靜態(tài)破碎在副立井井壁修復(fù)中的應(yīng)用實(shí)踐

摘 要：文章以陜西省麟游縣園子溝煤礦副立井井壁-566.00m～-573.2m破壞段作為工程背景，研究該破壞段井壁返修實(shí)踐應(yīng)用技術(shù)。依據(jù)靜壓破碎原理修復(fù)破壞段井壁，在井壁破除中選用靜態(tài)破碎劑，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)展了應(yīng)用前、后效果對(duì)比分析。實(shí)踐結(jié)果表明，該方法切實(shí)可行，具有節(jié)省材料、降低工程造價(jià)、縮短返修工期、減少圍巖擾動(dòng)破壞影響等優(yōu)點(diǎn)。該方法的成功應(yīng)用可為類似工程提供參考依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)，值得推廣借鑒。

關(guān)健詞：靜態(tài)破碎；副立井井筒；井壁修復(fù)；應(yīng)用實(shí)踐

1 工程背景

1.1 副立井井筒概況

園子溝礦井位于陜西省麟游縣境內(nèi)，井田北以陜、甘為界，南以礦權(quán)邊界線為界，西以麟游區(qū)邊界為界，東以無(wú)煤區(qū)與丈八井田相隔。井田東西長(zhǎng)12.2～20.4km，南北長(zhǎng)5.3～13.2km，面積241.5km2。該礦井采用“三條立井”單一水平開(kāi)拓全井田，設(shè)計(jì)井筒施工采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)段井筒采用雙層井壁結(jié)構(gòu)。

園子溝礦副立井井筒設(shè)計(jì)井深616.42m，井筒凈直徑9.2m，最大開(kāi)挖直徑11.9m，井筒凈斷面S凈=66.48m2，鋼筋混凝土支護(hù)（厚度1350～650mm），井筒上部采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)深度365m；下部采用普通法施工。井筒共分為四個(gè)部分：井口鎖口段、凍結(jié)段、井筒基巖段、副井井底與井底車場(chǎng)連接處及井底水窩段：

（1）井口鎖口段（±0～-7m段）。設(shè)計(jì)臨時(shí)支護(hù)為磚砌，支護(hù)厚度1000mm。掘進(jìn)斷面S掘=98.52m2。

（2）凍結(jié)段（-7～-350.42m段）。-7～-350.42m為雙層井壁段，設(shè)計(jì)為雙層井壁，雙層鋼筋混凝土澆筑。其中-7～-204.42m段：掘進(jìn)斷面S掘=98.52m2，壁厚1000mm，內(nèi)壁厚550mm，外壁厚450mm，內(nèi)壁為C50砼，外壁為C40砼。-204.42～-350.42m段：掘進(jìn)斷面S掘=111.22m2，壁厚1350mm，內(nèi)壁厚900mm，外壁厚450mm，內(nèi)壁為C60砼，外壁為C40砼。

（3）井筒基巖段（-354.42～-587.5m段）。-354.42～-567.5m段，掘進(jìn)斷面S掘=86.59m2，設(shè)計(jì)為C50鋼筋混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度為650mm。-567.5～-580.5m段，掘進(jìn)斷面S掘=88.25m2，設(shè)計(jì)為C50鋼筋混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度為700mm。

（4）副井井底與井底車場(chǎng)連接處及井底水窩段（-580.5～-616.43m段）。

1.2 井壁變形破壞情況

園子溝礦副立井井壁在施工完成后發(fā)生局部井壁變形破壞，破壞段位于-566.00m～-573.2m，其井筒分兩模澆筑完成，模板段高3.6m，分二段施工，施工起始時(shí)間2013年11月27日～11月30日，累計(jì)砼使用方量230m3（設(shè)計(jì)方量為156.6m3）。破壞情況如下：

（1）井筒北側(cè)：設(shè)備通道底板預(yù)留梁窩處至北側(cè)馬頭門頂板之間出現(xiàn)豎向裂隙，并且局部保護(hù)層開(kāi)裂掉落，外露的內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋出現(xiàn)整體向外彎曲。

（2）井筒南側(cè)：安全通道底板預(yù)留梁窩處至南側(cè)馬頭門頂板之間出現(xiàn)縱裂隙，并且局部保護(hù)層開(kāi)裂掉落，外露的內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋出現(xiàn)整體向外彎曲。如圖1所示。

1.3 井壁變形破壞原因分析

結(jié)合上述園子溝礦副立井井壁-566.00m～-573.2m破壞情況，總結(jié)得出以下幾點(diǎn)破壞原因：

（1）變形段井壁位于軟弱巖層群處，巖石強(qiáng)度均不高，承載能力低；（2）泥質(zhì)成分含量高，遇水弱化程度高；（3）井筒淋水導(dǎo)致泥巖膨脹、弱化；（4）馬頭門、行人通道及設(shè)備通道構(gòu)成南北向弱面、地層傾向及地質(zhì)構(gòu)造原因，受東西向地應(yīng)力擠壓，導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)；（5）處于硐室巷道群，相互影響互相擾動(dòng)嚴(yán)重、開(kāi)挖面積大，巖石承壓能力減弱；（6）該段處于井底部位馬頭門斷面大，應(yīng)力釋放的主要區(qū)域。

2 井壁破壞段破除機(jī)理分析

為了返修園子溝礦井副立井-566.00m～-573.2m破壞段井壁，需要先破除原有的鋼筋混凝土井壁，破除方法盡量采用圍巖無(wú)擾動(dòng)的破除技術(shù)，故此選用靜壓破碎原理。靜態(tài)破碎是利用裝入鉆孔中的靜態(tài)破碎劑的水化反應(yīng)做功破壞介質(zhì)[1-6]，水化反應(yīng)表示為：

CaO+H2O→Ca（OH）2+6.5×104J （1）

當(dāng)CaO轉(zhuǎn)變?yōu)镃a（OH）2時(shí)，其晶體由立方體轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)三方偏三角面晶體，這種晶型的變化會(huì)引起晶體體積的膨脹。根據(jù)測(cè)定，在自由膨脹的前提下，反應(yīng)后的體積可增大1.3～1.4倍。膨脹壓力緩慢的施加給孔壁，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后壓力可上升到30MPa～40MPa介質(zhì)在這種壓力作用下會(huì)產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力，使脆性材料在拉伸應(yīng)力作用下，沿鉆孔之間產(chǎn)生裂縫，隨著膨脹壓力的增加裂隙逐漸擴(kuò)展成裂縫，繼而導(dǎo)致介質(zhì)破壞。

3 工程應(yīng)用

依據(jù)文章靜壓破碎原理，在井壁破除中選用靜態(tài)破碎劑，其方案如下。

3.1 初始破除方案

破除段井壁混凝土強(qiáng)度C50，壁厚700mm，井壁主筋雙層Ф25。砼破除采用人工配合G9風(fēng)鎬開(kāi)挖。巖體開(kāi)擴(kuò)刷采用人工配合G9風(fēng)鎬開(kāi)挖，原鋼筋、網(wǎng)片采用氧氣割切除。井筒破裂段-566.00～-573.20m由下向上分四部分破除，每段破除寬度為7.23m（井筒周長(zhǎng)的1/4），每次開(kāi)挖段高為7.2m，破除順序：先北側(cè)→南側(cè)→東側(cè)→最后西側(cè)。破除后井筒擴(kuò)刷（開(kāi)挖）直徑要達(dá)到Φ11.4m，設(shè)計(jì)臨時(shí)噴砼支護(hù)100mm。

按原始破除方案施工時(shí)由于C50混凝土強(qiáng)度高，未破壞部分井壁完好單純用人工風(fēng)鎬開(kāi)挖每班開(kāi)挖量約1.5m3且損壞大量鉗頭，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，耽誤工期，直接影響到副井永久裝備和礦井的投產(chǎn)。

3.2 改進(jìn)方案

在初始井壁破壞方案的基礎(chǔ)上，采用靜態(tài)破碎劑與人工風(fēng)鎬開(kāi)挖配合施工技術(shù)。其操作步驟為鉆孔→濕潤(rùn)→裝孔→封口→開(kāi)裂。施工工藝和施工技術(shù)如下：

3.2.1 施工工藝

（1）布眼前首先確定至少有一個(gè)以上自由面（臨空面），鉆孔方向應(yīng)盡可能做到與自由面平行；切割混凝土?xí)r同一排鉆孔應(yīng)盡可能保持在一個(gè)平面上；（2）使用鉆機(jī)鉆好孔后，應(yīng)用高壓風(fēng)吹洗干凈，孔口旁應(yīng)干凈無(wú)土無(wú)渣；（3）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，水灰比（質(zhì)量比）0.2：1時(shí)，靜態(tài)破碎劑有最大的膨脹壓力。因膨脹劑有少些腐蝕性應(yīng)帶橡皮手套，裝藥深度為孔深的100%；（4）水平方向和向上的鉆孔，可用比鉆孔直徑稍小的高強(qiáng)度長(zhǎng)纖維袋（水炮泥袋）裝入藥劑，按一個(gè)操作循環(huán)所需要的藥卷數(shù)量，放在盆中倒入潔凈水完全浸泡，50秒后藥卷充分濕潤(rùn)、完全不冒氣泡時(shí)，取出藥卷從孔底開(kāi)始逐條裝入并捅緊，密實(shí)地裝填到孔口，即集中浸泡，充分浸透，逐條裝入，孔口用失效錨固劑封上保證水分藥劑不流出、不沖孔；（5）每次拌藥量不能超過(guò)實(shí)際能夠完成的工作量。在浸泡過(guò)程中，取藥、加水、濕潤(rùn)、裝孔過(guò)程應(yīng)基本保持一致，可以讓每個(gè)孔內(nèi)藥劑的最大膨脹壓基本保持同期出現(xiàn)，有利于混凝土的破碎；（6）濕潤(rùn)過(guò)程中已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的藥劑不容許裝入孔內(nèi)，從藥劑加入水到灌裝完成，這個(gè)過(guò)程的時(shí)間不能超過(guò)10分鐘，否則容易沖孔；（7）裝藥后，經(jīng)過(guò)24小時(shí)反應(yīng)時(shí)間介質(zhì)即可自然開(kāi)

裂。

3.2.2 施工技術(shù)參數(shù)

施工技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 施工技術(shù)參數(shù)

3.2.3 施工準(zhǔn)備

根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁?、藥劑溫度、拌水溫度、被破碎體溫度、是否與要求相符；檢查藥劑包裝是否破損。操作前確定已準(zhǔn)備好以下材料物品：（1）藥劑；（2）潔凈水；（3）水桶、拌合盆；（4）捅棍；（5）防護(hù)眼鏡；（6）橡膠手套；（7）備用潔凈水和毛巾。

3.3 應(yīng)用效果對(duì)比分析

在園子溝礦井副立井-566.00m～-573.2m破壞段井壁返修期間，采用靜態(tài)破碎劑應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，該靜態(tài)破碎劑應(yīng)用實(shí)踐效果如圖2所示。

通過(guò)圖2中（a-c）對(duì)比可看出：裝藥前與藥劑反應(yīng)后，靜態(tài)破碎劑已經(jīng)明顯改變了高強(qiáng)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其破損出現(xiàn)明顯裂痕，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不再致密堅(jiān)硬。配合人工風(fēng)鎬開(kāi)挖每班破除量可達(dá)到5～6m3，提高人工效率3～4倍，顯著縮短了施工工期，減少了材料消耗。

4 實(shí)踐成果

（1）靜態(tài)破碎劑可顯著改善高強(qiáng)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其

破損出現(xiàn)明顯裂痕。（2）本次創(chuàng)新應(yīng)用過(guò)期錨固劑拌合作為封口材料，封口效果良好達(dá)到廢物利用效果且有效的避免了沖孔的危險(xiǎn)。（3）利用比鉆孔直徑稍小的高強(qiáng)度長(zhǎng)纖維袋（水炮泥袋）裝入藥劑與水反應(yīng)可避免腐蝕、控制裝藥時(shí)間、避免沖孔。（4）靜態(tài)破碎劑配合人工施工可廣泛的適用于大理石、花崗巖等石材開(kāi)采，也適用于各種鋼筋混凝土建筑物的挖掘（破壞）。（5）靜態(tài)破碎劑有少些腐蝕性應(yīng)帶橡皮手套操作，戴好安全帽、防護(hù)眼鏡、穿好勞保用品，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)專門準(zhǔn)備好清水和毛巾，沖孔時(shí)入藥劑濺入眼內(nèi)和皮膚上，應(yīng)立即用清水沖洗。

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作者簡(jiǎn)介：盧明皎（1987，12-），男，陜西商洛，本科，助理工程師，主要從事煤礦掘進(jìn)支護(hù)等方面的研究工作，現(xiàn)為陜西麟北煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司技術(shù)員。

姜新才（1970，9-），男，陜西銅川，本科，高級(jí)工程師，主要從事煤礦安全方面的研究工作，現(xiàn)為陜西麟北煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司安全副總工程師兼安全監(jiān)察部經(jīng)理。

田建設(shè)（1973，5-），男，陜西富平，本科，高級(jí)工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、管理、技術(shù)等方面的研究工作，現(xiàn)為陜西麟北煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司副總經(jīng)理兼總工程師。