立井井筒破坏原因及修复方案设计

乔立瑾

(中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120)

井筒被称为矿井的“咽喉”[1]，是人员、设备、材料运输的重要通道[2]。井壁作为井筒的主体结构，是隔绝壁后高压水、抵抗地压的有力屏障，同时也是井筒装备安装的着力点，井壁质量的优劣是井筒安全运行的基础。近年来，立井井筒井壁突发破裂灾害逐年增多，严重威胁矿井提升运输、人员出入及通风安全，影响矿井安全生产[3]。因此，综合分析立井井筒非采动破裂的影响因素以及其相应的影响程度，对于保障矿井的安全生产具有重大意义[4]。本文以甘肃华能天竣能源有限公司刘园子煤矿主立井产生破坏为工程背景，深入分析了导致主立井井壁破坏的原因，提出了井筒修复治理方案，以期为类似井壁修复工程提供借鉴和参考[5]。

1 工程概况

1.1 井筒概况

刘园子煤矿设计生产能力90万t/a。主立井井筒净直径4.0m，垂深456.0m，0～70m表土段井壁砌筑材料采用钢筋混凝土，厚度400mm；基岩段采用素混凝土，厚度400mm。混凝土强度等级为C35，水泥采用抗硫酸盐水泥。井筒于2011年投入使用，2015年矿方发现井筒井壁存在粉化破裂。

1.2 井筒穿越地层及水文地质情况

表1 主井井筒穿越地层地质特征表

2 井筒破坏特征及原因分析

2.1 破坏特征

主井破坏特征表现为井壁粉化破裂，主要集中在50～80m段，粉化区域的中心位置粉化深度一般最大，向边缘逐渐变浅，最大破裂宽度2.3m左右，最大深度可达20～30cm，主井井深50～90m井壁粉化破裂区域素描图如图1所示。井壁粉化破裂后，原井壁混凝土的石子、砂、水泥分离，已粉化井壁与原井壁的附着性较差，采用手扣即散落，未粉化部分井壁质量相对较好，表明井壁粉化是由壁面向里逐渐进行的。井壁在井深0～139m没有明显的渗漏段分布，仅在部分粉化破裂区域井壁呈湿润状态，越向下湿润程度越高。井筒从井深150m左右井壁基本呈现全湿的状态，越向下井壁淋水量越大，部分区域出现水帘。井筒总水量在3.5m3/h左右。

图1 主井井深50～90m井壁粉化破裂区域素描图(m)

2.2 原因分析

2.2.1 混凝土质量评价

立井混凝土质量评价以箕斗为平台安装钻孔取芯设备，采集不同位置、不同粉化破裂状态的井壁混凝土芯样，然后进行采样后钻孔窥视、混凝土芯样长度测量、感观评价、强度测试、微观结构观测等以评价井壁混凝土的质量。在主井井壁取样6个，取样点位于井筒的深度、方位等参数见表2。

表2 主井井壁混凝土芯样分析

采用KS-Ⅰ型钻孔专用窥视仪对孔口及孔底进行探测，主井井壁钻孔孔口及孔底窥视结果如图2所示。

图2 主井井壁钻孔孔口及孔底窥视结果

通过窥视观测，发现主井井壁混凝土与围岩接触较好，没有出现离层、空洞等不良现象。且钻孔孔壁较光滑，井壁混凝土本身也没有出现目测可视的空洞等不良现象。井壁打钻时也没有出现突进等现象，也相应说明井壁混凝土与壁后围岩接触较好；通过对井壁取样发现，在未去除井壁粉化芯样的情况下，主井井壁混凝土平均厚度达到410mm，达到设计要求的井壁厚度400mm的标准。但部分混凝土芯样出现蜂窝、空洞的现象，说明主井井壁混凝土密实度不足。

依据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》，采用的测试装置为YAW-3000压力试验机(S4-1026)及0～150mm游标卡尺，对取样进行强度测试，井壁混凝土试样强度测试结果见表3。

通过对主井井壁混凝土试样微观结构观测，发现混凝土采用砂的磨圆度相对较高，水泥水解产物呈针叶状，水泥胶结料与砂骨料接触不够紧密，存在较多的小洞和微裂隙，如图3所示。

通过钻孔窥视、试样强度测试及微观结构观测，主井井壁混凝土与壁后围岩接触较好，支护厚度达到设计要求，但混凝土平均单轴抗压强度10.23MPa，换算为轴心抗压强度12.07MPa，仅为设计轴心抗压强度16.7MPa的72%[18]，且混凝土局部呈现蜂窝、空洞状，表明井壁混凝土质量存在瑕疵。

表3 主井井壁混凝土试样强度测试结果

图3 试样电镜图片(主井井深69.8m井壁混凝土试样)

2.2.2 井壁后含水层水质评价

表4 主井水质分析结果统计

井筒围岩埋深70m处水质较差，该水质对于井壁混凝土具有中等腐蚀性。其余取水点水质均相对较好，对井壁混凝土的腐蚀等级均为微腐蚀。

2.2.3 总体评价

井壁破坏一般由于深厚表土层底层失水，上层土体固结沉降并相对井筒向下移动，对井壁施加一向下的负摩擦力，井壁中产生应力集中，超过井筒中混凝土的承载极限时，井筒发生破坏[13]。

根据对混凝土质量、壁后含水层等方面分析，该立井井筒投入使用约4年就发生粉化破裂，且已破裂的混凝土脱离原井壁，主要原因：一是由于井筒施工过程中振捣不充分，导致混凝土出现蜂窝、空洞的现象密实度不足，强度未达到设计标准；二是在井筒掘砌过程中迎头有涌水，井壁浇筑带水作业，混凝土中水泥易被冲蚀，井壁质量不能保证[1]；三是壁后水质具有腐蚀性，导致混凝土中胶结物被消耗，混凝土强度降低[7]；四是提升设备运行产生动荷载加剧了井壁破坏，荷载因素时间越长，井壁支护对围岩应力的抵抗力越低[8]。

3 井筒修复方案

3.1 修复原则与方法

主井井筒井壁粉化破裂存在砸坏井内设备，砸断井内管线的可能，极大地威胁井内装备的安全；特别是在井筒检修阶段检修人员进入井筒后，一旦发生井壁垮落事故，将极有可能威胁井中工作人员的生命安全。另外主井担负全矿井煤炭提升任务，如果井壁继续粉化破裂，一旦固定托架梁、罐道梁的锚杆失效，造成罐道变形，甚至脱落，将严重影响矿井正常生产并发生重大事故。因此，在井筒修复时本着修复、预防并重的原则[9]，同时应充分考虑到井筒修复需停产、工期紧、任务重等因素[14]。根据上述情况，制定了“固、注、卸”的综合治理方案，即：①“固”，采用井圈加固，通过笼形井圈对井壁进行加固[17]，由于该井筒为矿井主提升井筒，在井圈设置时既要考虑加固强度，又要考虑设置井圈后井壁与提升容器满足《煤矿安全规程》最小间隙要求；②“注”，采用壁后注浆，通过注浆在井筒周围形成注浆帷幕，要以壁后注浆堵水与壁后松散地层加固同时考虑，改善围岩力学特性[10]；③“卸”，通过设置卸压槽，有效地吸收井筒的竖向压力[11]，对井壁的应力进行有效释放[12]。

3.2 井圈加固修复

根据该井筒破坏特征，设计选用笼形井圈。该种方式可减少修复费用，缩短工期。井圈规格选用20号槽钢加工，竖向采用14号槽钢连接。考虑到箕斗与井壁之间最小间隙仅为166mm，为保证井圈的支护强度、同时满足规程规定的最小间隙要求，采用开切井圈槽及切割井圈钢筋板相结合的方法安装井圈。上下井圈均匀交叉布置，即上下井圈接头不能在同一条竖线上，以增加井圈牢固强度[15]。井圈分为5节，每节弧长2.595m，并且在端头焊厚10mm的钢板堵头，每个堵头打2个Ф22mm孔，以备采用2颗螺栓连接。井圈加工与安装如图4所示，加工参数见表5，材料消耗量见表6。

图4 井圈加工与安装(mm)

表5 井圈加工参数

表6 材料消耗量

3.3 壁后注浆

注浆的目的主要在于确保挖补已破坏混凝土和开切卸压槽时的施工安全和井筒安全，通过壁后注浆可有效地封堵破坏段井壁的出水点，增强井壁的封水性和抵抗水平地压的能力[16]，提高现有井壁外部固结体的断面，防止和减缓后期壁后地层沉降，且一定程度上减小壁后涌水对井壁的腐蚀作用。

根据井壁厚度、井筒穿越岩层岩性等因素，确定采用中深、中浅孔双液(水泥+水玻璃)壁后注浆堵水、加固。中浅孔主要目的是封闭出水点，注浆孔深度宜为穿透井壁10～20cm；中深孔主要目的是加固围岩，根据注浆扩散半径，孔深控制在1～2m。

注浆材料采用水泥、水玻璃双液浆。水泥型号P.O32.5；水玻璃模数2.8～3.2，浓度40Be'；水泥与水玻璃的体积比1∶0.2～1∶0.5。注浆顺序由上而下，根据吃浆量和注浆压力观察注浆效果，如果出现吃浆量少且压力上升快，打开孔口管阀门观测仍有水涌出，说明此部位岩层裂隙小，用水泥、水玻璃双液介质浓度大且颗粒粗，无法注入充填微细裂隙，在此情况下要变换注浆介质，采用ZK-Ⅲ型孔隙溶胶剂型化学浆液或波雷音马丽散。注浆参数见表7。

表7 井筒注浆参数

3.4 卸压槽设置

卸压槽是在井壁内开切的 1 个水平环状槽，用以释放和衰减作用于井壁上的竖向附加力[16]。一部分卸压槽布置在松散层下部井壁破坏段；还有一些井筒由于考虑到井壁破坏处破坏严重，并且为中等富水含水砂层或砂砾层，卸压槽施工有一定风险，将卸压槽放到了基岩风化带或上面粘土层，位于井深49m处，从而远离了井壁应力集中段。

卸压槽尺寸：高度520mm，深度410mm。

卸压槽充填材料：卸压槽内充填的可压缩材料要有一定的强度，且变形性能良好，对材料的物理力学性能应具有下列要求：首先在10MPa的压应力作用下，要有较大的压缩变形率;然后材料要便于加工和井下施工，它的防腐蚀和耐久性要好[16]。选用采用沥青防腐的松木块，松木块尺寸为：长度400mm，大头面宽×高=240mm×250mm，小头面宽×高=199mm×250mm(考虑10mm灰缝)。每层63块，合计126块。

卸压槽工程量及材料消费见表8。

表8 卸压槽工程量及材料消耗量

4 井筒修复施工

井筒修复施工顺序为：①工程准备→②井圈加固→③对井壁漏水点进行封堵(注浆)→④修补破坏处→⑤施工卸压槽→⑥工程收尾。

4.1 临时施工工作盘

根据主井筒内现有的2个箕斗情况，在不影响安全和生产的情况下，用壁厚不小于6mm钢管在箕斗外延钢梁上焊接固定管梁，再用小于管梁直径的钢管穿于其中，用顶丝固定至离井壁小于30cm的位置，上面铺设不小于3cm厚的木板做施工平台。

4.2 井圈槽施工及槽钢竖向连接

井圈槽尺寸：高度220mm，深度不大于200mm。井圈槽施工要求：在施工过程中必须保证安全，成型要基本规整，避免对井壁的进一步破坏，采用混凝土静切割机沿井壁切割轮廓线槽后，配合风镐修整为辅。井圈后部背实、楔紧，保证其具有支撑力[19]，各节井圈之间采用对接式连接，水平采用锚杆或壁桩固定连接，要求架设在一个平面上，井圈各节间用钢板楔实调整壁间尺寸后焊接不能松动。井圈与井壁采用小锚杆连接，每节井圈2个。井圈段采用上行式支护，即从下向上施工。井壁与井圈空隙，需采用细石混凝土充填密实。井圈与井壁之间的空隙采用钢板或木板胀紧密实。在罐笼的两角，如果架设井圈后安全提升间隔如果不足，需切割槽钢翼，增加提升间隔。采用槽钢竖向连接，主要是使各井圈重量均匀分布，防止较薄的井壁段由于增加井圈的重量而破裂。连接采用14号槽钢，将槽钢截成与井圈间距相匹配的短段，采用螺栓螺母的方式连接井圈。根据井筒装备悬臂罐道梁的布置层位，井圈间距设计为两种：与罐道层上下相邻的井圈间距为0.85m，其它的井圈间距为0.83m，共设置50层。

4.3 注浆施工

要求注浆不能加剧井壁的破坏。井壁无严重破坏处可打探水孔，不能有渗水、涌水现象。注浆后在卸压槽位置无出水点，4个不同方向探孔检查壁后1.5m无水渗出。注浆要先稀后稠，先自下而上，再自上而下复注[20]。因本井筒为单层混凝土井壁，无外层井壁保护、隔水隔泥沙，故在开槽处先行打探孔确认井壁外地层情况，如探孔喷砂或泥浆应立即封孔调整开槽位置，若仅出清水、水压不大的情况下则可进行上下5m范围内，采用密集孔注浆加固，孔深确定2.5～4m，孔间距控制在0.8～1m内，确保开槽5m范围内外部岩层的强度和不透水性，方可开槽。

4.4 卸压槽施工

开切卸压槽前需在开切位置均匀布置8个探水孔，孔深1.8m。经确认无渗水情况时方可进行扩大卸压槽施工。扩槽时沿周长分成8个区段，对称开挖然后充填。待卸压槽达到各区段设计规格后，铺垫防水砂浆，充填压缩木，安装应力计。然后用薄木板楔入空隙胀紧密实接顶。

5 结 论

1)通过对刘园子煤矿主立井井壁壁后窥视、对井壁试样混凝土强度测定及壁后水质分析，主要存在混凝土强度未达到设计标准、施工过程中振捣不充分、井筒涌水水质有较强腐蚀性等问题，从而导致井壁发生粉化破碎，最大破裂宽度2.3m左右，最大深度可达20～30cm。

2)综合修复治理方案既考虑了井筒装备与井壁之间最小安全间隙要求，又充分考虑了施工工期短、任务重，尽可能减小对矿井正常生产的影响。

3)针对井壁破坏特征，采用了“固、注、卸”综合治理方案，即：井圈加固井壁、注浆堵水和壁后松散地层加固及设置卸压槽，不仅提高了井壁结构强度，而且改善围岩力学特性，为实现井筒安全稳定运行提供了有力保障。

4)经过现场实际施工验证及后期观测，刘园子煤矿主立井井筒运行情况良好，基本满足矿井正常生产需求，井壁未发现有出水点，未发生井壁破坏情况，为类似井筒修复治理提供了借鉴经验。