立井井筒破壞原因及修復(fù)方案設(shè)計(jì)

喬立瑾

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

井筒被稱為礦井的“咽喉”[1]，是人員、設(shè)備、材料運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ繹2]。井壁作為井筒的主體結(jié)構(gòu)，是隔絕壁后高壓水、抵抗地壓的有力屏障，同時(shí)也是井筒裝備安裝的著力點(diǎn)，井壁質(zhì)量的優(yōu)劣是井筒安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。近年來(lái)，立井井筒井壁突發(fā)破裂災(zāi)害逐年增多，嚴(yán)重威脅礦井提升運(yùn)輸、人員出入及通風(fēng)安全，影響礦井安全生產(chǎn)[3]。因此，綜合分析立井井筒非采動(dòng)破裂的影響因素以及其相應(yīng)的影響程度，對(duì)于保障礦井的安全生產(chǎn)具有重大意義[4]。本文以甘肅華能天竣能源有限公司劉園子煤礦主立井產(chǎn)生破壞為工程背景，深入分析了導(dǎo)致主立井井壁破壞的原因，提出了井筒修復(fù)治理方案，以期為類似井壁修復(fù)工程提供借鑒和參考[5]。

1 工程概況

1.1 井筒概況

劉園子煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬(wàn)t/a。主立井井筒凈直徑4.0m，垂深456.0m，0～70m表土段井壁砌筑材料采用鋼筋混凝土，厚度400mm；基巖段采用素混凝土，厚度400mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C35，水泥采用抗硫酸鹽水泥。井筒于2011年投入使用，2015年礦方發(fā)現(xiàn)井筒井壁存在粉化破裂。

1.2 井筒穿越地層及水文地質(zhì)情況

表1 主井井筒穿越地層地質(zhì)特征表

2 井筒破壞特征及原因分析

2.1 破壞特征

主井破壞特征表現(xiàn)為井壁粉化破裂，主要集中在50～80m段，粉化區(qū)域的中心位置粉化深度一般最大，向邊緣逐漸變淺，最大破裂寬度2.3m左右，最大深度可達(dá)20～30cm，主井井深50～90m井壁粉化破裂區(qū)域素描圖如圖1所示。井壁粉化破裂后，原井壁混凝土的石子、砂、水泥分離，已粉化井壁與原井壁的附著性較差，采用手扣即散落，未粉化部分井壁質(zhì)量相對(duì)較好，表明井壁粉化是由壁面向里逐漸進(jìn)行的。井壁在井深0～139m沒(méi)有明顯的滲漏段分布，僅在部分粉化破裂區(qū)域井壁呈濕潤(rùn)狀態(tài)，越向下濕潤(rùn)程度越高。井筒從井深150m左右井壁基本呈現(xiàn)全濕的狀態(tài)，越向下井壁淋水量越大，部分區(qū)域出現(xiàn)水簾。井筒總水量在3.5m3/h左右。

圖1 主井井深50～90m井壁粉化破裂區(qū)域素描圖(m)

2.2 原因分析

2.2.1 混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)

立井混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)以箕斗為平臺(tái)安裝鉆孔取芯設(shè)備，采集不同位置、不同粉化破裂狀態(tài)的井壁混凝土芯樣，然后進(jìn)行采樣后鉆孔窺視、混凝土芯樣長(zhǎng)度測(cè)量、感觀評(píng)價(jià)、強(qiáng)度測(cè)試、微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)等以評(píng)價(jià)井壁混凝土的質(zhì)量。在主井井壁取樣6個(gè)，取樣點(diǎn)位于井筒的深度、方位等參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主井井壁混凝土芯樣分析

采用KS-Ⅰ型鉆孔專用窺視儀對(duì)孔口及孔底進(jìn)行探測(cè)，主井井壁鉆孔孔口及孔底窺視結(jié)果如圖2所示。

圖2 主井井壁鉆孔孔口及孔底窺視結(jié)果

通過(guò)窺視觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)主井井壁混凝土與圍巖接觸較好，沒(méi)有出現(xiàn)離層、空洞等不良現(xiàn)象。且鉆孔孔壁較光滑，井壁混凝土本身也沒(méi)有出現(xiàn)目測(cè)可視的空洞等不良現(xiàn)象。井壁打鉆時(shí)也沒(méi)有出現(xiàn)突進(jìn)等現(xiàn)象，也相應(yīng)說(shuō)明井壁混凝土與壁后圍巖接觸較好；通過(guò)對(duì)井壁取樣發(fā)現(xiàn)，在未去除井壁粉化芯樣的情況下，主井井壁混凝土平均厚度達(dá)到410mm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的井壁厚度400mm的標(biāo)準(zhǔn)。但部分混凝土芯樣出現(xiàn)蜂窩、空洞的現(xiàn)象，說(shuō)明主井井壁混凝土密實(shí)度不足。

依據(jù)《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》，采用的測(cè)試裝置為YAW-3000壓力試驗(yàn)機(jī)(S4-1026)及0～150mm游標(biāo)卡尺，對(duì)取樣進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，井壁混凝土試樣強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

通過(guò)對(duì)主井井壁混凝土試樣微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)混凝土采用砂的磨圓度相對(duì)較高，水泥水解產(chǎn)物呈針葉狀，水泥膠結(jié)料與砂骨料接觸不夠緊密，存在較多的小洞和微裂隙，如圖3所示。

通過(guò)鉆孔窺視、試樣強(qiáng)度測(cè)試及微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)，主井井壁混凝土與壁后圍巖接觸較好，支護(hù)厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但混凝土平均單軸抗壓強(qiáng)度10.23MPa，換算為軸心抗壓強(qiáng)度12.07MPa，僅為設(shè)計(jì)軸心抗壓強(qiáng)度16.7MPa的72%[18]，且混凝土局部呈現(xiàn)蜂窩、空洞狀，表明井壁混凝土質(zhì)量存在瑕疵。

表3 主井井壁混凝土試樣強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖3 試樣電鏡圖片(主井井深69.8m井壁混凝土試樣)

2.2.2 井壁后含水層水質(zhì)評(píng)價(jià)

表4 主井水質(zhì)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

井筒圍巖埋深70m處水質(zhì)較差，該水質(zhì)對(duì)于井壁混凝土具有中等腐蝕性。其余取水點(diǎn)水質(zhì)均相對(duì)較好，對(duì)井壁混凝土的腐蝕等級(jí)均為微腐蝕。

2.2.3 總體評(píng)價(jià)

井壁破壞一般由于深厚表土層底層失水，上層土體固結(jié)沉降并相對(duì)井筒向下移動(dòng)，對(duì)井壁施加一向下的負(fù)摩擦力，井壁中產(chǎn)生應(yīng)力集中，超過(guò)井筒中混凝土的承載極限時(shí)，井筒發(fā)生破壞[13]。

根據(jù)對(duì)混凝土質(zhì)量、壁后含水層等方面分析，該立井井筒投入使用約4年就發(fā)生粉化破裂，且已破裂的混凝土脫離原井壁，主要原因：一是由于井筒施工過(guò)程中振搗不充分，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)蜂窩、空洞的現(xiàn)象密實(shí)度不足，強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；二是在井筒掘砌過(guò)程中迎頭有涌水，井壁澆筑帶水作業(yè)，混凝土中水泥易被沖蝕，井壁質(zhì)量不能保證[1]；三是壁后水質(zhì)具有腐蝕性，導(dǎo)致混凝土中膠結(jié)物被消耗，混凝土強(qiáng)度降低[7]；四是提升設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生動(dòng)荷載加劇了井壁破壞，荷載因素時(shí)間越長(zhǎng)，井壁支護(hù)對(duì)圍巖應(yīng)力的抵抗力越低[8]。

3 井筒修復(fù)方案

3.1 修復(fù)原則與方法

主井井筒井壁粉化破裂存在砸壞井內(nèi)設(shè)備，砸斷井內(nèi)管線的可能，極大地威脅井內(nèi)裝備的安全；特別是在井筒檢修階段檢修人員進(jìn)入井筒后，一旦發(fā)生井壁垮落事故，將極有可能威脅井中工作人員的生命安全。另外主井擔(dān)負(fù)全礦井煤炭提升任務(wù)，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，造成罐道變形，甚至脫落，將嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)并發(fā)生重大事故。因此，在井筒修復(fù)時(shí)本著修復(fù)、預(yù)防并重的原則[9]，同時(shí)應(yīng)充分考慮到井筒修復(fù)需停產(chǎn)、工期緊、任務(wù)重等因素[14]。根據(jù)上述情況，制定了“固、注、卸”的綜合治理方案，即：①“固”，采用井圈加固，通過(guò)籠形井圈對(duì)井壁進(jìn)行加固[17]，由于該井筒為礦井主提升井筒，在井圈設(shè)置時(shí)既要考慮加固強(qiáng)度，又要考慮設(shè)置井圈后井壁與提升容器滿足《煤礦安全規(guī)程》最小間隙要求；②“注”，采用壁后注漿，通過(guò)注漿在井筒周圍形成注漿帷幕，要以壁后注漿堵水與壁后松散地層加固同時(shí)考慮，改善圍巖力學(xué)特性[10]；③“卸”，通過(guò)設(shè)置卸壓槽，有效地吸收井筒的豎向壓力[11]，對(duì)井壁的應(yīng)力進(jìn)行有效釋放[12]。

3.2 井圈加固修復(fù)

根據(jù)該井筒破壞特征，設(shè)計(jì)選用籠形井圈。該種方式可減少修復(fù)費(fèi)用，縮短工期。井圈規(guī)格選用20號(hào)槽鋼加工，豎向采用14號(hào)槽鋼連接。考慮到箕斗與井壁之間最小間隙僅為166mm，為保證井圈的支護(hù)強(qiáng)度、同時(shí)滿足規(guī)程規(guī)定的最小間隙要求，采用開(kāi)切井圈槽及切割井圈鋼筋板相結(jié)合的方法安裝井圈。上下井圈均勻交叉布置，即上下井圈接頭不能在同一條豎線上，以增加井圈牢固強(qiáng)度[15]。井圈分為5節(jié)，每節(jié)弧長(zhǎng)2.595m，并且在端頭焊厚10mm的鋼板堵頭，每個(gè)堵頭打2個(gè)Ф22mm孔，以備采用2顆螺栓連接。井圈加工與安裝如圖4所示，加工參數(shù)見(jiàn)表5，材料消耗量見(jiàn)表6。

圖4 井圈加工與安裝(mm)

表5 井圈加工參數(shù)

表6 材料消耗量

3.3 壁后注漿

注漿的目的主要在于確保挖補(bǔ)已破壞混凝土和開(kāi)切卸壓槽時(shí)的施工安全和井筒安全，通過(guò)壁后注漿可有效地封堵破壞段井壁的出水點(diǎn)，增強(qiáng)井壁的封水性和抵抗水平地壓的能力[16]，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沉降，且一定程度上減小壁后涌水對(duì)井壁的腐蝕作用。

根據(jù)井壁厚度、井筒穿越巖層巖性等因素，確定采用中深、中淺孔雙液(水泥+水玻璃)壁后注漿堵水、加固。中淺孔主要目的是封閉出水點(diǎn)，注漿孔深度宜為穿透井壁10～20cm；中深孔主要目的是加固圍巖，根據(jù)注漿擴(kuò)散半徑，孔深控制在1～2m。

注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿。水泥型號(hào)P.O32.5；水玻璃模數(shù)2.8～3.2，濃度40Be'；水泥與水玻璃的體積比1∶0.2～1∶0.5。注漿順序由上而下，根據(jù)吃漿量和注漿壓力觀察注漿效果，如果出現(xiàn)吃漿量少且壓力上升快，打開(kāi)孔口管閥門觀測(cè)仍有水涌出，說(shuō)明此部位巖層裂隙小，用水泥、水玻璃雙液介質(zhì)濃度大且顆粒粗，無(wú)法注入充填微細(xì)裂隙，在此情況下要變換注漿介質(zhì)，采用ZK-Ⅲ型孔隙溶膠劑型化學(xué)漿液或波雷音馬麗散。注漿參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 井筒注漿參數(shù)

3.4 卸壓槽設(shè)置

卸壓槽是在井壁內(nèi)開(kāi)切的 1 個(gè)水平環(huán)狀槽，用以釋放和衰減作用于井壁上的豎向附加力[16]。一部分卸壓槽布置在松散層下部井壁破壞段；還有一些井筒由于考慮到井壁破壞處破壞嚴(yán)重，并且為中等富水含水砂層或砂礫層，卸壓槽施工有一定風(fēng)險(xiǎn)，將卸壓槽放到了基巖風(fēng)化帶或上面粘土層，位于井深49m處，從而遠(yuǎn)離了井壁應(yīng)力集中段。

卸壓槽尺寸：高度520mm，深度410mm。

卸壓槽充填材料：卸壓槽內(nèi)充填的可壓縮材料要有一定的強(qiáng)度，且變形性能良好，對(duì)材料的物理力學(xué)性能應(yīng)具有下列要求：首先在10MPa的壓應(yīng)力作用下，要有較大的壓縮變形率;然后材料要便于加工和井下施工，它的防腐蝕和耐久性要好[16]。選用采用瀝青防腐的松木塊，松木塊尺寸為：長(zhǎng)度400mm，大頭面寬×高=240mm×250mm，小頭面寬×高=199mm×250mm(考慮10mm灰縫)。每層63塊，合計(jì)126塊。

卸壓槽工程量及材料消費(fèi)見(jiàn)表8。

表8 卸壓槽工程量及材料消耗量

4 井筒修復(fù)施工

井筒修復(fù)施工順序?yàn)椋孩俟こ虦?zhǔn)備→②井圈加固→③對(duì)井壁漏水點(diǎn)進(jìn)行封堵(注漿)→④修補(bǔ)破壞處→⑤施工卸壓槽→⑥工程收尾。

4.1 臨時(shí)施工工作盤

根據(jù)主井筒內(nèi)現(xiàn)有的2個(gè)箕斗情況，在不影響安全和生產(chǎn)的情況下，用壁厚不小于6mm鋼管在箕斗外延鋼梁上焊接固定管梁，再用小于管梁直徑的鋼管穿于其中，用頂絲固定至離井壁小于30cm的位置，上面鋪設(shè)不小于3cm厚的木板做施工平臺(tái)。

4.2 井圈槽施工及槽鋼豎向連接

井圈槽尺寸：高度220mm，深度不大于200mm。井圈槽施工要求：在施工過(guò)程中必須保證安全，成型要基本規(guī)整，避免對(duì)井壁的進(jìn)一步破壞，采用混凝土靜切割機(jī)沿井壁切割輪廓線槽后，配合風(fēng)鎬修整為輔。井圈后部背實(shí)、楔緊，保證其具有支撐力[19]，各節(jié)井圈之間采用對(duì)接式連接，水平采用錨桿或壁樁固定連接，要求架設(shè)在一個(gè)平面上，井圈各節(jié)間用鋼板楔實(shí)調(diào)整壁間尺寸后焊接不能松動(dòng)。井圈與井壁采用小錨桿連接，每節(jié)井圈2個(gè)。井圈段采用上行式支護(hù)，即從下向上施工。井壁與井圈空隙，需采用細(xì)石混凝土充填密實(shí)。井圈與井壁之間的空隙采用鋼板或木板脹緊密實(shí)。在罐籠的兩角，如果架設(shè)井圈后安全提升間隔如果不足，需切割槽鋼翼，增加提升間隔。采用槽鋼豎向連接，主要是使各井圈重量均勻分布，防止較薄的井壁段由于增加井圈的重量而破裂。連接采用14號(hào)槽鋼，將槽鋼截成與井圈間距相匹配的短段，采用螺栓螺母的方式連接井圈。根據(jù)井筒裝備懸臂罐道梁的布置層位，井圈間距設(shè)計(jì)為兩種：與罐道層上下相鄰的井圈間距為0.85m，其它的井圈間距為0.83m，共設(shè)置50層。

4.3 注漿施工

要求注漿不能加劇井壁的破壞。井壁無(wú)嚴(yán)重破壞處可打探水孔，不能有滲水、涌水現(xiàn)象。注漿后在卸壓槽位置無(wú)出水點(diǎn)，4個(gè)不同方向探孔檢查壁后1.5m無(wú)水滲出。注漿要先稀后稠，先自下而上，再自上而下復(fù)注[20]。因本井筒為單層混凝土井壁，無(wú)外層井壁保護(hù)、隔水隔泥沙，故在開(kāi)槽處先行打探孔確認(rèn)井壁外地層情況，如探孔噴砂或泥漿應(yīng)立即封孔調(diào)整開(kāi)槽位置，若僅出清水、水壓不大的情況下則可進(jìn)行上下5m范圍內(nèi)，采用密集孔注漿加固，孔深確定2.5～4m，孔間距控制在0.8～1m內(nèi)，確保開(kāi)槽5m范圍內(nèi)外部巖層的強(qiáng)度和不透水性，方可開(kāi)槽。

4.4 卸壓槽施工

開(kāi)切卸壓槽前需在開(kāi)切位置均勻布置8個(gè)探水孔，孔深1.8m。經(jīng)確認(rèn)無(wú)滲水情況時(shí)方可進(jìn)行擴(kuò)大卸壓槽施工。擴(kuò)槽時(shí)沿周長(zhǎng)分成8個(gè)區(qū)段，對(duì)稱開(kāi)挖然后充填。待卸壓槽達(dá)到各區(qū)段設(shè)計(jì)規(guī)格后，鋪墊防水砂漿，充填壓縮木，安裝應(yīng)力計(jì)。然后用薄木板楔入空隙脹緊密實(shí)接頂。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)劉園子煤礦主立井井壁壁后窺視、對(duì)井壁試樣混凝土強(qiáng)度測(cè)定及壁后水質(zhì)分析，主要存在混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工過(guò)程中振搗不充分、井筒涌水水質(zhì)有較強(qiáng)腐蝕性等問(wèn)題，從而導(dǎo)致井壁發(fā)生粉化破碎，最大破裂寬度2.3m左右，最大深度可達(dá)20～30cm。

2)綜合修復(fù)治理方案既考慮了井筒裝備與井壁之間最小安全間隙要求，又充分考慮了施工工期短、任務(wù)重，盡可能減小對(duì)礦井正常生產(chǎn)的影響。

3)針對(duì)井壁破壞特征，采用了“固、注、卸”綜合治理方案，即：井圈加固井壁、注漿堵水和壁后松散地層加固及設(shè)置卸壓槽，不僅提高了井壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且改善圍巖力學(xué)特性，為實(shí)現(xiàn)井筒安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

4)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工驗(yàn)證及后期觀測(cè)，劉園子煤礦主立井井筒運(yùn)行情況良好，基本滿足礦井正常生產(chǎn)需求，井壁未發(fā)現(xiàn)有出水點(diǎn)，未發(fā)生井壁破壞情況，為類似井筒修復(fù)治理提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。