晉東南地區某一級公路下伏風井井筒處治

栗 飛 楊 瑞 孫愛斌 孫兆剛

(1.山西省公路局晉城分局，山西 晉城 048000； 2.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

1 概述

晉東南地區某一級公路在施工過程中發現該公路三溝互通范圍內有煤礦風井井筒(斜井)一處，需采取安全措施，施工避開井筒位置。建設、施工、設計等參建單位均非常重視，為防止公路工程施工誤穿二號風井，導致風井內有毒有害氣體(CH4,CO等)突然噴出、瓦斯燃燒與爆炸、路面坍塌導致人員或設備墜井等事故，在井筒(斜井)區域外拉扯了警戒線，并在該區域停止施工，并由一級公路的勘察設計單位負責風井井筒資料收集和處治設計工作。

2 工點概況

2.1 風井井筒概況

根據資料顯示，該風井井筒(斜井)施工于1984年，斜井角度30°，斜井斜長153.8 m，水平投影長133.195 m，凈斷面11.66 m2。1999年，該風井井筒(斜井)廢棄封閉，密閉具體位置、密閉方式、密閉材料及密閉墻個數尚未了解探測清楚；2017年，該煤礦停產關井。

該風井井筒(斜井)井底揭露煤層為3號煤層，井筒支護方式為錨噴，錨噴厚度為70 mm～100 mm，錨深1 800 mm，錨桿間距1 600 mm，排距600 mm，菱形布置。1999年，礦井生產調整，將二號風井井筒(斜井)井下密閉。

2.2 風井井筒與一級公路關系

經現場調查，風井井筒由北向南分別與一級公路三溝互通SF匝道、S1匝道、主線、S2匝道、SC匝道相接。風井井筒與主線相接里程為K11+000，與路線斜交，見圖1。

風井井筒斜井角度30°，一級公路SF匝道右側挖方邊坡已經侵入井筒結構范圍，路基直接開挖存在瓦斯泄露引起施工人員中毒、瓦斯爆燃、爆炸等風險，見圖2。

3 風井處治設計方案

3.1 設計總體思路

為防止在風井井筒(斜井)周邊的一級公路施工過程中發生意外事故，同時避免未回填井筒對公路后期的使用、維護等的影響，采用氮氣置換方式排除二號井井筒(斜井)有毒有害氣體，然后對二號井井筒(井底至井口位置及風道)進行注漿封閉。通過對現場實際情況的考察以及風井井筒(斜井)原始資料的了解，采取向風井井筒(斜井)內灌注水泥粉煤灰漿的方式進行回填。

風井回填的方式方法采取以下方案：

在地面相對應的風井位置施工地面帶水鉆孔，共設置K1～K9共計9個鉆孔(具體孔號、位置見圖3，圖4)。9個鉆孔分批次開鉆，采用鉆孔、氮氣置換、注漿循環作業的方式，直至公路路基范圍內風井全部安全注滿漿液。

3.2 處治設計

1)K1～K9為鉆孔編號,鉆孔分兩批次施工，首先鉆K1～K5號孔，K1～K4號孔注漿施工完成后鉆K6～K9號孔；鉆孔必須采用帶水鉆，孔內泥漿頂面高程控制在孔口附近。

2)K1～K5鉆孔全部完成后，由K1，K2號孔連接注氣管，形成鉆孔正壓氣流往井筒通氮氣，利用K3～K5鉆孔排出氣體，置換完成后由K1號孔灌注水泥粉煤灰漿液(摻速凝劑)，注漿壓力1 MPa～1.5 MPa；K1鉆孔注漿施工完成7 d后，由K2號孔連接注氣管，形成鉆孔正壓氣流往井筒通氮氣，利用K3～K5鉆孔排出氣體，置換完成后由K2孔灌注水泥粉煤灰漿液(摻速凝劑)，注漿壓力2 MPa～3 MPa。

3)K2孔漿液灌注完成2 d后，由K3孔連接注氣管，形成鉆孔正壓氣流往井筒通氮氣，利用K4～K5鉆孔排出氣體；置換完成后由K3孔灌注水泥粉煤灰漿液(摻速凝劑)，注漿壓力1 MPa～1.5 MPa。

4)K4～K9依次進行氮氣置換、注漿，直至路基范圍內風井全部安全注滿漿液。

5)K3～K9孔注漿施工應在前一孔注漿施工完成2 d后進行，注漿壓力均為1 MPa～1.5 MPa。

6)為保證鉆孔施工時漿液保持在孔口附近，鉆孔施工前，在每個鉆孔附近開挖一處水池，當孔口水位下降時，及時向孔內注水。

7)施工中要加強對井筒中積水、積氣狀況進行監測，有序排放有毒有害氣體，防范井筒坍塌，施工結束后對注漿效果進行檢查。

4 風井處治施工

4.1 鉆孔施工

以井口向下5 m為中心，周圍20 m范圍設置警戒，在施工作業過程中，任何非施工人員不得進入，作業人員嚴格遵守操作規程，正確使用個人防護用品，施工過程中應全程檢測施工區域內氣體含量，特別是鉆孔作業置換處，作業現場嚴禁煙火，確保施工安全。

鉆機鉆頭施工時有足夠的水量，使鉆頭工作時處于水中，不產生火花或高溫，并保證水車內的水能及時準確噴向基坑內鉆頭處；當鉆孔鉆透拱頂后，檢查鉆孔處的氣樣，當鉆孔處氣符合施工要求時，方可向井筒內下塑料管，并盡可能的下到井筒底部，有利于置換。

4.2 氮氣置換施工

現場配置液氮車一臺，準備氮氣總量為5 000 m3。注入氮氣量預估考慮因素有：井筒長度：153.8 m，凈斷面：11.66 m2，管徑DN50，井上、井下管路長度約200 m，預計20%的漏失，增加50%備用量。置換過程需要注意以下事項：

1)禁止觸摸液氮低溫管線，防止凍傷；

2)做好壓力、流量、溫度等參數的記錄，計算置換充入的氣量；

3)惰性氣體可令人窒息，檢測人員要注意空氣中的含氧量必須達到18.5%～21%；

4)用氮氣進行井筒內有毒有害氣體置換時，液態氮氣首先通過汽化器→溫度表→臨時管線，然后進入井筒；

5)安排專人觀察溫度計的指示溫度，充入氮氣的溫度不得低于5 ℃，若溫度下降較快，減小氮氣流量，以保證管道入口處氮氣溫度不低于5 ℃為準；

6)進行氮氣置換檢查、檢測人員必須穿戴防護服；

7)檢測人員在出風口處用瓦斯濃度檢測儀進行瓦斯含量檢測，每次檢測時間間隔5 min，當所注置換氣量大于井筒容量后，檢測人員檢測井筒出氣氣體中所含瓦斯濃度，連續三次均低于0.5%為合格。

液氮車及汽化器見圖5，向孔內注入氮氣見圖6。

4.3 注漿施工

注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法，注漿開始后，要定時觀測泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發生的各種現象，收集原始數據，并根據實際情況及時調整注漿量和漿液濃度。

注漿時，應避免在短時間內注入大量的水泥粉煤灰漿，當注漿量較大時，應采用間歇式注漿法施工，或在孔口加一漏斗狀的投砂器，用漿液將砂或石屑帶入孔內，或在漿液中加入水泥重量2%左右的速凝劑。

5 結語

高等級公路穿越煤礦采空區，除對采空層進行處治外，還應對如煤礦風井、巷道等影響公路施工、運營安全的設施采取安全、經濟的方案進行處治。本文針對晉東南地區某一級公路一處下伏風井井筒的處治設計、施工進行了簡要闡述，創新性的采用氮氣置換方式對井筒內有毒有害氣體予以排除。該風井井筒經氮氣置換、注漿加固處治后，即為其上三溝互通路基路面工程施工安全提供了安全的作業面，也消除了一級公路運營期間該風井井筒坍塌、瓦斯泄露隱患。該一級公路下伏風 井井筒處治設計、施工，可為類似的公路或市政道路工程下伏風井或巷道處治提供借鑒。