東灘煤礦副井井壁腐蝕粉化機(jī)理及治理技術(shù)

侯俊華，張 昆，孟凡貞

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城273512）

井筒被形象的比喻成礦井的咽喉，是礦井人員、設(shè)備出入井及礦井通風(fēng)的必經(jīng)之道，保證井筒的安全一般都是礦山最基礎(chǔ)，同時也是最重要的工作[1-2]。混凝土井壁是井筒的主體結(jié)構(gòu)，是抵抗地壓、隔絕壁后高壓水的有力屏障，同時也是井筒中大量裝備安裝的著力點，井壁的安全是井筒安全運(yùn)行的基礎(chǔ)[3-8]。

東灘煤礦是兗礦集團(tuán)的主力礦井，自2005年前后開始出現(xiàn)內(nèi)表面掉皮現(xiàn)象，-440m以下出現(xiàn)大面積內(nèi)表面脫落粉化現(xiàn)象，已嚴(yán)重威脅礦井的安全，為此開展了井壁粉化機(jī)理的研究，并依據(jù)研究成果，制定了合理的治理措施，本文將系統(tǒng)介紹該井筒井壁粉化情況、粉化機(jī)理及具體治理措施。

1 副井井壁粉化情況

東灘煤礦副井凈直徑8.0m，全深738.6m，表土0～139m段為雙層井壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)外壁C30鋼筋混凝土；基巖139～738.6m段為C30素混凝土井壁，厚度0.5m。

東灘煤礦副井基巖段混凝土井壁自2005年前后開始出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，目前個別嚴(yán)重處粉化深度約100～150mm，粉化主要集中于井深-440m已深段，主要表現(xiàn)為井壁表面粉化、脫落、錘敲掉渣且易碎，破壞較嚴(yán)重處均有鋼筋外露，井筒圍巖為細(xì)砂巖泥巖互層。

通過對受腐蝕井壁的觀察，井壁的腐蝕形式主要是混凝土中水泥結(jié)石體被溶解，離析出石子和黃沙，從而引起混凝土破壞，膠結(jié)成分丟失，水泥塊逐漸軟化、松散、脫落。

主要表現(xiàn)為：①有淋水的部位成粘糊狀，無淋水的部位成塊粉狀；②腐蝕井壁從粗糙毛面部位開始，向四周和內(nèi)部進(jìn)行蔓延；③毛面腐蝕較快、較大，光面腐蝕很慢，較小；④有水處腐蝕較快，無水處腐蝕較慢。

2 井壁腐蝕粉化機(jī)理

采用化學(xué)檢測和物理力學(xué)檢測相結(jié)合的方法對副井井深-440m以下井壁粉化脫落破壞的機(jī)理進(jìn)行研究。相繼進(jìn)行了水質(zhì)檢測、井壁混凝土碳化深度檢測、井壁混凝土化學(xué)成分檢測、副井井筒內(nèi)二氧化碳濃度檢測、井壁混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度、混凝土芯樣密度測試。研究發(fā)現(xiàn)東灘煤礦副井基巖段局部腐蝕破壞的機(jī)理分為內(nèi)因和外因兩個方面。

2.1 粉化腐蝕破壞內(nèi)因

東灘煤礦礦井設(shè)計服務(wù)年限86年，GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，設(shè)計使用年限50年的混凝土結(jié)構(gòu)，在二a類環(huán)境中最大氯離子含量不超過0.2%，二b類環(huán)境中最大氯離子含量不超過0.15%，復(fù)合二類混凝土耐久性結(jié)構(gòu)，最大氯離子含量應(yīng)控制在0.2%以下。東灘煤礦副井基巖段井壁混凝土強(qiáng)度等級為C30，其配方見表1，混凝土中摻入氯化鈣2%，食鹽1%，氯離子含量達(dá)到3%。混凝土摻入的氯化物嚴(yán)重超標(biāo)。

表1 東灘副井井壁混凝土配方

2.2 粉化腐蝕破壞外因

腐蝕破壞的外因是外部環(huán)境（地下水）有侵蝕介質(zhì)存在，主要是地下水中陰離子SO42-和陽離子Na+含量較高，同時又有一定含量的Ca2+、Mg2+、HCO3-離子，地下水中硫酸鹽含量高（見表2），且井壁開始粉化的-440m深度正好對應(yīng)紅層砂巖的頂面。而副井作為主要進(jìn)風(fēng)井，年溫度變化大，同時冬季溫度在0～15℃時間相對較長，部分井壁處于干濕交替環(huán)境中，這些因素對地下水腐蝕混凝土起到了一定的催進(jìn)作用。環(huán)境因素主要是通過影響硫酸鹽反應(yīng)的條件或機(jī)理來影響混凝土的劣化速度，不同環(huán)境造成的混凝土受硫酸鹽侵蝕的破壞形態(tài)也不完全相同。混凝土硫酸鹽腐蝕是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，混凝土受硫酸鹽侵蝕破壞的實質(zhì)是環(huán)境中的硫酸鹽（根）離子滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與水泥石中一些組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一些難溶的鹽類礦物。這些難溶的鹽類礦物一方面可形成石膏、鈣礬石等膨脹性產(chǎn)物，當(dāng)膨脹應(yīng)力達(dá)到一定程度時就會造成混凝土開裂、剝落，另一方面也可使硬化水泥石中的CH和C-S-H等組分溶出、分解，導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度和粘結(jié)性能損失。

表2 副井水質(zhì)化驗結(jié)果統(tǒng)計表

3 井壁腐蝕粉化治理主體思路

根據(jù)井壁粉化破壞機(jī)理研究成果，基本確認(rèn)東灘煤礦副井-440m以下基巖段地下水中高濃度的離子對混凝土的物理和化學(xué)侵蝕是造成副井基巖段井壁粉化腐蝕破壞的主要原因。本次治理也將主要針對離子進(jìn)行，防治的主題思路是隔絕離子與井壁混凝土的聯(lián)系，由于離子賦存于井壁的淋水之中，隔絕井壁淋水與井壁的聯(lián)系是井壁粉化防治的根本途徑。

隔絕兩者的聯(lián)系主要有兩種途徑，一是對井壁出水點進(jìn)行封堵，使其不直接作用于井壁上，二是對井壁壁面進(jìn)行處理，使淋水不得滲入井壁混凝土之中。在此基礎(chǔ)上輔助采用破裂井壁修復(fù)加固及表層處理措施。即針對副井井壁粉化的治理的主題思路為：井壁淋水治理+井壁嚴(yán)重粉化段修復(fù)加固+井壁表層涂層處理（見表3）。

表3 副井井壁粉化治理方案設(shè)計

4 井壁腐蝕粉化治理情況

4.1 井壁淋水治理

副井井壁-440m以深腐蝕粉化集中段井壁滲漏水點較為分散，采用頂點注漿的方式進(jìn)行單水點封堵。單水點封堵施工時，在距離水點0.5～1.0m位置向水點過水通道及近水源位置施工2～4個注漿孔。合計封堵水點12個，施工注漿孔35個。

注漿采用可注性及可控性較好的ZK-Ⅲ溶液型高分子化學(xué)漿液，合計消耗化學(xué)漿液10t。根據(jù)副井井壁厚度、強(qiáng)度及腐蝕現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)井壁注漿經(jīng)驗，井壁注漿終壓設(shè)計為4.0MPa，注漿過程嚴(yán)格控制注漿壓力，沒有發(fā)生井壁破裂現(xiàn)象。

注漿前副井總滲漏水量約為3.5m3/h，注漿后井壁淋水控制較好，無明顯的滲漏點分布，目測井筒總淋水量約為0.2m3/h。

4.2 井壁嚴(yán)重粉化段修復(fù)加固

從技術(shù)可靠性、施工的難度、工程成本綜合考慮，采用了“錨網(wǎng)+噴射混凝土”的方式對井壁嚴(yán)重粉化區(qū)域進(jìn)行修復(fù)加固。先清除井壁已經(jīng)粉化及強(qiáng)度減弱的混凝土，然后在粉化井壁區(qū)域安裝錨桿、固定鋼筋網(wǎng)，最后噴射混凝土，進(jìn)而完成修復(fù)工作。“錨網(wǎng)+噴射混凝土”修復(fù)治理針對粉化面積大于0.5m2，粉化最大深度大于5.0cm的區(qū)域進(jìn)行。

錨桿選用規(guī)格為Φ20×500的高強(qiáng)螺紋錨桿，配置高強(qiáng)托盤，錨固劑采用K2850樹脂錨固劑，錨桿固定采用全錨的方式。采用直徑6.5mm的鋼筋制備的鋼筋網(wǎng)，鋼筋的間距設(shè)計為100mm。采用C30的鋼纖維噴射混凝土。

合計完成井壁修復(fù)區(qū)域共5個，共施工錨桿63根（Φ20×500mm），鋼筋網(wǎng)片21.31m2（Φ6.5mm鋼筋焊制而成，鋼筋間距100mm），噴漿面積69.25 m2，共用噴漿料7.5噸，修復(fù)加固后井壁觀感質(zhì)量較好。

4.3 井壁表層涂層處理

在混凝土表層加上耐腐蝕性強(qiáng)且不透水的保護(hù)層，可使混凝土與侵蝕溶液隔離，從而避免了混凝土遭受侵蝕。采用混凝土表面硅烷浸漬法進(jìn)行處理，此方法是通過其特殊小分子結(jié)構(gòu)，滲入混凝土內(nèi)部幾毫米，并與已水化的水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在毛細(xì)孔壁上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。

本次硅烷浸漬處理對井深440m以下至下井口700m段井壁進(jìn)行噴灑處理，總跨度260m左右，處理的總面積約為6500m2。對于井壁非粉化區(qū)域進(jìn)行兩遍噴灑，井壁粉化區(qū)域進(jìn)行三遍噴灑。共消耗硅烷浸漬劑1.6噸。

5 結(jié) 論

1）東灘煤礦副井井深-440m以下基巖段井壁粉化嚴(yán)重，通過相關(guān)理論及試驗研究，發(fā)現(xiàn)井壁粉化的機(jī)理分為內(nèi)因和外因兩個方面，內(nèi)因方面主要是混凝土摻入的氯化物嚴(yán)重超標(biāo)，外因為井壁淋水中高濃度的離子對混凝土的腐蝕作用。

3）目前副井井壁治理已逾兩年時間，水點封堵后無返滲現(xiàn)象，錨網(wǎng)噴修復(fù)區(qū)域與井壁契合程度依然較好，井壁腐蝕粉化現(xiàn)象明顯減弱。東灘煤礦副井治理經(jīng)驗可為類似混凝土腐蝕粉化治理提供借鑒。