回風(fēng)立井井筒破壞的修復(fù)技術(shù)研究

王善新 楊建民 劉曉強(qiáng) 賈高遠(yuǎn) 閆晰嶺 劉 鵬

（平煤神馬建工集團(tuán)，河南平頂山市，467000）

回風(fēng)立井井筒破壞的修復(fù)技術(shù)研究

王善新 楊建民 劉曉強(qiáng) 賈高遠(yuǎn) 閆晰嶺 劉 鵬

（平煤神馬建工集團(tuán)，河南平頂山市，467000）

煤礦在用井筒因周邊采動的影響，井筒井壁出現(xiàn)脫落、垮塌等，嚴(yán)重影響其使用功能。分析了回風(fēng)立井井筒破壞的機(jī)理，介紹了修復(fù)技術(shù)和方案。

回風(fēng)立井井筒 垮塌破壞 修復(fù)技術(shù)

1 井筒概況

平煤十礦三水平回風(fēng)立井井筒直徑6.5m、半徑3.25m，井深484.8m，壁厚400mm，采用素砼支護(hù)，混凝土標(biāo)號C30。井筒實(shí)測柱狀顯示井口以下18.5m為亂石粘土層及鋁土質(zhì)泥巖。在井深79～85.5m見兩條煤線，煤厚0.5m。在井深92.0m處見一煤層，煤厚1.1m。在井深101.7～110.5m分別見0.6m煤線和1.2m兩層煤層。在井深101.7～157.8m井筒東側(cè)見構(gòu)造、正斷層，在井深132m見斷交點(diǎn)，井深157.8m處斷層過完，井深157.8～398m間共揭露0.5m以下煤線8條，巖性主要為泥巖，砂質(zhì)泥巖，粉細(xì)砂巖，井深399m處見一鏡煤，煤厚0.9m，在井深428m處見丁組煤層煤厚1.6m。井筒落底在灰白色細(xì)砂巖中。

回風(fēng)立井于2003年5月投入使用。在正常使用期間，無提升設(shè)施。使用過程中因受周邊采動影響，于2012年4月出現(xiàn)垮塌脫落破壞。

2 井筒損壞情況

井筒井壁受動壓影響，出現(xiàn)脫落，露出巖壁，漏渣深度大，井壁脫落高度較高。根據(jù)井筒現(xiàn)場勘察，井筒內(nèi)無出水現(xiàn)象，在井深0～424m段完好無破壞現(xiàn)象，井深424～436m段出現(xiàn)一南高、北低、傾角約40°、高約3.0～5.0m的破壞斜溝槽，槽深0～3.5m，溝槽處井壁和圍巖因受壓擠出脫落。井壁破壞的上下沿線與煤層底板等高線走向基本一致，破壞段上下高度7.5m。在破壞段內(nèi)出現(xiàn)有1.5m和0.4m厚的煤層，煤層底板為灰黑色泥巖，頂板為灰色沙質(zhì)泥巖。破壞段展開示意圖、斷面圖見圖1和圖2。圖2中1－1、2－2、3－3、4－4、5－5、6－6表示井深424～436m破壞段內(nèi)每間隔2m的斷面。從圖2看出，井筒由南側(cè)1－1斷面垮塌開始逐步擴(kuò)展到4－4斷面，環(huán)繞井筒一周。

圖1 井筒破壞段展開示意圖

圖2 井筒破壞段斷面垮塌深度示意圖

3 井筒變形垮塌破壞機(jī)理

該井筒破壞段無出水。破壞部位發(fā)生在井筒穿過巖體斷裂面或軟弱層面處。因采動出現(xiàn)了臨空面，打破了圍巖原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使圍巖應(yīng)力重新分布，形成了新的應(yīng)力場，即圍巖的二次應(yīng)力，圍巖也同時(shí)產(chǎn)生不同方向的位移，使得巖體沿弱面（斷裂面、軟弱層面）滑動產(chǎn)生擠壓和剪切。當(dāng)巖體周圍的應(yīng)力失去平衡，特別是位于弱面方向?qū)ζ鋷r體的支承能力減小或失去時(shí)，在巖體荷載應(yīng)力的作用下，縱向和橫向分別產(chǎn)生剪切力和擠壓力，在剪切力和擠壓力作用下，巖體產(chǎn)生滑動。井筒周圍巖體的擴(kuò)張對井筒井壁產(chǎn)生徑向壓力。井筒井壁在豎向壓縮和徑向壓力的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生破裂。從圍巖和井筒變形破壞程度來看，當(dāng)井筒井壁外表面同圍巖間粘著力達(dá)到極限強(qiáng)度后，即固結(jié)面斷裂后，井筒井壁垮塌破裂脫落。

4 井筒修復(fù)技術(shù)

4.1 狀態(tài)修復(fù)方案

井筒破壞后，對于應(yīng)力狀態(tài)的修復(fù)，必須使表面應(yīng)力達(dá)到一定的量值，才能起到有效的修復(fù)。目前能做到的就是通過給錨桿增加足夠的預(yù)緊力，對巷道自由面主動施加一定的表面應(yīng)力。增加噴射混凝土厚度提高其抗彎強(qiáng)度和剛度，在噴層中布設(shè)內(nèi)外雙層鋼筋格柵網(wǎng)，形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4.2 主動讓壓措施

在424～436m井深破壞段的圍巖處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，采動后，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，圍巖引起變形、破壞，應(yīng)力需要重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。使圍巖避免再次破壞的關(guān)鍵就是對其變化過程進(jìn)行有效控制，達(dá)到穩(wěn)定性要求。根據(jù)已掌握的支護(hù)圍巖變形規(guī)律，采用高強(qiáng)錨桿配合U36型鋼井圈和鋼模板，然后澆筑混凝土進(jìn)行充填修補(bǔ)，再補(bǔ)充完整井圈支護(hù)，它不僅能提供較高的壓力，且能夠有效地減小變形。同時(shí)，在已經(jīng)垮塌、圍巖破碎的立井井筒中，采用聯(lián)合支護(hù)手段。

4.3 變形破壞控制方案

巷道圍巖的變形控制是一個(gè)復(fù)雜的綜合工程，通過狀態(tài)修復(fù)和主動讓壓措施后，使圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體。主動讓壓后的荷載還要控制其變形，防止破壞，對支護(hù)層采取高強(qiáng)抗折抗裂措施。

（1）在424～436m井深破壞段，為提高噴層的抗折能力，在噴層中設(shè)置內(nèi)外兩層鋼芭網(wǎng)，內(nèi)層鋼芭網(wǎng)通過錨桿托盤緊壓固定在初噴層上，外層鋼芭網(wǎng)綁扎在鋼筋格網(wǎng)柵骨架上，如圖3所示。

圖3 破壞段支護(hù)層水平剖面圖

（2）在混凝土充填空間內(nèi)加設(shè)鋼筋格網(wǎng)柵作為骨架，鋼筋與混凝土能夠牢固地結(jié)合。鋼筋格網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)如圖4所示，鋼筋采用直徑為20mm的螺紋鋼制作，圖中的尺寸應(yīng)根據(jù)充填空間的大小合理確定，鋼筋格網(wǎng)柵骨架的數(shù)量根據(jù)垮塌高度而定，一般為200～500mm做一層。

圖4 鋼筋格網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)圖

（3）在井筒破壞段，井壁外掛U36型鋼井圈和鋼模板，充填混凝土，并搗鼓密實(shí)。這樣形成的噴層不僅抗彎強(qiáng)度和剛度高，而且抗折、抗裂，能夠?qū)36鋼圈和錨桿的預(yù)應(yīng)力均勻傳遞到整個(gè)圍巖體。該支護(hù)層一方面協(xié)調(diào)自身的受力分布，控制井筒變形，另一方面與各結(jié)構(gòu)層構(gòu)成受力整體，實(shí)現(xiàn)圍巖承載圈范圍的擴(kuò)大。

5 修復(fù)施工

該回風(fēng)立井無提升設(shè)施，修復(fù)施工需搭設(shè)臨時(shí)提升設(shè)施及懸吊設(shè)施。主通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，防爆門打開后，形成自然通風(fēng)，井筒內(nèi)為新鮮風(fēng)流。施工地點(diǎn)的通風(fēng)量根據(jù)現(xiàn)場工作情況進(jìn)行調(diào)定。施工時(shí)，施工人員乘坐吊桶入井，作業(yè)人員站在吊盤上進(jìn)行工作。修復(fù)方法是利用錨網(wǎng)加U型鋼進(jìn)行讓壓和抗壓支護(hù)。先將垮塌破裂地段采用錨網(wǎng)噴臨時(shí)支護(hù)后，固定U36型鋼井圈和鋼模板，在大的垮塌空間內(nèi)設(shè)置鋼筋格柵網(wǎng)，然后澆筑混凝土進(jìn)行充填修補(bǔ)，再進(jìn)行補(bǔ)充完整井圈支護(hù)。

5.1 錨網(wǎng)噴臨時(shí)支護(hù)

錨網(wǎng)噴支護(hù)沿井筒由上向下分段施工。

（1）敲掉圍巖浮矸。人員站在吊盤上，用長鉤釬、風(fēng)鎬等工具，將井壁和圍巖上的浮矸或堆積物敲掉并清理干凈。

（2）打錨桿、掛網(wǎng)。敲掉浮矸或堆積物后，人員站在吊盤上，用YT－28風(fēng)鉆在井壁破壞地段上方1m范圍內(nèi)打兩排錨桿并掛網(wǎng)，采用?20mm×2400mm的樹脂錨桿，錨桿間排距為700mm×700mm，每根錨桿用3卷Z2335型樹脂藥卷，外露長度不超過50mm，角度不小于75°，鋼笆網(wǎng)規(guī)格為2.6×0.9－?6mm，網(wǎng)格80mm×80mm，鋼笆網(wǎng)搭接長度不小于100mm，采用順掛方式（即橫短豎長），超出井壁段的網(wǎng)片沿破壞線外折于破壞面，用錨桿壓茬，打錨桿、掛網(wǎng)嚴(yán)格按照由里向外的施工順序進(jìn)行。當(dāng)在吊盤上無法打錨桿、掛網(wǎng)時(shí)，架設(shè)工作臺。

（3）噴射混凝土。錨網(wǎng)支護(hù)后（高度不超過2 m），人員站在吊盤或工作臺上噴射50mm厚的C20混凝土。

5.2 井圈、鋼模板澆筑混凝土支護(hù)

井圈、鋼模板澆筑混凝土支護(hù)沿井筒由下往上分段施工。

（1）固定U36型井圈。在臨時(shí)支護(hù)完畢后，吊盤停落在破壞溝槽下沿，人員站在吊盤上往破壞槽里由下向上依次架設(shè)U36型鋼井圈，井圈間距500mm，架設(shè)高度每次不超過1.5m，相鄰兩節(jié)井圈由卡纜固定，搭接長度500mm。局部破壞無水平貫通區(qū)段內(nèi)架設(shè)井圈由錨桿固定；架設(shè)完整井圈采用錨桿和6寸鋼管聯(lián)合固定，每節(jié)井圈的固定點(diǎn)不少于2個(gè)。

（2）立鋼模板。最下層模板必須架設(shè)水平，采用段高為1.25m的組合鋼板，鋼板固定在井圈上，鋼板與鋼板間用螺栓連接。

（3）澆筑混凝土。立模完畢后，澆筑混凝土。利用輸送泵將混凝土沿溜灰管輸送到垮塌空間。在吊盤上安設(shè)一個(gè)緩沖器，減緩混凝土速度。澆筑混凝土?xí)r，采用對稱旋轉(zhuǎn)澆筑，以防鋼模板移動；充填要均勻、密實(shí)，保證充填飽滿無空洞。

5.3 補(bǔ)充完整井圈支護(hù)

井圈、鋼模板澆筑混凝土支護(hù)完畢后，在不能用完整井圈支護(hù)的地段采用補(bǔ)充完整井圈支護(hù)。吊桶升至合適位置后，人員在破壞區(qū)域上方2m處打?20mm×2400mm樹脂錨桿，打錨桿后架設(shè)搭接長度500mm、直徑5.6m的U36型鋼井圈，每節(jié)用卡纜固定，然后用錨桿固定于井壁，每節(jié)不低于2個(gè)固定點(diǎn)；再沿井筒由上向下依次架設(shè)井圈，間距500mm，每架井圈用?20mm圓鋼的Z型拉桿相連，拉桿不少于6根，每架井圈用錨桿固定于井壁，中間段井圈采用8＃鐵絲相連，相連間距不超過500mm，重復(fù)以上工序，支護(hù)到破壞段下、完好井壁2m處。

6 結(jié)語

破壞井筒的修復(fù)采用格柵鋼架與噴射混凝土的方案，骨架與混凝土粘結(jié)好，與圍巖結(jié)合形成整體后，不會因受力出現(xiàn)粘結(jié)面開裂和脫離的現(xiàn)象，兩者能夠共同承受圍巖壓力。這種施工方案優(yōu)點(diǎn)是：施工方便，安全系數(shù)高；可自上而下施工，施工速度快，對于搶險(xiǎn)工程來說，確保了安全，爭取了時(shí)間。同時(shí)也存在著一些缺點(diǎn)：施工工序相對復(fù)雜；通風(fēng)斷面不光滑，會造成通風(fēng)阻力。

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Study on repairing technique for collapse of return－air shaft

Wang Shanxin，Yang Jianmin，Liu Xiaoqiang，Jia Gaoyuan，Yan Xiling，Liu Peng
（China Pingmei Shenma Jiangong Group，Pingdingshan，Henan 467000，China）

Due to the mining work around it，the shaft sidewall will fall off or collapse，which seriously affects its functions.In this paper，the return－air shaft damage mechanism is analyzed and the repairing technique and scheme are introduced.

return－air shaft，collapse，repairing technique

TD266

B

王善新（1967－），男，河南登封人，工程師，1990年畢業(yè)于焦作礦業(yè)學(xué)院，現(xiàn)從事礦山建設(shè)工程管理工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）