重破壞處可打探水孔，不能有滲水、涌水現象。注漿后在卸壓槽位置無出水點，4個不同方向探孔檢查壁后1.5m無水滲出。注漿要先稀后稠，先自下而上，再自上而下復注[20]。因本井筒為單層混凝土井壁，無外層井壁保護、隔水隔泥沙，故在開槽處先行打探孔確認井壁外地層情況，如探孔噴砂或泥漿應立即封孔調整開槽位置，若僅出清水、水壓不大的情況下則可進行上下5m范圍內，采用密集孔注漿加固，孔深確定2.5～4m，孔間距控制在0.8～1m內，確保開槽5m范圍內外部巖層的強度和不透水性，方可開槽。

4.4 卸壓槽施工

開切卸壓槽前需在開切位置均勻布置8個探水孔，孔深1.8m。經確認無滲水情況時方可進行擴大卸壓槽施工。擴槽時沿周長分成8個區段，對稱開挖然后充填。待卸壓槽達到各區段設計規格后，鋪墊防水砂漿，充填壓縮木，安裝應力計。然后用薄木板楔入空隙脹緊密實接頂。

5 結 論

1)通過對劉園子煤礦主立井井壁壁后窺視、對井壁試樣混凝土強度測定及壁后水質分析，主要存在混凝土強度未達到設計標準、施工過程中振搗不充分、井筒涌水水質有較強腐蝕性等問題，從而導致井壁發生粉化破碎，最大破裂寬度2.3m左右，最大深度可達20～30cm。

2)綜合修復治理方案既考慮了井筒裝備與井壁之間最小安全間隙要求，又充分考慮了施工工期短、任務重，盡可能減小對礦井正常生產的影響。

3)針對井壁破壞特征，采用了“固、注、卸”綜合治理方案，即：井圈加固井壁、注漿堵水和壁后松散地層加固及設置卸壓槽，不僅提高了井壁結構強度，而且改善圍巖力學特性，為實現井筒安全穩定運行提供了有力保障。

4)經過現場實際施工驗證及后期觀測，劉園子煤礦主立井井筒運行情況良好，基本滿足礦井正常生產需求，井壁未發現有出水點，未發生井壁破壞情況，為類似井筒修復治理提供了借鑒經驗。