晉東南地區(qū)某一級公路下伏風(fēng)井井筒處治

栗 飛 楊 瑞 孫愛斌 孫兆剛

(1.山西省公路局晉城分局，山西 晉城 048000； 2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142)

1 概述

晉東南地區(qū)某一級公路在施工過程中發(fā)現(xiàn)該公路三溝互通范圍內(nèi)有煤礦風(fēng)井井筒(斜井)一處，需采取安全措施，施工避開井筒位置。建設(shè)、施工、設(shè)計等參建單位均非常重視，為防止公路工程施工誤穿二號風(fēng)井，導(dǎo)致風(fēng)井內(nèi)有毒有害氣體(CH4,CO等)突然噴出、瓦斯燃燒與爆炸、路面坍塌導(dǎo)致人員或設(shè)備墜井等事故，在井筒(斜井)區(qū)域外拉扯了警戒線，并在該區(qū)域停止施工，并由一級公路的勘察設(shè)計單位負責(zé)風(fēng)井井筒資料收集和處治設(shè)計工作。

2 工點概況

2.1 風(fēng)井井筒概況

根據(jù)資料顯示，該風(fēng)井井筒(斜井)施工于1984年，斜井角度30°，斜井斜長153.8 m，水平投影長133.195 m，凈斷面11.66 m2。1999年，該風(fēng)井井筒(斜井)廢棄封閉，密閉具體位置、密閉方式、密閉材料及密閉墻個數(shù)尚未了解探測清楚；2017年，該煤礦停產(chǎn)關(guān)井。

該風(fēng)井井筒(斜井)井底揭露煤層為3號煤層，井筒支護方式為錨噴，錨噴厚度為70 mm～100 mm，錨深1 800 mm，錨桿間距1 600 mm，排距600 mm，菱形布置。1999年，礦井生產(chǎn)調(diào)整，將二號風(fēng)井井筒(斜井)井下密閉。

2.2 風(fēng)井井筒與一級公路關(guān)系

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，風(fēng)井井筒由北向南分別與一級公路三溝互通SF匝道、S1匝道、主線、S2匝道、SC匝道相接。風(fēng)井井筒與主線相接里程為K11+000，與路線斜交，見圖1。

風(fēng)井井筒斜井角度30°，一級公路SF匝道右側(cè)挖方邊坡已經(jīng)侵入井筒結(jié)構(gòu)范圍，路基直接開挖存在瓦斯泄露引起施工人員中毒、瓦斯爆燃、爆炸等風(fēng)險，見圖2。

3 風(fēng)井處治設(shè)計方案

3.1 設(shè)計總體思路

為防止在風(fēng)井井筒(斜井)周邊的一級公路施工過程中發(fā)生意外事故，同時避免未回填井筒對公路后期的使用、維護等的影響，采用氮氣置換方式排除二號井井筒(斜井)有毒有害氣體，然后對二號井井筒(井底至井口位置及風(fēng)道)進行注漿封閉。通過對現(xiàn)場實際情況的考察以及風(fēng)井井筒(斜井)原始資料的了解，采取向風(fēng)井井筒(斜井)內(nèi)灌注水泥粉煤灰漿的方式進行回填。

風(fēng)井回填的方式方法采取以下方案：

在地面相對應(yīng)的風(fēng)井位置施工地面帶水鉆孔，共設(shè)置K1～K9共計9個鉆孔(具體孔號、位置見圖3，圖4)。9個鉆孔分批次開鉆，采用鉆孔、氮氣置換、注漿循環(huán)作業(yè)的方式，直至公路路基范圍內(nèi)風(fēng)井全部安全注滿漿液。

3.2 處治設(shè)計

1)K1～K9為鉆孔編號,鉆孔分兩批次施工，首先鉆K1～K5號孔，K1～K4號孔注漿施工完成后鉆K6～K9號孔；鉆孔必須采用帶水鉆，孔內(nèi)泥漿頂面高程控制在孔口附近。

2)K1～K5鉆孔全部完成后，由K1，K2號孔連接注氣管，形成鉆孔正壓氣流往井筒通氮氣，利用K3～K5鉆孔排出氣體，置換完成后由K1號孔灌注水泥粉煤灰漿液(摻速凝劑)，注漿壓力1 MPa～1.5 MPa；K1鉆孔注漿施工完成7 d后，由K2號孔連接注氣管，形成鉆孔正壓氣流往井筒通氮氣，利用K3～K5鉆孔排出氣體，置換完成后由K2孔灌注水泥粉煤灰漿液(摻速凝劑)，注漿壓力2 MPa～3 MPa。

3)K2孔漿液灌注完成2 d后，由K3孔連接注氣管，形成鉆孔正壓氣流往井筒通氮氣，利用K4～K5鉆孔排出氣體；置換完成后由K3孔灌注水泥粉煤灰漿液(摻速凝劑)，注漿壓力1 MPa～1.5 MPa。

4)K4～K9依次進行氮氣置換、注漿，直至路基范圍內(nèi)風(fēng)井全部安全注滿漿液。

5)K3～K9孔注漿施工應(yīng)在前一孔注漿施工完成2 d后進行，注漿壓力均為1 MPa～1.5 MPa。

6)為保證鉆孔施工時漿液保持在孔口附近，鉆孔施工前，在每個鉆孔附近開挖一處水池，當(dāng)孔口水位下降時，及時向孔內(nèi)注水。

7)施工中要加強對井筒中積水、積氣狀況進行監(jiān)測，有序排放有毒有害氣體，防范井筒坍塌，施工結(jié)束后對注漿效果進行檢查。

4 風(fēng)井處治施工

4.1 鉆孔施工

以井口向下5 m為中心，周圍20 m范圍設(shè)置警戒，在施工作業(yè)過程中，任何非施工人員不得進入，作業(yè)人員嚴格遵守操作規(guī)程，正確使用個人防護用品，施工過程中應(yīng)全程檢測施工區(qū)域內(nèi)氣體含量，特別是鉆孔作業(yè)置換處，作業(yè)現(xiàn)場嚴禁煙火，確保施工安全。

鉆機鉆頭施工時有足夠的水量，使鉆頭工作時處于水中，不產(chǎn)生火花或高溫，并保證水車內(nèi)的水能及時準確噴向基坑內(nèi)鉆頭處；當(dāng)鉆孔鉆透拱頂后，檢查鉆孔處的氣樣，當(dāng)鉆孔處氣符合施工要求時，方可向井筒內(nèi)下塑料管，并盡可能的下到井筒底部，有利于置換。

4.2 氮氣置換施工

現(xiàn)場配置液氮車一臺，準備氮氣總量為5 000 m3。注入氮氣量預(yù)估考慮因素有：井筒長度：153.8 m，凈斷面：11.66 m2，管徑DN50，井上、井下管路長度約200 m，預(yù)計20%的漏失，增加50%備用量。置換過程需要注意以下事項：

1)禁止觸摸液氮低溫管線，防止凍傷；

2)做好壓力、流量、溫度等參數(shù)的記錄，計算置換充入的氣量；

3)惰性氣體可令人窒息，檢測人員要注意空氣中的含氧量必須達到18.5%～21%；

4)用氮氣進行井筒內(nèi)有毒有害氣體置換時，液態(tài)氮氣首先通過汽化器→溫度表→臨時管線，然后進入井筒；

5)安排專人觀察溫度計的指示溫度，充入氮氣的溫度不得低于5 ℃，若溫度下降較快，減小氮氣流量，以保證管道入口處氮氣溫度不低于5 ℃為準；

6)進行氮氣置換檢查、檢測人員必須穿戴防護服；

7)檢測人員在出風(fēng)口處用瓦斯?jié)舛葯z測儀進行瓦斯含量檢測，每次檢測時間間隔5 min，當(dāng)所注置換氣量大于井筒容量后，檢測人員檢測井筒出氣氣體中所含瓦斯?jié)舛?，連續(xù)三次均低于0.5%為合格。

液氮車及汽化器見圖5，向孔內(nèi)注入氮氣見圖6。

4.3 注漿施工

注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法，注漿開始后，要定時觀測泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，收集原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際情況及時調(diào)整注漿量和漿液濃度。

注漿時，應(yīng)避免在短時間內(nèi)注入大量的水泥粉煤灰漿，當(dāng)注漿量較大時，應(yīng)采用間歇式注漿法施工，或在孔口加一漏斗狀的投砂器，用漿液將砂或石屑帶入孔內(nèi)，或在漿液中加入水泥重量2%左右的速凝劑。

5 結(jié)語

高等級公路穿越煤礦采空區(qū)，除對采空層進行處治外，還應(yīng)對如煤礦風(fēng)井、巷道等影響公路施工、運營安全的設(shè)施采取安全、經(jīng)濟的方案進行處治。本文針對晉東南地區(qū)某一級公路一處下伏風(fēng)井井筒的處治設(shè)計、施工進行了簡要闡述，創(chuàng)新性的采用氮氣置換方式對井筒內(nèi)有毒有害氣體予以排除。該風(fēng)井井筒經(jīng)氮氣置換、注漿加固處治后，即為其上三溝互通路基路面工程施工安全提供了安全的作業(yè)面，也消除了一級公路運營期間該風(fēng)井井筒坍塌、瓦斯泄露隱患。該一級公路下伏風(fēng) 井井筒處治設(shè)計、施工，可為類似的公路或市政道路工程下伏風(fēng)井或巷道處治提供借鑒。