質量缺陷及粉化破裂立井井壁治理措施

姜希印，周玉華，劉體軍，程繼東，錢自衛

（1.兗州煤業股份有限公司 濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272000；2.中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點試驗室，江蘇 徐州 221116；3.徐州中礦井巷防治水新技術有限公司，江蘇 徐州 221008）

井筒被稱為礦井的“咽喉”，井筒建成后安全使用是礦井安全運行的前提[1-2]。井壁是井筒的主體結構，是隔絕壁后高壓水、抵抗地壓的有力屏障，同時也是井筒裝備安裝的著力點，井壁質量的優劣是井筒安全運行的基礎。近年來在我國發生多起井壁破裂、質量缺陷、不合理井壁作業而引發的事故[3-5]。比如，松散層段井壁破裂可能引發突水、潰砂事故[4-5]，基巖段井壁塊狀坍塌可能造成井筒裝備損壞、井筒作業人員傷害的事故。井壁破裂、質量缺陷的原因是多方面的，比如在我國黃淮海地區大量井筒在松散層底部基巖界面破裂，主要是松散層水位降低土層固結壓縮造成的[6-7]；井壁質量缺陷往往是井壁澆筑過程中頂水、帶水作業，水泥被沖蝕造成的。另外，近年我國的多個井筒井壁發生腐蝕粉化的現象，多為井壁滲漏水中含有高濃度的腐蝕性離子造成的[8-10]。濟寧二號煤礦副立井在使用過程中發現井壁存在嚴重質量缺陷、滲漏、粉化現象，初步調查及分析發現，其所呈現的問題具有其代表性及特殊性。研究分析了其原因，制定了治理方案，治理經驗可為類似工程問題的防治提供參考。

1 副立井概況

濟寧二號煤礦副立井井筒凈徑φ8.0 m，井口設計標高+38.00 m，井深 623.3 m。表土層厚度 176.6 m，凍結深度235.0 m，凍結段井壁為普通雙層鋼筋混凝土井壁，井壁內外壁厚度各為450 mm，井壁混凝土設計強度C40；基巖段采用鉆爆法施工，井壁為單層素混凝土井壁，井壁厚度500 mm,井壁混凝土設計強度C25。井內布置1套1.5 t礦車雙層四車寬罐籠，帶平衡錘；另1套為1.5 t礦車雙層四車普通罐籠和特制高罐籠。采用球扁鋼組合罐道，工字鋼罐道梁，樹脂錨桿托架；并設梯子間及管線等。是設備、人員運輸的主要通道，兼作進風井和安全出口。

2 井壁破損概況及原因分析

2.1 井壁缺陷和粉化及滲漏情況

2016年12月14日上午，礦方在對副井井筒設施例行檢查時發現井深519.5 m東南側位置，有1個較大石塊出現松動，后進一步觀察發現該位置較純黃沙分布區域，存在較大面積的質量缺陷。該區域在水平方向上長約1.6 m，外口垂直方向高約0.8 m，內部高約0.35 m，探測黃砂厚度最大約0.77 m；另外在該位置同一個水平的右側約2 m處，可見外露的黃砂。井壁進一步檢查發現，井壁混凝土存在多點的粉化、質量缺陷區塊，統計時把缺陷深度達到井壁厚度的問題區域定義為質量缺陷區域，把深度在200 mm之內的問題區域定義為粉化區域。共統計粉化、質量缺陷區塊84處，總面積132.54 m2，其中質量缺陷區域28處，面積79.57 m2。另外，發現井壁存在多點滲漏現象，部分滲水點可見明水順壁長距離大面積淌流，部分滲水點分布與井壁粉化破裂區域有明顯的對應關系。發現井壁缺陷、粉化情況后，采用回彈法對井壁混凝土強度進行測試，測試結果如圖1。

圖1 井壁混凝土強度回彈法測試結果

根據測試結果，井深0～235 m的凍結段井壁段混凝土能夠達到設計強度C40；井深235 m以下基巖鉆爆法施工段井壁設計強度為C25，回彈法測試結果顯示在井深 235～300 m、360～525 m、568～585 m段多點井壁強度低于設計值。

2.2 原因分析

井深519.5 m區塊大面積的純黃沙區塊，應主要是在井壁混凝土機械制備的過程中，由于施工人員疏忽造成的。井壁其他區塊井壁粉化、強度不足，可能與建設過程帶水作業有關。查閱建設資料，井筒在掘砌的過程中迎頭出水較為嚴重，井壁澆筑的過程中往往帶水作業，在帶水的條件下，混凝土中水泥易被沖蝕，井壁質量不能保證，在井壁發現多處之見石子、黃沙的區塊或水泥含量極少的區塊，應均是此原因造成的。另外，井壁滲水水質分析發現，水中的SO42-離子含量達到4 102.65 mg/L，對混凝土具有強腐蝕性，也是造成井壁粉化、破裂的原因。

2.3 危害

壁已經呈現粉化、局部表皮脫落的現象，威脅井內設備、電纜、人員安全，進而影響井筒正常使用，可能造成重大安全事故。另外副井提升任務較重，如果井壁繼續粉化破裂，一旦固定托架梁、罐道梁的錨桿失效，造成管道變形，甚至脫落，則極可能釀成重大責任事故，所以應組織治理，以消除這一重大安全隱患。

3 井壁修復治理方案及施工

副立井井壁治理設計采用“滲漏水點注漿封堵+缺陷及粉化區域錨網噴修復+井壁壁面硅烷浸漬防腐”的總體治理方案。

1）滲漏水點注漿封堵。井壁滲漏水中含有高濃度的SO42-離子，封堵滲漏水點可減小甚至消除水對井壁的腐蝕作用。滲漏水點注漿封堵施工時，在距離水點0.5～1.0 m位置向水點過水通道及近水源位置施工3～5個注漿孔。先施工相對深的注漿孔，溝通壁后水源，進行水壓疏導，使得出水點水量及水壓減小，為治理創造條件，然后施工相對淺的孔進行注漿，主注速凝溶膠型化學漿液，通過返漿作用封堵出水點，最后對深注漿孔進行注漿，使漿液充分擴散進而完全封堵壁后出水通道，施工原理如圖2。

2）井壁缺陷及粉化區塊修復。井壁缺陷、嚴重粉化區塊設計采“錨桿+鋼筋網+噴射混凝土”的修復方式。質量缺陷區塊修復步驟圖如圖3，設計3層次錨網噴修復措施，具體的步驟為：①近距離人工確定井壁質量缺陷區域的范圍，對缺陷區域上沿的完整井壁施工錨桿進行固定；②清除缺陷位置的井壁混凝土（砂）；③在缺陷井壁區域安裝錨桿、固定第1層鋼筋網，噴射200 mm厚鋼纖維混凝土；④固定第2層鋼筋網，噴射第2層150 mm厚鋼纖維混凝土；⑤固定第3層鋼筋網，噴射第3層150 mm厚鋼纖維混凝土，井壁修復至原規格。針對井壁的嚴重粉化區域，采用單層次錨網噴修復即可。

圖2 分散水點注漿封堵方式示意圖

3）壁面硅烷浸漬防腐處理。井壁滲漏水淋到井壁上將對井壁產生腐蝕作用。在井壁壁面進行防腐處理是治理途徑之一。混凝土表面硅烷浸漬是通過其特殊小分子結構，滲入混凝土內部幾毫米，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[11-14]。目前硅烷浸漬法廣泛應用于各類鋼筋混凝土結構中應用。副井壁面防腐處理設計采用硅烷浸漬的方式進行。

4）治理施工情況。井壁治理施工的順序為：①井壁清理→②滲漏水點注漿封堵→③缺陷粉化區塊修復→④壁面硅烷浸漬處理，施工共占用井筒720 h。

圖3 質量缺陷井壁修復步驟示意圖

各部分實際完成的主要工程量見表1。

表1 破損井壁修復施工情況統計表

4 結論

1）濟寧二號煤礦副立井混凝土井壁主要存在質量缺陷、粉化、滲漏的問題，井壁強度多段達不到設計要求。施工人員疏忽、井壁混凝土帶水砌筑、井壁滲漏水的強腐蝕性是造成井壁問題的主要原因。

2）井壁治理采用“滲漏水點化學注漿封堵+缺陷及粉化區域錨網噴修復+井壁壁面硅烷浸漬防腐”的總體治理方案，缺陷區塊及嚴重粉化區域分別采用三層次、單層次錨網噴修復。

3）目前井壁已完成修復近1年時間，沒有發生新生粉化、滲漏現象。濟寧二號煤礦副立井井壁修復經驗可為類似工程提供參考。