立井井壁破裂原因分析及其預(yù)防和加固措施

王兵

（山西省煤炭工業(yè)廳基本建設(shè)局，山西 太原 030006）

立井井壁破裂原因分析及其預(yù)防和加固措施

王兵

（山西省煤炭工業(yè)廳基本建設(shè)局，山西 太原 030006）

分析了立井井壁破裂的原因，指出了立井井壁破裂的主要原因在于豎向附加應(yīng)力，并著重介紹了立井井壁破裂的預(yù)防措施和井壁破裂后的加固措施監(jiān)測手段。

井壁破裂；原因；預(yù)防措施；加固措施

伴隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，建成了一批大規(guī)模礦井，需要解決某些復(fù)雜技術(shù)問題，其中有些立井井壁出現(xiàn)裂紋，甚至發(fā)生有破裂現(xiàn)象，立井井壁的破裂嚴(yán)重影響著礦井的安全生產(chǎn)，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真分析立井井壁破裂的原因。

1 立井井壁破裂的原因分析

施工質(zhì)量問題，持此觀點的人認(rèn)為，井壁不管在設(shè)計基礎(chǔ)、還是受力方式上都是正確的，導(dǎo)致井壁破裂原因是由于施工質(zhì)量，導(dǎo)致混凝土井壁的實際強(qiáng)度低于設(shè)計值，井壁沒有足夠的強(qiáng)度抵御水平地壓，最終導(dǎo)致井壁破裂。

設(shè)計不合理造成井壁強(qiáng)度先天不足，實際工作中的設(shè)計人員分析載荷時，往往只考慮來自地壓力和混凝土井壁自重的載荷，忽視了來自不穩(wěn)定地質(zhì)條件下地層的不均勻下沉增加的載荷，而使井壁承受不均勻附加載荷，最終導(dǎo)致井壁破裂。

負(fù)摩擦力造成井壁破裂，由于疏、排水等原因引起井筒周圍柔性土層的下沉，從而使剛性井壁產(chǎn)生一個側(cè)向向下的負(fù)摩擦力，這種負(fù)摩擦力導(dǎo)致井壁破裂［1］。

地應(yīng)力的地質(zhì)原因是由于地震及地殼的運動造成地應(yīng)力加大，地層沿垂直和水平方向發(fā)生了相對位移，最終導(dǎo)致井壁在地應(yīng)力作用下發(fā)生破裂。

井壁豎向附加應(yīng)力引起井壁破裂者認(rèn)為作用于井壁的豎向附加應(yīng)力是造成井壁破裂的主要原因。地層底部含水層疏水、季節(jié)溫度變化以凍結(jié)井壁的凍融等因素是產(chǎn)生豎向附加應(yīng)力的原因，其中主要原因是由于底部含水層疏水。井壁破壞是因底部含水層排水使地下水位下降，造成地層中有效應(yīng)力增加，使井壁周圍地層固結(jié)而下沉。由于底部含水層疏排水使地下水位下降（包括地表用水和開鑿礦井所造成的），井壁與周圍土體的界面作用，在井壁外側(cè)面產(chǎn)生了一個向下的摩擦力，導(dǎo)致井壁破壞；季節(jié)冷熱溫度的變化和凍結(jié)井壁的凍融引起井壁相對土層的熱脹冷縮現(xiàn)象，而使井壁外側(cè)面產(chǎn)生一個摩擦力。礦井井壁的破裂是由外部因素和內(nèi)部因素共同作用的結(jié)果。究其主要原因是由于井壁上的豎向附加應(yīng)力所引起的。

2 立井井壁破裂的預(yù)防措施

2.1 井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理化

井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理化，首先要重新考慮設(shè)計載荷的分配，設(shè)計時應(yīng)充分考慮井壁抵抗附加應(yīng)力的能力，應(yīng)按組合圓筒設(shè)計理論進(jìn)行內(nèi)外井壁的優(yōu)化設(shè)計，要在多發(fā)事故區(qū)域段內(nèi)，重點考慮井壁的強(qiáng)度和剛度。采用凍結(jié)法施工時，形成的凍土層，在前期是對井筒的一種臨時保護(hù)措施；當(dāng)其完工后，其作用就會消失；當(dāng)其解凍后，由于圍巖沉降，會對井壁造成破壞。內(nèi)、外井壁之間的空隙，可以有效預(yù)防不均勻沉降所帶來的附加載荷；設(shè)計時不能將內(nèi)、外井壁結(jié)合成一個整體，外井壁的接茬比較多，致使其防水性能較差，設(shè)計時應(yīng)充分考慮內(nèi)井壁的設(shè)計強(qiáng)度，應(yīng)能抵抗來自水的壓力對井壁的影響。這些因素在井壁設(shè)計時都應(yīng)考慮在內(nèi)。

2.2 加強(qiáng)施工質(zhì)量的保證

采用凍結(jié)法施工的礦井，由于井壁在井下施工，現(xiàn)場條件惡劣，環(huán)境溫度較低，混凝土在這樣條件下得不到很好的養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期長，強(qiáng)度增長緩慢，混凝土強(qiáng)度往往達(dá)不到設(shè)計等級。再者，井壁由于受到凍結(jié)壓力的影響，致使井壁外表面比較粗糙，整體性差，會出現(xiàn)蜂窩麻面現(xiàn)象。從破壞的井筒來看，普遍存在著施工質(zhì)量問題，混凝土水灰比控制不嚴(yán)，有漏筋現(xiàn)象，鋼筋綁扎不符合規(guī)范，混凝土強(qiáng)度等級達(dá)不到設(shè)計值等，致使井壁常會出現(xiàn)脫落和修補現(xiàn)象。所以加強(qiáng)施工質(zhì)量的管理顯得尤為重要。

2.3 改進(jìn)施工工藝

采用凍結(jié)法施工厚表土井壁結(jié)構(gòu)時，為了緩解凍結(jié)壓力對井壁的影響，可施工時，在外壁和井幫之間墊2～3層泡沫板，或用小砌塊進(jìn)行支護(hù)，相當(dāng)于在井壁與土體之間增加了一個滑動面，可以減弱凍結(jié)井壁與外層井壁之間的摩擦力，有效地減小作用于井壁的豎向附加應(yīng)力。施工時在內(nèi)外井壁之間加設(shè)柔性防水材料（例如瀝青層等），一方面可以減弱作用于井壁的豎向附加應(yīng)力，使內(nèi)壁承受均勻地壓，改善其受力狀況；另一方面還可起到防水抗?jié)B的作用。實踐證明，改進(jìn)施工工藝可有效地減小豎向附加應(yīng)力對井壁的影響，保護(hù)井壁安全。

2.4 準(zhǔn)確掌握礦井水文地質(zhì)資料

在新井開工前打安全檢查孔，對含水層做分層抽水試驗等，都是為施工提供可靠的水文地質(zhì)資料。準(zhǔn)確的掌握水文地質(zhì)資料對于礦井的設(shè)計和施工都是至關(guān)重要的。由于水文地質(zhì)資料的不準(zhǔn)確，給井壁帶來安全隱患的實例很多。

3 立井井壁破裂的加固措施

豎向附加應(yīng)力是導(dǎo)致井壁破裂的主要原因。對井壁加固時，主要從井壁、地層、水頭三個方面加以考慮。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)的加固措施

鋼結(jié)構(gòu)的加固方法在治理破裂井壁中最先被采用，它是利用槽鋼井圈結(jié)構(gòu)阻止井筒的進(jìn)一步破壞。具體做法是：在井壁內(nèi)緣架設(shè)18號～22號槽鋼鋼圈，間距在0.2～0.4m之間，縱向采用鋼軌聯(lián)接，間距在1.0～1.5m之間，使其連為一個整體，在井壁破裂處采用槽鋼做背板，結(jié)構(gòu)表面噴射高強(qiáng)度混凝土。鋼結(jié)構(gòu)加固措施施工速度快，見效直接，但是由于鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，抵御不了井筒的豎向和徑向變形，限制了其適用范圍，只能作為臨時加固措施，不能從根本上消除井筒破壞隱患。

3.2 破壁注漿加固措施

這種方法是在井壁上鉆孔，將漿液穿過井壁灌注到井壁周圍一定范圍內(nèi)的巖土層或強(qiáng)風(fēng)化巖層中，加強(qiáng)井筒周圍巖土層的穩(wěn)定性，并可防止周圍地層的失水沉降。破壁注漿可以在井筒周圍形成一個帷幕帶來承受附加應(yīng)力，改變井壁的受力狀態(tài)，使之得到改善。同時破壁注漿還可填充井壁周圍的空隙，進(jìn)一步提高了井壁自身的防水、抗?jié)B能力。

破壁注漿加固是作為鋼結(jié)構(gòu)加固的后續(xù)方法，它的針對性強(qiáng)、施工質(zhì)量可靠，但是破壁注漿的帷幕通常只有1～2m，很難達(dá)到根治破裂井壁的目的。

3.3 卸壓槽的加固措施

從力學(xué)機(jī)理上考慮井壁加固，一是“讓”；二是“抗”。在井壁開卸壓槽措施治理破裂井壁技術(shù)，就是對豎向附加力采用“適應(yīng)”，即“讓”的技術(shù)［2］，卸壓槽的加固是使井壁在豎直方向上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)淖冃?，以吸收附加?yīng)力對井壁產(chǎn)生變形，同時卸壓槽還應(yīng)保證有足夠的強(qiáng)度和剛度抵抗水平地壓。卸壓槽的開設(shè)位置可選擇在底部含水層或強(qiáng)風(fēng)化帶高應(yīng)力區(qū)段的內(nèi)井壁上，開設(shè)方式以水平環(huán)形槽為宜，并應(yīng)填充可塑性材料（如瀝青防腐松木塊等），使井壁有可壓縮性變形，使井壁能隨地層的沉降而壓縮。這樣，卸壓槽就可吸收作用在井壁上的豎向附加應(yīng)力，防止井壁破壞。卸壓槽的開設(shè)數(shù)量一般設(shè)1～2個，可視表土層厚度和井壁的破損情況而定；當(dāng)破損帶距表土層與基巖分界面較遠(yuǎn)時，應(yīng)設(shè)2個卸壓槽，以達(dá)到分段吸收附加應(yīng)力的效果。卸壓槽的位置一般設(shè)在井壁破裂帶或者表土與基巖交界的上方為佳，這可更好地將自上而下的豎向附加應(yīng)力傳遞到開好的卸壓槽上，以防二次破壞。卸壓槽的開設(shè)降低了井壁的豎向剛度，吸收了附加應(yīng)力對于井壁的豎向變形，保證了井壁的整體結(jié)構(gòu)的完整性，充分體現(xiàn)了“讓”的特性,同時可以縮小卸壓槽處井壁徑向變形，實踐證明，在井壁上開設(shè)卸壓槽加固措施是經(jīng)濟(jì)、合理、可行的一種井壁加固措施。

3.4 地面注漿加固措施

地面注漿就是從地面打孔注漿，將漿液注入到井筒外圍的松散層底部含水層段和強(qiáng)風(fēng)化段基層，就可使井筒周圍形成一個大范圍的注漿帷幕。注漿帷幕，首先可以防止井筒附近底部含水層和強(qiáng)風(fēng)化段基巖的水滲漏，使帷幕內(nèi)的含水層和強(qiáng)風(fēng)化帶不再產(chǎn)生失水，起到保護(hù)井壁免受侵蝕的作用；其次可以提高注漿處底部含水層和強(qiáng)風(fēng)化帶的強(qiáng)度，減小其豎向變形，從而達(dá)到減小土與井壁的間豎向附加應(yīng)力的作用。

地面注漿材料的選擇應(yīng)該遵循提高巖土層力學(xué)性能；起到防滲堵漏的作用；選用超細(xì)材料，保證漿液的擴(kuò)散性;選用材料時應(yīng)考慮巖土層中含有的酸、堿或者其他有機(jī)物質(zhì)是否與注漿材料發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)；經(jīng)濟(jì)適用的原則。一般選用水泥類漿液（配以早強(qiáng)劑、速凝劑、塑化劑、懸浮劑等附加劑）、水泥-水玻璃類漿液、粉煤灰水泥漿材、脲醛樹脂類注漿材料。大量實測資料表明，凡采用地面注漿法加固的井壁基本上達(dá)到了根治的目的，相應(yīng)典型事例很多。

以上幾種加固措施并不一定單獨使用，應(yīng)根據(jù)井筒的實際情況，可選擇幾種措施聯(lián)合加固（例如：鋼結(jié)構(gòu)+破壁注漿+卸壓槽），使之效果更佳；目前通用的行之有效的辦法，還是按照“豎讓”與“橫抗”相結(jié)合的治理原則來制定加固措施。

4 加強(qiáng)井壁監(jiān)測工作

加強(qiáng)井壁監(jiān)測就是要實時監(jiān)控井壁的受力和位移變化情況，為煤礦井壁破裂預(yù)防防治提供可靠依據(jù)。長期建立井壁監(jiān)測系統(tǒng)，及時準(zhǔn)確掌握井壁的應(yīng)力和應(yīng)變變化情況，從根本上保證安全生產(chǎn)，具體做法可有：井架和井筒周圍設(shè)置沉降觀測點，定期進(jìn)行沉降觀測與記錄（尤其在新井建成一年內(nèi)）。在井壁（尤其是在重點部位）安裝應(yīng)力和應(yīng)變觀測裝置。定期觀測井壁附近的水文鉆孔水位變化情況。

［1］倪興華、隋旺華，等.煤礦立井井壁破裂防治技術(shù)研究［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［2］陳群忠，楊東英.特厚第四系覆蓋層內(nèi)井壁破裂機(jī)理分析與治理［J］.煤礦安全，2002，33（1）：29-30.

Analysis of Shaft-lining Ruptures and its Measures of Prevention and Reinforcement

WANG Bing
（Bureau of Capital Construction of Shanxi Coal Industry Office,Taiyuan Shanxi 030006,China）

By the analysis of shaft-lining ruptures,the paper indicates the main reason of ruptures lies in the vertical additional stress and introduces prevention measures and monitoring means to its reinforcement measures.

Shaft-lining ruptures;Reasons;Prevention measures;Reinforcement measures

TD262.2

A

1672-5050（2010）03-0060-03

2009-11-20

王 兵（1971—），男，山西太原人，工程師，注冊安全工程師，安全評價師，從事礦山基建設(shè)計工作。

劉新光