東灘煤礦副井井壁腐蝕粉化機理及治理技術

侯俊華，張 昆，孟凡貞

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城273512）

井筒被形象的比喻成礦井的咽喉，是礦井人員、設備出入井及礦井通風的必經之道，保證井筒的安全一般都是礦山最基礎，同時也是最重要的工作[1-2]?；炷辆谑蔷驳闹黧w結構，是抵抗地壓、隔絕壁后高壓水的有力屏障，同時也是井筒中大量裝備安裝的著力點，井壁的安全是井筒安全運行的基礎[3-8]。

東灘煤礦是兗礦集團的主力礦井，自2005年前后開始出現內表面掉皮現象，-440m以下出現大面積內表面脫落粉化現象，已嚴重威脅礦井的安全，為此開展了井壁粉化機理的研究，并依據研究成果，制定了合理的治理措施，本文將系統(tǒng)介紹該井筒井壁粉化情況、粉化機理及具體治理措施。

1 副井井壁粉化情況

東灘煤礦副井凈直徑8.0m，全深738.6m，表土0～139m段為雙層井壁結構，內外壁C30鋼筋混凝土；基巖139～738.6m段為C30素混凝土井壁，厚度0.5m。

東灘煤礦副井基巖段混凝土井壁自2005年前后開始出現粉化現象，目前個別嚴重處粉化深度約100～150mm，粉化主要集中于井深-440m已深段，主要表現為井壁表面粉化、脫落、錘敲掉渣且易碎，破壞較嚴重處均有鋼筋外露，井筒圍巖為細砂巖泥巖互層。

通過對受腐蝕井壁的觀察，井壁的腐蝕形式主要是混凝土中水泥結石體被溶解，離析出石子和黃沙，從而引起混凝土破壞，膠結成分丟失，水泥塊逐漸軟化、松散、脫落。

主要表現為：①有淋水的部位成粘糊狀，無淋水的部位成塊粉狀；②腐蝕井壁從粗糙毛面部位開始，向四周和內部進行蔓延；③毛面腐蝕較快、較大，光面腐蝕很慢，較??；④有水處腐蝕較快，無水處腐蝕較慢。

2 井壁腐蝕粉化機理

采用化學檢測和物理力學檢測相結合的方法對副井井深-440m以下井壁粉化脫落破壞的機理進行研究。相繼進行了水質檢測、井壁混凝土碳化深度檢測、井壁混凝土化學成分檢測、副井井筒內二氧化碳濃度檢測、井壁混凝土芯樣的抗壓強度、混凝土芯樣密度測試。研究發(fā)現東灘煤礦副井基巖段局部腐蝕破壞的機理分為內因和外因兩個方面。

2.1 粉化腐蝕破壞內因

東灘煤礦礦井設計服務年限86年，GB50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》中規(guī)定，設計使用年限50年的混凝土結構，在二a類環(huán)境中最大氯離子含量不超過0.2%，二b類環(huán)境中最大氯離子含量不超過0.15%，復合二類混凝土耐久性結構，最大氯離子含量應控制在0.2%以下。東灘煤礦副井基巖段井壁混凝土強度等級為C30，其配方見表1，混凝土中摻入氯化鈣2%，食鹽1%，氯離子含量達到3%?；炷翐饺氲穆然飮乐爻瑯?。

表1 東灘副井井壁混凝土配方

2.2 粉化腐蝕破壞外因

腐蝕破壞的外因是外部環(huán)境（地下水）有侵蝕介質存在，主要是地下水中陰離子SO42-和陽離子Na+含量較高，同時又有一定含量的Ca2+、Mg2+、HCO3-離子，地下水中硫酸鹽含量高（見表2），且井壁開始粉化的-440m深度正好對應紅層砂巖的頂面。而副井作為主要進風井，年溫度變化大，同時冬季溫度在0～15℃時間相對較長，部分井壁處于干濕交替環(huán)境中，這些因素對地下水腐蝕混凝土起到了一定的催進作用。環(huán)境因素主要是通過影響硫酸鹽反應的條件或機理來影響混凝土的劣化速度，不同環(huán)境造成的混凝土受硫酸鹽侵蝕的破壞形態(tài)也不完全相同?；炷亮蛩猁}腐蝕是一個復雜的物理化學過程，混凝土受硫酸鹽侵蝕破壞的實質是環(huán)境中的硫酸鹽（根）離子滲透進入混凝土內部，與水泥石中一些組分發(fā)生化學反應，生成一些難溶的鹽類礦物。這些難溶的鹽類礦物一方面可形成石膏、鈣礬石等膨脹性產物，當膨脹應力達到一定程度時就會造成混凝土開裂、剝落，另一方面也可使硬化水泥石中的CH和C-S-H等組分溶出、分解，導致水泥石強度和粘結性能損失。

表2 副井水質化驗結果統(tǒng)計表

3 井壁腐蝕粉化治理主體思路

根據井壁粉化破壞機理研究成果，基本確認東灘煤礦副井-440m以下基巖段地下水中高濃度的離子對混凝土的物理和化學侵蝕是造成副井基巖段井壁粉化腐蝕破壞的主要原因。本次治理也將主要針對離子進行，防治的主題思路是隔絕離子與井壁混凝土的聯系，由于離子賦存于井壁的淋水之中，隔絕井壁淋水與井壁的聯系是井壁粉化防治的根本途徑。

隔絕兩者的聯系主要有兩種途徑，一是對井壁出水點進行封堵，使其不直接作用于井壁上，二是對井壁壁面進行處理，使淋水不得滲入井壁混凝土之中。在此基礎上輔助采用破裂井壁修復加固及表層處理措施。即針對副井井壁粉化的治理的主題思路為：井壁淋水治理+井壁嚴重粉化段修復加固+井壁表層涂層處理（見表3）。

表3 副井井壁粉化治理方案設計

4 井壁腐蝕粉化治理情況

4.1 井壁淋水治理

副井井壁-440m以深腐蝕粉化集中段井壁滲漏水點較為分散，采用頂點注漿的方式進行單水點封堵。單水點封堵施工時，在距離水點0.5～1.0m位置向水點過水通道及近水源位置施工2～4個注漿孔。合計封堵水點12個，施工注漿孔35個。

注漿采用可注性及可控性較好的ZK-Ⅲ溶液型高分子化學漿液，合計消耗化學漿液10t。根據副井井壁厚度、強度及腐蝕現狀，結合相關井壁注漿經驗，井壁注漿終壓設計為4.0MPa，注漿過程嚴格控制注漿壓力，沒有發(fā)生井壁破裂現象。

注漿前副井總滲漏水量約為3.5m3/h，注漿后井壁淋水控制較好，無明顯的滲漏點分布，目測井筒總淋水量約為0.2m3/h。

4.2 井壁嚴重粉化段修復加固

從技術可靠性、施工的難度、工程成本綜合考慮，采用了“錨網+噴射混凝土”的方式對井壁嚴重粉化區(qū)域進行修復加固。先清除井壁已經粉化及強度減弱的混凝土，然后在粉化井壁區(qū)域安裝錨桿、固定鋼筋網，最后噴射混凝土，進而完成修復工作?！板^網+噴射混凝土”修復治理針對粉化面積大于0.5m2，粉化最大深度大于5.0cm的區(qū)域進行。

錨桿選用規(guī)格為Φ20×500的高強螺紋錨桿，配置高強托盤，錨固劑采用K2850樹脂錨固劑，錨桿固定采用全錨的方式。采用直徑6.5mm的鋼筋制備的鋼筋網，鋼筋的間距設計為100mm。采用C30的鋼纖維噴射混凝土。

合計完成井壁修復區(qū)域共5個，共施工錨桿63根（Φ20×500mm），鋼筋網片21.31m2（Φ6.5mm鋼筋焊制而成，鋼筋間距100mm），噴漿面積69.25 m2，共用噴漿料7.5噸，修復加固后井壁觀感質量較好。

4.3 井壁表層涂層處理

在混凝土表層加上耐腐蝕性強且不透水的保護層，可使混凝土與侵蝕溶液隔離，從而避免了混凝土遭受侵蝕。采用混凝土表面硅烷浸漬法進行處理，此方法是通過其特殊小分子結構，滲入混凝土內部幾毫米，并與已水化的水泥發(fā)生化學反應，從而在毛細孔壁上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。

本次硅烷浸漬處理對井深440m以下至下井口700m段井壁進行噴灑處理，總跨度260m左右，處理的總面積約為6500m2。對于井壁非粉化區(qū)域進行兩遍噴灑，井壁粉化區(qū)域進行三遍噴灑。共消耗硅烷浸漬劑1.6噸。

5 結 論

1）東灘煤礦副井井深-440m以下基巖段井壁粉化嚴重，通過相關理論及試驗研究，發(fā)現井壁粉化的機理分為內因和外因兩個方面，內因方面主要是混凝土摻入的氯化物嚴重超標，外因為井壁淋水中高濃度的離子對混凝土的腐蝕作用。

3）目前副井井壁治理已逾兩年時間，水點封堵后無返滲現象，錨網噴修復區(qū)域與井壁契合程度依然較好，井壁腐蝕粉化現象明顯減弱。東灘煤礦副井治理經驗可為類似混凝土腐蝕粉化治理提供借鑒。