劉園子煤礦井筒修復(fù)治理

吳同勛

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院，山西　太原　030001)

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劉園子煤礦井筒修復(fù)治理

吳同勛

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院，山西太原030001)

針對劉園子煤礦井筒破壞現(xiàn)狀，結(jié)合井筒水文地質(zhì)條件，通過分析確定劉園子煤礦井筒破壞的主要原因為地應(yīng)力和酸性水侵蝕，提出井筒治理的主要思路為“抗壓和讓壓”，井筒修復(fù)治理的主要手段有井圈加固、壁后注漿和卸壓槽，并總結(jié)了水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井在井筒實際施工中采取的預(yù)防性措施。

井筒；修復(fù)；井圈加固；壁后注漿；卸壓槽

劉園子煤礦位于甘肅省環(huán)縣境內(nèi),設(shè)計生產(chǎn)能力0.90 Mt/a，采用3個立井開拓。主、副、風井筒均于2008年開工建設(shè)，采用普通鑿井法施工[1]，分別于2011年前后竣工并投入使用。2015年3月礦井竣工驗收以后，在實際運行中發(fā)現(xiàn)主、副、風井均存在較為嚴重的安全隱患，主要表現(xiàn)為：主井井壁局部粉化垮落嚴重、混凝土強度不足；副井井筒滲漏水量較大、井壁局部破裂較嚴重；回風井井筒滲漏水量較大、井壁混凝土強度不足等，需對3個井筒實施修復(fù)治理工程。

1　井筒特征及破壞現(xiàn)狀

1.1井筒特征及地質(zhì)條件

主井凈徑4.0 m，副井凈徑6.5 m，回風立井凈徑4.0 m,表土段均采用鋼筋混凝土砌碹支護，基巖段均采用混凝土砌碹支護。井筒所穿越的地層，可劃分為第四系黃土透水而不含水層，白堊系砂礫巖承壓水含水層，三疊系砂巖承壓含水層，相應(yīng)的泥質(zhì)巖類構(gòu)成隔水層。

井筒開鑿時涌水量較大，曾采用工作面預(yù)注漿法[2]成功穿過白堊系砂礫巖承壓水含水層。

1.2井筒破壞現(xiàn)狀

1.2.1主井

主井井壁粉化破裂較為嚴重，粉化破裂區(qū)域主要分布于井深50～190 m段，其中在井深50～80 m井壁粉化破裂最為嚴重，破裂區(qū)域呈連片狀集中分布，破裂區(qū)域相對集中分布于井壁東側(cè)，破裂的寬度2.3 m左右，破裂的最大深度可達20～30 cm，呈整體垮落狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場觀測及調(diào)查，主井井壁粉化破裂自井筒建成后一直在持續(xù)，且有加劇的趨勢。

1.2.2副井

副井自移交以來井筒總淋水量一直嚴重超過國家標準(國家標準≤6.0 m3/h)，目前井筒實測淋水量為18 m3/h. 井筒淋水部位主要集中于井筒穿越白堊系含水層段(井深137～300 m)，該段井壁澆筑質(zhì)量相對較差。井筒淋水量大，說明井壁的整體性較差、井壁的封水性能不佳及防水措施不到位。

副井井壁在井深40～140 m段曾采用錨網(wǎng)噴的方式進行井壁破裂治理，在治理段內(nèi)已噴漿區(qū)域存在多處井壁破裂現(xiàn)象。井壁未見大范圍的連片破裂，多以小面積的單點破裂為主，主要是錨噴的混凝土與原井壁分離，進而墜落，露出原井壁或網(wǎng)片等。另外根據(jù)錨網(wǎng)噴的井壁治理措施推測，噴漿段原井壁可能也存在較為嚴重的破裂現(xiàn)象。

1.2.3回風立井

2015年10月初風井井筒總淋水量為9.0 m3/h，2015年12月上旬總淋水量為11.0 m3/h，均超過國家標準(國家標準≤6.0 m3/h)，井筒淋水有增大的趨勢，且井底有少量落砂現(xiàn)象。

回風井利用梯子間平臺采用回彈法對井壁混凝土進行了抗壓強度測試。井壁混凝土從井口至43道梯子間平臺(井深215 m)強度均低于混凝土設(shè)計強度(設(shè)計強度為35 MPa)，其中在5～31道梯子間平臺，井壁混凝土強度普遍低于20 MPa，混凝土回彈法測試抗壓強度最低值位于13道梯子間平臺處井壁，強度為7.48 MPa，僅為設(shè)計強度的21%.

井壁混凝土強度不足，則井壁抵抗外力及抗風化的能力差，隨著時間的推移，回風井井壁在將來也有粉化、破裂、甚至垮落的可能，且影響錨桿錨固能力，進而影響井中裝備的安全。

2　井筒破壞原因分析

根據(jù)井壁破壞面形狀，破壞段在松散層與基巖交界面附近的特征，認為井筒破壞主要有以下原因：

2.1礦井疏水的影響

在建井過程中井筒過松散含水層和基巖含水層時，井筒出水在井筒位置形成局部疏降斗，隨著礦井開采時間的加長和范圍的擴大，疏降斗半徑逐漸擴大，上部井壁外圍附著松散巖層沉陷面積越大，對井壁的水平和側(cè)向應(yīng)力就越大、越不規(guī)則，這是造成井壁在不同段高部位和不同方位破壞的主要誘因。

2.2井壁與松散層變形產(chǎn)生附加應(yīng)力關(guān)系

底部松散層的固結(jié)壓縮，將導(dǎo)致上覆土層的沉降，從而使井筒周圍的土層與井壁之間有相對運動的趨勢。這就會在外井壁產(chǎn)生向下的摩擦力，該摩擦力在井壁斷面上形成垂直向下的附加應(yīng)力，附加應(yīng)力在松散層底部形成應(yīng)力集中。附加應(yīng)力在井壁內(nèi)隨著松散層的變形增大而增大，到達應(yīng)力集中井壁段最低強度點的抗壓強度時，井壁出現(xiàn)破壞，并且隨著松散層的壓縮變形而破壞增大。井筒破壞的大量實例表明，松散層底部井筒施工時的接茬處，由于施工造成的強度弱面，最易成為井壁破壞的部位。井壁周圍的破碎巖層與井壁附著力變差是造成上部井筒井壁破裂變形的主因。

2.3井筒滲水的侵蝕

對采樣水進行水化學(xué)分析，水質(zhì)對于井壁混凝土具有微弱—強的腐蝕性，導(dǎo)致混凝土中膠結(jié)物被消耗，混凝土強度降低，最終粉化。

3　井筒修復(fù)治理措施及主要手段

通過上述井壁破壞原因分析，采取相應(yīng)的手段對破壞井壁進行修復(fù)，主要修復(fù)措施如下：

1) 采用井圈加固修復(fù)破壞嚴重的井壁，局部小范圍破碎處填補修復(fù)，粉化區(qū)域清理并噴涂隔水材料的措施。

2) 壁后注漿堵水和壁后松散地層加固同步實施，通過井壁外圍地層注漿固結(jié)增加現(xiàn)有井壁強度，提高現(xiàn)有井壁外部固結(jié)體的斷面，防止和減緩后期壁后地層繼續(xù)沉降，以保證井壁后期較長時間不被破壞。

3) 輔以開切卸壓槽的手段，改善井壁受力結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，減緩目前地應(yīng)力對井壁的破壞。

施工順序：工程準備—井圈加固—對井壁漏水點進行封堵—修補破壞處—施工卸壓槽—工程收尾。主要治理手段為：

3.1井圈加固

主井采用[20槽鋼加工成井圈，籠形井圈支護，每周井圈分5節(jié)，每節(jié)按弧長2.595 m加工，端頭焊厚10 mm的鋼板堵頭，螺栓連接。豎向[14a槽鋼連接。

副井采用[22槽鋼加工成井圈，籠形井圈支護，每周井圈分8節(jié)，每節(jié)按弧長2.5 m或2.75 m加工，端頭焊厚10 mm的鋼板堵頭，螺栓連接。豎向[14a槽鋼連接。

回風井暫無破壞現(xiàn)象，需要時參照主井加工。

3.2壁后注漿[2]

井壁破壞主要原因是現(xiàn)有井壁承受不了后期疏水范圍擴大造成的井壁外圍地層不均勻沉降應(yīng)力，因此，注漿不能單純壁后注漿堵水，要以壁后注漿堵水與壁后松散地層加固同時進行[2-3].

采用中深、中淺孔雙液(水泥+水玻璃)壁后注漿堵水、加固。1) 中淺孔壁后注漿主要封閉明水點和滲漏區(qū)域，阻斷井壁對混凝土井壁有腐蝕性水的導(dǎo)通點，孔深控制在穿透井壁10～20 cm為宜(視實際井壁厚度確定)。2) 中深孔注漿孔深控制在1.0～2.0 m，此種注漿可讓井壁外松散巖層得到充填密實加固作用，增加井壁壁厚斷面和強度。

注漿材料考慮成本和經(jīng)濟合理性優(yōu)先采用水泥、水玻璃雙液漿。水泥P.O32.5；水玻璃，模數(shù)2.8～3.2，濃度40 Be'；水泥與水玻璃的體積比C∶S=1∶0.2～1∶0.5(視注漿情況和堵水效果變換注漿介質(zhì)，可采用ZK-Ⅲ型孔隙溶膠劑型化學(xué)漿液或波雷音馬麗散等)。

注漿段高包括可能向破壞段充水的含水層，段高不宜太大，單個段高以不大于60 m為宜。注漿壓力為靜壓力的2～3倍，并視井壁強度、注漿量和注漿孔間距進行相應(yīng)調(diào)整，若注漿較困難，相應(yīng)增大注漿壓力或改變注漿孔位置與孔位角度[2-3].

注漿要求：各注漿孔在各方向布置盡量均勻；各方向孔深盡量一致；各鉆孔注漿量視吃漿量和注漿壓力定。

3.3卸壓槽

卸壓槽布置在井壁嚴重破壞段的上破壞段下部，高度520 mm. 槽內(nèi)鋪墊防水砂漿，充填壓縮木，安裝應(yīng)力計，并用薄木板楔入空隙脹緊密實接頂。卸壓槽服務(wù)年限為4～8年，具體視沉降情況更換壓縮木。

卸壓槽施工要求：壁后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1.5 m無水滲出，方可擴槽施工。為防止井壁的進一步破壞，采用靜力破碎劑開擴卸壓槽為主，風鎬配合修整為輔并盡可能地縮短工期。

4　結(jié)論和建議

劉園子煤礦井筒修復(fù)治理的成功實施，對西北地區(qū)水文地質(zhì)復(fù)雜礦井井筒破壞治理具有重要參考價值和指導(dǎo)意義。

針對水文地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)，如何治水并一次性解決井筒出水問題是保證礦井長治久安的基礎(chǔ)。建議針對水文地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)的井筒施工，井筒成功穿過含水層后，及時采取壁后注漿等手段封堵井筒外壁，使井筒外壁與含水地層隔絕，尤其是井壁接茬部位。同時密切監(jiān)測井筒內(nèi)壁，出現(xiàn)較大淋水現(xiàn)象及時注漿封堵，井壁破裂變形較嚴重或受力較大時及早開切卸壓槽卸壓，確保井壁強度和質(zhì)量滿足使用需求。

[1]張榮立，何國緯，李鐸.采礦設(shè)計手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2003：1538-1578.

[2]林登閣，喬衛(wèi)國，孟慶彬.井巷特殊施工技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2015：80-115.

[3]滿健康，丁可可，任松杰，等.注漿加固技術(shù)在沿空掘巷中的應(yīng)用[J].中國煤炭，2011,37(7):60-63.

Shaft Repair Treatment for Liuyuanzi Coal Mine

WU Tongxun

Aiming at the destroying situation of shaft in Liuyuanzi coal mine, combines with the hydrogeological conditions of shaft, by analysis ensures that the main reason of Liu Yuanzi mine shaft destruction is geostress and acidic water erosion. Puts forward the main idea of shaft control of crush resistance and yielding. The mainly means of shaft repair and treatment are walling crib reinforcement, grouting behind wall and pressure relief groove. The preventive measures taken in the actual construction of complex mine shaft are summarized.

Shaft; Repair; Walling crib reinforcement; Grouting behind wall; Pressure relief groove

2016-04-26

吳同勛(1979—)，男，河南舞陽人，2003年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，工程師，主要從事礦井設(shè)計、井筒施工工藝、采煤方法等煤礦相關(guān)設(shè)計研究工作，(E-mail)mtgytywt@163.com

TD262.5

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1672-0652(2016)05-0013-03