質(zhì)量缺陷及粉化破裂立井井壁治理措施

姜希印，周玉華，劉體軍，程繼東，錢自衛(wèi)

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司 濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點試驗室，江蘇 徐州 221116；3.徐州中礦井巷防治水新技術(shù)有限公司，江蘇 徐州 221008）

井筒被稱為礦井的“咽喉”，井筒建成后安全使用是礦井安全運行的前提[1-2]。井壁是井筒的主體結(jié)構(gòu)，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(zhì)量的優(yōu)劣是井筒安全運行的基礎(chǔ)。近年來在我國發(fā)生多起井壁破裂、質(zhì)量缺陷、不合理井壁作業(yè)而引發(fā)的事故[3-5]。比如，松散層段井壁破裂可能引發(fā)突水、潰砂事故[4-5]，基巖段井壁塊狀坍塌可能造成井筒裝備損壞、井筒作業(yè)人員傷害的事故。井壁破裂、質(zhì)量缺陷的原因是多方面的，比如在我國黃淮海地區(qū)大量井筒在松散層底部基巖界面破裂，主要是松散層水位降低土層固結(jié)壓縮造成的[6-7]；井壁質(zhì)量缺陷往往是井壁澆筑過程中頂水、帶水作業(yè)，水泥被沖蝕造成的。另外，近年我國的多個井筒井壁發(fā)生腐蝕粉化的現(xiàn)象，多為井壁滲漏水中含有高濃度的腐蝕性離子造成的[8-10]。濟寧二號煤礦副立井在使用過程中發(fā)現(xiàn)井壁存在嚴(yán)重質(zhì)量缺陷、滲漏、粉化現(xiàn)象，初步調(diào)查及分析發(fā)現(xiàn)，其所呈現(xiàn)的問題具有其代表性及特殊性。研究分析了其原因，制定了治理方案，治理經(jīng)驗可為類似工程問題的防治提供參考。

1 副立井概況

濟寧二號煤礦副立井井筒凈徑φ8.0 m，井口設(shè)計標(biāo)高+38.00 m，井深 623.3 m。表土層厚度 176.6 m，凍結(jié)深度235.0 m，凍結(jié)段井壁為普通雙層鋼筋混凝土井壁，井壁內(nèi)外壁厚度各為450 mm，井壁混凝土設(shè)計強度C40；基巖段采用鉆爆法施工，井壁為單層素混凝土井壁，井壁厚度500 mm,井壁混凝土設(shè)計強度C25。井內(nèi)布置1套1.5 t礦車雙層四車寬罐籠，帶平衡錘；另1套為1.5 t礦車雙層四車普通罐籠和特制高罐籠。采用球扁鋼組合罐道，工字鋼罐道梁，樹脂錨桿托架；并設(shè)梯子間及管線等。是設(shè)備、人員運輸?shù)闹饕ǖ?，兼作進風(fēng)井和安全出口。

2 井壁破損概況及原因分析

2.1 井壁缺陷和粉化及滲漏情況

2016年12月14日上午，礦方在對副井井筒設(shè)施例行檢查時發(fā)現(xiàn)井深519.5 m東南側(cè)位置，有1個較大石塊出現(xiàn)松動，后進一步觀察發(fā)現(xiàn)該位置較純黃沙分布區(qū)域，存在較大面積的質(zhì)量缺陷。該區(qū)域在水平方向上長約1.6 m，外口垂直方向高約0.8 m，內(nèi)部高約0.35 m，探測黃砂厚度最大約0.77 m；另外在該位置同一個水平的右側(cè)約2 m處，可見外露的黃砂。井壁進一步檢查發(fā)現(xiàn)，井壁混凝土存在多點的粉化、質(zhì)量缺陷區(qū)塊，統(tǒng)計時把缺陷深度達到井壁厚度的問題區(qū)域定義為質(zhì)量缺陷區(qū)域，把深度在200 mm之內(nèi)的問題區(qū)域定義為粉化區(qū)域。共統(tǒng)計粉化、質(zhì)量缺陷區(qū)塊84處，總面積132.54 m2，其中質(zhì)量缺陷區(qū)域28處，面積79.57 m2。另外，發(fā)現(xiàn)井壁存在多點滲漏現(xiàn)象，部分滲水點可見明水順壁長距離大面積淌流，部分滲水點分布與井壁粉化破裂區(qū)域有明顯的對應(yīng)關(guān)系。發(fā)現(xiàn)井壁缺陷、粉化情況后，采用回彈法對井壁混凝土強度進行測試，測試結(jié)果如圖1。

圖1 井壁混凝土強度回彈法測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，井深0～235 m的凍結(jié)段井壁段混凝土能夠達到設(shè)計強度C40；井深235 m以下基巖鉆爆法施工段井壁設(shè)計強度為C25，回彈法測試結(jié)果顯示在井深 235～300 m、360～525 m、568～585 m段多點井壁強度低于設(shè)計值。

2.2 原因分析

井深519.5 m區(qū)塊大面積的純黃沙區(qū)塊，應(yīng)主要是在井壁混凝土機械制備的過程中，由于施工人員疏忽造成的。井壁其他區(qū)塊井壁粉化、強度不足，可能與建設(shè)過程帶水作業(yè)有關(guān)。查閱建設(shè)資料，井筒在掘砌的過程中迎頭出水較為嚴(yán)重，井壁澆筑的過程中往往帶水作業(yè)，在帶水的條件下，混凝土中水泥易被沖蝕，井壁質(zhì)量不能保證，在井壁發(fā)現(xiàn)多處之見石子、黃沙的區(qū)塊或水泥含量極少的區(qū)塊，應(yīng)均是此原因造成的。另外，井壁滲水水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，水中的SO42-離子含量達到4 102.65 mg/L，對混凝土具有強腐蝕性，也是造成井壁粉化、破裂的原因。

2.3 危害

壁已經(jīng)呈現(xiàn)粉化、局部表皮脫落的現(xiàn)象，威脅井內(nèi)設(shè)備、電纜、人員安全，進而影響井筒正常使用，可能造成重大安全事故。另外副井提升任務(wù)較重，如果井壁繼續(xù)粉化破裂，一旦固定托架梁、罐道梁的錨桿失效，造成管道變形，甚至脫落，則極可能釀成重大責(zé)任事故，所以應(yīng)組織治理，以消除這一重大安全隱患。

3 井壁修復(fù)治理方案及施工

副立井井壁治理設(shè)計采用“滲漏水點注漿封堵+缺陷及粉化區(qū)域錨網(wǎng)噴修復(fù)+井壁壁面硅烷浸漬防腐”的總體治理方案。

1）滲漏水點注漿封堵。井壁滲漏水中含有高濃度的SO42-離子，封堵滲漏水點可減小甚至消除水對井壁的腐蝕作用。滲漏水點注漿封堵施工時，在距離水點0.5～1.0 m位置向水點過水通道及近水源位置施工3～5個注漿孔。先施工相對深的注漿孔，溝通壁后水源，進行水壓疏導(dǎo)，使得出水點水量及水壓減小，為治理創(chuàng)造條件，然后施工相對淺的孔進行注漿，主注速凝溶膠型化學(xué)漿液，通過返漿作用封堵出水點，最后對深注漿孔進行注漿，使?jié){液充分?jǐn)U散進而完全封堵壁后出水通道，施工原理如圖2。

2）井壁缺陷及粉化區(qū)塊修復(fù)。井壁缺陷、嚴(yán)重粉化區(qū)塊設(shè)計采“錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土”的修復(fù)方式。質(zhì)量缺陷區(qū)塊修復(fù)步驟圖如圖3，設(shè)計3層次錨網(wǎng)噴修復(fù)措施，具體的步驟為：①近距離人工確定井壁質(zhì)量缺陷區(qū)域的范圍，對缺陷區(qū)域上沿的完整井壁施工錨桿進行固定；②清除缺陷位置的井壁混凝土（砂）；③在缺陷井壁區(qū)域安裝錨桿、固定第1層鋼筋網(wǎng)，噴射200 mm厚鋼纖維混凝土；④固定第2層鋼筋網(wǎng)，噴射第2層150 mm厚鋼纖維混凝土；⑤固定第3層鋼筋網(wǎng)，噴射第3層150 mm厚鋼纖維混凝土，井壁修復(fù)至原規(guī)格。針對井壁的嚴(yán)重粉化區(qū)域，采用單層次錨網(wǎng)噴修復(fù)即可。

圖2 分散水點注漿封堵方式示意圖

3）壁面硅烷浸漬防腐處理。井壁滲漏水淋到井壁上將對井壁產(chǎn)生腐蝕作用。在井壁壁面進行防腐處理是治理途徑之一。混凝土表面硅烷浸漬是通過其特殊小分子結(jié)構(gòu)，滲入混凝土內(nèi)部幾毫米，形成牢固的憎水屏障，使水分和水分所攜帶的硫化物等都難以滲入混凝土，大大提高混凝土制品的防水性和綜合性能[11-14]。目前硅烷浸漬法廣泛應(yīng)用于各類鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。副井壁面防腐處理設(shè)計采用硅烷浸漬的方式進行。

4）治理施工情況。井壁治理施工的順序為：①井壁清理→②滲漏水點注漿封堵→③缺陷粉化區(qū)塊修復(fù)→④壁面硅烷浸漬處理，施工共占用井筒720 h。

圖3 質(zhì)量缺陷井壁修復(fù)步驟示意圖

各部分實際完成的主要工程量見表1。

表1 破損井壁修復(fù)施工情況統(tǒng)計表

4 結(jié)論

1）濟寧二號煤礦副立井混凝土井壁主要存在質(zhì)量缺陷、粉化、滲漏的問題，井壁強度多段達不到設(shè)計要求。施工人員疏忽、井壁混凝土帶水砌筑、井壁滲漏水的強腐蝕性是造成井壁問題的主要原因。

2）井壁治理采用“滲漏水點化學(xué)注漿封堵+缺陷及粉化區(qū)域錨網(wǎng)噴修復(fù)+井壁壁面硅烷浸漬防腐”的總體治理方案，缺陷區(qū)塊及嚴(yán)重粉化區(qū)域分別采用三層次、單層次錨網(wǎng)噴修復(fù)。

3）目前井壁已完成修復(fù)近1年時間，沒有發(fā)生新生粉化、滲漏現(xiàn)象。濟寧二號煤礦副立井井壁修復(fù)經(jīng)驗可為類似工程提供參考。