平煤一礦北三進風井高強鋼筋混凝土單層井筒事故分析

汪洪菊

（鄭州工業應用技術學院建筑工程學院，河南新鄭451100）

平煤一礦北三進風井高強鋼筋混凝土單層井筒事故分析

汪洪菊

（鄭州工業應用技術學院建筑工程學院，河南新鄭451100）

采用凍結法施工的高強鋼筋混凝土井筒，屬于低溫環境下大體積混凝土施工。因此，其質量好壞不僅受大體積混凝土澆筑影響，而且還受配合比和養護措施影響。主要體現在，一是低溫環境下混凝土配合比對強度發展影響較大；二是低溫環境不利于混凝土現場澆筑施工和養護；三是大體積高強混凝土澆筑時所產生大量的水化熱，從而產生較大的溫度應力，以致產生收縮裂縫；四是混凝土中自由水所引起的凍脹應力，以致產生凍脹裂縫。結合平煤一礦北三進風井井筒事故，對工程配合比和實驗室配合比進行了對比分析，比較了防凍劑和養護條件等因素對低溫環境下高強混凝土的影響，并對低溫條件下大體積高強混凝土的水化熱、抗裂性能及凍脹應力進行了計算。結果表明，凍脹應力是造成井壁出現環向裂縫的直接原因，而其根本原因在于配合比設計不合理和養護措施不當所造成的。

井筒；凍結法施工；大體積高強混凝土；配合比；水化熱；凍脹應力

D0I∶10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.06.012

自20世紀80年代以來，煤炭在我國能源生產結構中的比例一直維持在70%左右。可見，正是整個煤炭工業在支撐著我國國民經濟的持續、快速發展。特別是我國中東部地區煤炭供需矛盾持續緊張，煤炭資源開采深度也正以8～12m/a的速度增加，預計在未來20a內我國很多煤礦將進入到1000～1500m的開采深度[1,2]。由此可以預見，在未來相當長一段時間內，我國的能源結構尚不會得到根本性轉變；而且煤礦建設穿越表土層的厚度也越來越大，目前平均深度達600～700m[1]。為了適應巨厚表土層的建井方法，我國自1955年首次在開灤西風井應用凍結法鑿井以來，人工地層凍結作為一種在松散含水層中開鑿井筒的有效方法，已經在我國許多煤礦建設中得到廣泛應用。然而，近年來為了降低井筒施工成本，將原先設計的厚重雙層井筒，逐漸過渡到單壁井筒，但由于缺乏經驗，在施工中難免出現重大安全事故隱患。如正在建設的平煤一礦北三進風井設計深度為960m，其中，在-385.0～525.0m段，段長140m，井壁內壁厚度為1150mm，外壁厚度為450mm，為凍結段。根據2012年11月份所出現的事故，即在井筒累深400～500m區間段混凝土(C70泵送混凝土)井壁出現環向裂紋，其長度大約200mm，總體上環向裂紋基本貫通，其位置基本處于中間部分（每模高4.5m，大約出現在2m位置處。因每相鄰模段接槎處有一鋼板相連，其中，下段為豎向連接，上段大約以45°角斜向井筒內壁連接）。

根據接槎處初次壁后注漿（水泥＋水玻璃，注漿壓力約為10MPa，靜水壓為5.6MPa左右）情況，漿體沿裂縫滲漏到井壁內側，說明裂縫已貫穿整個井壁（800mm厚）。

據此初步判斷，造成事故的主要原因有：一是混凝土低溫澆筑影響，即低溫凍脹是主要影響因素；二是首次壁后注漿壓力影響，即注漿壓力過大是造成裂縫進一步開展的主要原因；三是混凝土配合比的影響，即原配合比不僅未達到設計標號，而且更不能體現高性能混凝土的性能；四是施工工藝的影響，即沒有采取相應的措施避免混凝土早期受凍，從而影響混凝土的早期質量，最終為后期的安全事故埋下隱患。

因此，開展了低溫環境下高強混凝土強度發展規律研究，以便為相關井筒施工奠定基礎，從而避免重大事故出現，進而為企業降低工程成本，提高工效和經濟效益奠定基礎。

1 實驗材料及方法

1.1 試驗原材料

1）水泥：采用焦作堅固牌P·O52.5水泥，根據長期使用經驗，該水泥的強度穩定性好、與外加劑

相容性較好，各項指標如表1所示。

2）砂：選用河砂，屬中砂，細度模數Mx=2.9，表觀密度2650kg/m3；

3）碎石：采用焦作產石灰巖碎石，5～20mm，連續顆粒級配，含泥量低于0.1%，無泥塊，表觀密度約為2800kg/m3；

4）粉煤灰：選用平頂山姚孟電廠產Ⅰ級粉煤灰，細度≤12.0%，吸水量≤95%，燒失量≤5.0%，SO3≤3.0%；

5）硅灰：采用鞏義市產硅灰，白色粉末，SiO2含量92%以上；

6）高效減水劑：采用河南美亞公司生產的聚羧酸高效減水劑。該減水劑除了摻量小，減水率高等優點外；保塑形較強，能有效地控制混凝土拌合物的坍落度經時損失，且對混凝土硬化時間影響不大；并具有抗縮性，能有效地提高混凝土的耐久性，減水率最高可達40%；同時，由于該減水劑為引氣型減水劑，故可顯著地降低混凝土堿-骨料反應、提高混凝土的抗凍融能力；

7）防凍劑：本試驗選用了河南博甌牌白色無鹽晶體防凍劑，最佳摻量為5%。

1.2 試驗方法

1.2.1 同標號混凝土，不同配合比

采用平煤一礦北三進風井井筒施工配合比(即天石混凝土攪拌站采用的C70高強混凝土配合比，如表2所示)，與試驗室C70高強混凝土配合比(如表3所示)在低溫環境下同條件養護進行7d、28d立方體抗壓強度進行對比。試件規格均為100mm× 100mm×100mm。

1.2.2 養護條件及防凍措施

采用C80高強混凝土基本配合比（如表4所示）為基準，分別進行加入占水泥摻量5%的防凍劑與不加防凍劑的高強混凝土立方體抗壓強度對比。成型后進行室外自然變低溫養護，28d天之內最低溫度-11℃（2012年12月份），最高溫度9℃；負溫平均-6℃，正溫平均3℃；試件前7d養護溫度變化記錄如表5所示。分別進行低溫環境下表面無覆蓋、覆蓋三層塑料薄膜、三層塑料薄膜加三層棉絮三種帶模養護措施，養護情況如圖1所示。

圖1 部分試件養護情況

1.3 施工注意事項

1）拌合水加熱溫度不超過80℃，確保混凝土出機溫度不得低于10℃，入模溫度不得低于5℃；

2）由于防凍劑為粉狀，應按要求摻量直接撒在水泥上面和水泥同時投入[3]；

3）坍落度測試應在150s內完成，測試完成后

應立即裝模成型[4]。

表1 堅固牌P·O52.5水泥的物理性能

表2 天石攪拌站C70高強混凝土配合比

表3 試驗室C70高強混凝土配合比

表4 C80高強混凝土配合比

2 試驗結果及分析

2.1 低溫環境養護條件下同標號混凝土，不同配合比對強度發展的影響

實測天石攪拌站給定C70配合比、試驗室C70配合比分別在-7℃、標養7d、28d混凝土強度如表6所示。

表6 C70高強混凝土強度

由表6可知，同標號不同配合比高強混凝土在標養條件下，試驗室配制的C70高強混凝土7d、28d分別較天石攪拌站配制的C70混凝土分別提高21.1%、16.8%；低溫環境養護條件下，試驗室配制混凝土較天石攪拌站配制高強混凝土7d、28d分別提高76.4%、32.8%；天石攪拌站配制的C70高強混凝土低溫養護較標準養護條件下7d、28d混凝土抗壓強度分別降低了49.9%、29.0%；試驗室配制的C70高強混凝土低溫養護比標準養護條件下7d、28d混凝土抗壓強度分別降低了27.0%、19.8%。

試驗表明，混凝土配合比對其強度發展影響較大，且改善效果明顯。其原因主要是由于試驗室配合比中加入了礦物摻合料粉煤灰、硅灰，而且復摻法能充分發揮其填充效應，增加混凝土的密實性，隔斷毛細管通道，減少不利孔的數量，增加有利孔，從而增加早期的抗凍能力；特別是在后期，由于其二次水化反應，對后期強度及耐久性非常有利[5]；其次，由于試驗室配合比采用的聚羧酸高效減水劑屬于引氣型減水劑，引氣成分在一定程度上可以阻止混凝土的變形，阻止裂縫的產生，有利于混凝土的后期強度發展[6]。

2.2 不同養護條件和防凍措施下抗壓強度比較

首先制作C80高強混凝土9組試件，然后在C80配合比基礎上加入水泥摻量5%的防凍劑，成型后分別分組進行帶模無覆蓋、覆蓋三層塑料薄膜、覆蓋三層塑料薄膜加三層棉絮不同防凍措施，放置室外自然低溫養護，實測3d、7d、28d抗壓強度如表7所示。

由表7可知，不添加防凍劑時測得的抗壓強度基本上低于添加防凍劑時的混凝土抗壓強度；隨著覆蓋厚度和保溫效果增加混凝土抗壓強度均有所提高；無添加防凍劑混凝土在覆蓋三層塑料薄膜加三層棉絮養護條件下與添加防凍劑無覆蓋養護條件下混凝土抗壓強度基本相同；添加防凍劑并覆蓋三層塑料薄膜加三層棉絮較無添加防凍劑無覆蓋混凝土抗壓強度提高8.3%，添加防凍劑覆蓋三層塑料薄膜加三層棉絮fcu3d、fcu7d、fcu28d分別達到了51.8MPa、69.3MPa、86.1MPa，能夠滿足低溫環境下施工要求[7]。這說明采取適當防凍及保溫措施可以有效抑制混凝土早期凍脹裂縫，從而保證早期強度不受太大損害，提高混凝土的質量，為后期安全儲備奠定基礎；其次，基準組中未加防凍劑，當混凝土處在負溫環境時，由于達到了自由水的冰點，因此產生凍脹；而另一種配合比中，因為加入了防凍劑，使得內部大孔中水的冰點降低[8-9]，改變了結晶形態[10]，因此在低溫條件下沒有因孔內自由水結冰而凍脹。這說明摻加防凍劑可有效避免低溫環境下混凝土早期凍脹，而且在低溫下施工可以減小混凝土早期凍害損傷。所以，采取有效防凍措施及保溫養護措施可以保證混凝土的早期強度發展。

表5 試件養護前7d溫度記錄

表7 C80高強混凝土不同養護條件下抗壓強度

3 混凝土水化反應及抗裂驗算

結合平煤一礦北三進風井事故，分析計算低溫環境下大體積混凝土膠凝材料水化反應所引起的混凝土內部溫度變化及混凝土抗裂驗算。

3.1 混凝土水化反應

1）水泥水化熱計算

式中：

Q－膠凝材料水化熱總量J/kg；

K－不同摻合料水化熱調整系數；

Q0－水泥水化熱kJ/kg。

因本工程中并沒有礦物摻合料，因此Q＝314kJ/kg×1×513kg=161082kJ·3d。

2）混凝土的絕熱溫升

式中：

T(t)－混凝土齡期為t時的絕熱溫升℃；

W－每1m3混凝土膠凝材料總量g/m3；

Q－膠凝材料水化熱總量kJ/kg；

C－混凝土的比熱，取0.96kJ/kg·℃；

ρ－混凝土的重力密度，取2400kg/m3；

m－與水泥品種、澆筑溫度有關的系數，取0.4d-1；

t－混凝土齡期d。

則本工程3d時的混凝土溫升為T（3）=49℃。

由于混凝土出料到澆筑經歷的時間大約為1～2h，地面的溫度為0～10℃，施工現場溫度為-11℃左右。因此，現場混凝土將很快進入冰點，從而產生凍脹應力。

式中：

Tc(t)－澆注中心最高溫度℃；

Tj－澆注時平均氣溫℃；

ξ(t)－t齡期時的降溫系數。

則Tc(3)=-12+49×0.208＝-1.8℃。

3）混凝土最大綜合溫差絕對值

式中：

ΔT(t)－t齡期時混凝土最大綜合溫差絕對值；

T0－混凝土澆注入模溫度，取5℃；

Tq－外部溫度，取-12℃。

則混凝土最大綜合溫差絕對值ΔT(3)＝5＋0.666×49＋2.049＋12＝51.68。

3.2 混凝土抗裂驗算

1）混凝土抗拉強度

式中：

ftk(t)－t齡期時混凝土抗拉強度標準值MPa；

ftk－28d齡期時混凝土抗拉強度標準值MPa，按C50取，2.65；

η－系數，取0.3。

則3d齡期時混凝土抗拉強度為ftk(3)＝2.65× (1-e-0.3)=0.6868MPa。

2）抗裂計算

不同齡期時，混凝土抗裂計算按式(6)計算。

則1×0.6868/0.6351＝1.08＜1.15。

故滿足抗裂要求。但如果按1.05系數，則不滿足要求。因此，可能處于抗裂的臨界點附近。

3.3 混凝土自由水凍脹應力

因混凝土中的水泥水化反應有效水灰比只有0.277，實際水灰比為0.324，因此多0.047部分水，折合為自由水量為7.81kg/m3，部分冰晶并不影響混凝土(水結晶體積可以忽略不計，水的膨脹系數為8%-9%)，則膨脹體積約為6.25×10-4-0.214× 10-4m3，則根據文獻[11]，假定混凝土各項同性，那么由于體積膨脹所引起的各向膨脹內應力相同，并可表示為

式中：

σes—混凝土膨脹內應力；

B—混凝土體積模量，K＝E/(3×(1-2×μ))。其中，E為彈性模量，μ為泊松比；

εpp—混凝土體積應變。

故本工程按混凝土實際強度C55計算，其E= 3.55×104MPa，μ=0.17，則1m3混凝土所引起的混凝土膨脹內應力即為

σes=11.21MPa-12.60MPa

由于凍脹應力遠大于混凝土抗拉強度，由此可以推測，混凝土出現裂縫應該主要是由于凍脹引起的。因此，低溫環境下大體積高強混凝土施工應控制混凝土早期養護溫度，避免發生凍脹裂縫。同時，也應采取一定措施在保證混凝土早期強度的前提下，盡量控制混凝土的入模溫度。只有這樣才能既保證混凝土的早期強度，又可以降低混凝土的最終溫升，從而減少混凝土溫降收縮，進而避免收縮裂縫[12]。

3.4 不同配合比混凝土水化熱計算

根據3.1、3.2計算原理，三種配合比的熱工計算參數與抗拉強度結果如表8所示。

表8 不同配合比混凝土水化熱與抗拉強度

由表8可知，試驗室配合比的水化熱及絕熱溫升都較天石配合比要低，這是因為試驗室配合比中加入了礦物摻合料硅灰和粉煤灰，不僅可以降低水泥、混凝土水化熱[13-15]，而且在低水膠比條件下，硅灰在水化過程的不同階段所表現出不同的作用，如硅灰延長了水化誘導期，降低了加速期的水化放熱速率，增加了減速期的水化放熱速率；并且隨著水膠比增加，硅灰對水化的加速作用漸趨增強。此外，復摻硅灰和粉煤灰，水泥的水化反應將進一步地被延遲，水化熱進一步減少。

3.5 井壁環向裂縫分析

根據彈塑性力學理論，考慮凍土壁與井筒聯合作用時，井壁混凝土一般處于三向受力狀態。由于其上、下方向受模板約束，環向受圍巖約束，內壁不受約束。當井筒開挖后,地層原始應力和附加溫度應力重新分布,凍結壁發生變形,逐漸釋放能量并向井筒中心位移,而受阻于外壁產生“形變壓力”。根據彈性力學理論可知，圓環或圓筒受均布壓力；而由圣維南原理可知，豎向、環向混凝土均受壓應力，但由于內壁無約束，且由于溫度變化不均勻，造成變形不均勻，形成應力集中，因此易形成環向裂縫。特別是在三面約束作用和凍脹條件下，易在中間部位形成環向裂縫。

4 結論

1）通過現場混凝土配合比與試驗室配合比的對比分析，現場混凝土強度沒有達到設計強度等級，主要是由于配合比設計不合理造成的；特別是在低溫環境大體積混凝土澆筑時，受其影響較大，并嚴重影響混凝土的質量；

2）不添加防凍劑時混凝土抗壓強度基本上低于添加防凍劑時的強度；而且隨著覆蓋厚度和保溫效果增加，混凝土抗壓強度均有所提高；無添加防凍劑時，混凝土在覆蓋三層塑料薄膜加三層棉絮養護條件下與添加防凍劑時無覆蓋養護條件下抗壓強度基本相同；添加防凍劑時，在覆蓋三層塑料薄膜加三層棉絮養護條件下，可滿足低溫環境下施工要求，并能有效抑制混凝土早期凍脹裂縫，從而保證早期強度不受太大損害，這對提高混凝土質量，后期安全儲備奠定基礎；

3）結合平煤一礦北三進風井事故，通過混凝土水化反應熱、抗裂驗算及凍脹應力計算可知，井幫出現的環向裂縫主要是由凍脹應力引起的，其根本原因在于混凝土配合比設計不合理、養護措施不當所造成的。

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Single Borehole Accident Analysis of North Three Entering Wind Shaft in Pingdingshan First Mine Built with High Strength Reinforced Concrete

WANG Hongju
(Zhengzhou University of Industrial Technology,Xinzheng 451100,China)

High strength reinforced concrete is used to shaft under freezing method construction,which belongs to mass concrete construction in low temperature environment.Therefore,its quality not only affected by the mass concrete casting,but also influenced by the mixing ratio and curing measures.Mainly embodied as follows∶firstly,concrete strength development is badly influenced by the mix under low temperature environment;second?ly,concrete is not easily casted in situ and maintained in cryogenic environment;thirdly,lots of hydration heat is produced in mass concrete construction which will result larger temperature stress and shrinkage cracks;finally, free water in concrete is frosted which will cause expansion stress and cracks.Based on the shaft wall accident of north three entering wind well in Pingdingshan 1st mine built with high strength reinforced concrete,an engineer?ing and laboratory mix proportioning are compared and analyzed,also including antifreeze and curing conditions and hydration heat,crack resistance and frost heaving stress are calculated too,which shows the frost heaving stress is the direct cause of ring cracks,and unreasonable mixture and maintenance measures are central causes of the problem.

wellbore;freezing method construction;large mass high strength concrete;mixture ratio;hydration heat;frost heaving stress

TU262.5

A

1673-2928（2016）06-0038-06

（責任編輯：郝安林）

2016-03-20

深部礦井建設省重點學科開放實驗室開放基金（2011KF-01）：河南省教育廳科技攻關項目（2010A560010）。

汪洪菊(1987-)，女，河南新鄉人，碩士，主要從事工程材料、結構耐久性等方面研究。