東灘煤礦副立井井壁風(fēng)化機(jī)理及治理措施

侯俊華，張 昆

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城273512）

0 引 言

井筒被稱(chēng)為礦井的“咽喉”，承擔(dān)著運(yùn)輸及通風(fēng)的雙重重要任務(wù)，井筒的安全使用是整個(gè)礦井安全正常運(yùn)行的前提[1-4]。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(shí)也是井筒中大量裝備安裝的著力點(diǎn)，井壁質(zhì)量是井筒安全運(yùn)行的基礎(chǔ)[5]。近年來(lái)在我國(guó)發(fā)生多起因井筒井壁粉化、破裂、質(zhì)量缺陷、不合理井壁作業(yè)而引發(fā)的事故[6-11]。比如，沖積層段井壁破裂可能引發(fā)突水、潰砂事故，基巖段井壁塊狀坍塌可能造成井筒裝備損壞、井筒作業(yè)人員傷害的事故[4]。

東灘煤礦是兗礦集團(tuán)支柱礦井，核定生產(chǎn)能力750 萬(wàn)t/a，近年副立井在井深440m 以下段多處出現(xiàn)嚴(yán)重風(fēng)化現(xiàn)象，混凝土粉化、石子墜落，威脅井筒裝備及人員安全。本論文研究分析了其風(fēng)化的機(jī)理，制定了治理措施，治理經(jīng)驗(yàn)對(duì)類(lèi)似工程問(wèn)題的防治具有借鑒價(jià)值。

1 副立井概況

東灘煤礦副井1980 年8 月20 日破土動(dòng)工，到1981 年1 月21 日139m 表土凍結(jié)段施工結(jié)束，以下基巖段施工采用大段高單行掘砌方式施工，掘進(jìn)段高控制在80m 左右，井壁砌筑采用液壓滑升模板，副井于1984 年建成，井筒直徑Φ8.0m，井深738.9m（包括29m 井底水窩）。表土層厚度108.4m，凍結(jié)深度139.0m，凍結(jié)段井壁為普通雙層鋼筋混凝土井壁，井壁內(nèi)外壁厚度分別為450mm、550mm，井壁混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)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500mm，井壁混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C25。東灘煤礦副立井共裝備三個(gè)工作罐籠，一個(gè)配重器，北罐和中罐規(guī)格一致聯(lián)合提升，南罐配合以配重器獨(dú)立提升。采用球扁鋼組合罐道，工字鋼罐道梁，樹(shù)脂錨桿托架；并設(shè)梯子間及管線(xiàn)等。副立井是礦井設(shè)備、人員運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ溃孀鬟M(jìn)風(fēng)井和安全出口。

圖1 東灘煤礦副立井?dāng)嗝鎴D

2 井壁風(fēng)化概況及機(jī)理分析

2.1 井壁風(fēng)化情況

2018 年初副立井減壓硐室出現(xiàn)兩次水管電磁閥損壞，較大流量水沿井壁下流，下井口發(fā)現(xiàn)石子下墜現(xiàn)象；水管維修完成后，隨進(jìn)風(fēng)井壁逐漸干燥，下井口出現(xiàn)揚(yáng)粉現(xiàn)象。隨后礦方聯(lián)合中國(guó)礦業(yè)大學(xué)科研人員對(duì)井壁進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)在副立井井深440m 以下段井壁出現(xiàn)嚴(yán)重風(fēng)化現(xiàn)象，風(fēng)化區(qū)段徒手可摳下風(fēng)化物，風(fēng)化混凝土石子與水泥、黃沙分離，清理過(guò)程中揚(yáng)塵嚴(yán)重（見(jiàn)圖2）。井壁壁面已經(jīng)風(fēng)化，出現(xiàn)蜂窩、麻面、石子裸露的區(qū)域大約占總面積的20%，嚴(yán)重風(fēng)化區(qū)域風(fēng)化深度可達(dá)10cm。

圖2 東灘煤礦副立井井壁嚴(yán)重風(fēng)化區(qū)域圖片

2.2 井壁風(fēng)化機(jī)理

1984 年副立井建成后，井筒殘存的水量較大，2015 年采用壁后注漿堵水，水量大幅降低。約3 年后井壁出現(xiàn)明顯的風(fēng)化現(xiàn)象，且有加劇加速趨勢(shì)。風(fēng)化段位于井筒440m 以下段，壁后對(duì)應(yīng)為侏羅系紅層砂巖，水質(zhì)分析報(bào)告顯示，紅層段井壁滲漏水中硫酸根離子含量高（見(jiàn)表1），達(dá)到強(qiáng)腐蝕級(jí)別，所以判定井壁風(fēng)化是富含高濃度硫酸根離子的井壁淋水造成的。

表1 副立井滲漏水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從1984 年井筒建成到2015 年井壁水量減小，20 余年間井壁一直處于強(qiáng)腐蝕性淋水的腐蝕之下，井壁腐蝕由壁面向內(nèi)進(jìn)行，井壁在20 余年的時(shí)間內(nèi)受到較大的損傷，已經(jīng)浸蝕了相當(dāng)?shù)纳疃取：笃诰谒枯^小，風(fēng)化作用逐漸顯現(xiàn)，前期已經(jīng)腐蝕受損的混凝土井壁抗風(fēng)化能力差，風(fēng)化脫落現(xiàn)象逐漸發(fā)生（見(jiàn)圖3）。井深440m 以上段混凝土沒(méi)有受到腐蝕損傷，同等條件下沒(méi)有出現(xiàn)風(fēng)化現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)受腐蝕井壁的觀(guān)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(wú)淋水的部位成粉狀；②腐蝕井壁從粗糙毛面部位開(kāi)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(wú)水處腐蝕較慢。

圖3 井壁風(fēng)化機(jī)理示意圖

2.3 危害

根據(jù)副井井壁風(fēng)化的原因初分析結(jié)論，井壁風(fēng)化脫落現(xiàn)象將持續(xù)進(jìn)行，直至已腐蝕受損混凝土完全風(fēng)化脫落為止，所以井壁風(fēng)化將可能持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，且可能呈現(xiàn)加劇加速的趨勢(shì)。鑒于井筒的特殊性，為保護(hù)井中檢修人員及裝備的安全，應(yīng)盡快進(jìn)行治理。

井壁已經(jīng)呈現(xiàn)風(fēng)化、局部表皮脫落的現(xiàn)象，且有加速加劇趨勢(shì)，威脅井內(nèi)設(shè)備、電纜及檢修人員安全，可能造成安全事故。另外副立井提升任務(wù)較重，如果井壁繼續(xù)風(fēng)化，一旦固定托架梁、罐道梁的錨桿錨固力減弱、失效，造成管道變形，甚至脫落，則極可能釀成重大責(zé)任事故，所以應(yīng)組織治理，以消除這一重大安全隱患。

3 井壁風(fēng)化治理措施

3.1 治理思路

井壁混凝土腐蝕受損及井筒較高流速風(fēng)是混凝土風(fēng)化的兩個(gè)必要條件。從當(dāng)前條件看，徹底改造已腐蝕受損混凝土、甚至徹底清除腐蝕受損混凝土難度較大；則可從井壁風(fēng)化的另一個(gè)必要條件風(fēng)方面考慮。風(fēng)作用在混凝土上，使混凝土發(fā)生風(fēng)化，阻隔兩者之間的接觸則是根本治理途徑，此需要對(duì)混凝土壁面進(jìn)行徹底封閉處理。

根據(jù)東灘副井實(shí)際粉化破裂情況，參考兗州礦區(qū)井筒破裂治理的經(jīng)驗(yàn)，研究人員提出了副井粉化破裂治理的方案為：先采用壁后注化學(xué)漿封堵井筒內(nèi)的淋水；然后采用錨網(wǎng)+噴射混凝土的方式，加固修復(fù)井壁的粉化脫落區(qū)域；最后采用壁面噴灑硅烷浸漬劑的方式，

3.2 封閉涂層材料選擇

封閉涂層應(yīng)具有非易燃易爆、與混凝土粘結(jié)能力強(qiáng)、耐久耐候性能好、刺激性氣味揮發(fā)少、無(wú)腐蝕性等基本性能。

表2 不同材料與混凝土面粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，選擇了6 類(lèi)最為典型的、常用的、知名廠(chǎng)商生產(chǎn)的混凝土壁面防水、封閉的涂料、試劑、膠等，進(jìn)行各種材料的材質(zhì)、性能等進(jìn)行對(duì)比研究，相繼進(jìn)行了各種封閉涂層材料溫度、水鹽腐蝕環(huán)境、高速風(fēng)、強(qiáng)紫外線(xiàn)劣化條件下的的室內(nèi)試驗(yàn)，并進(jìn)行了材料的揮發(fā)有害氣體、可燃性、粘結(jié)強(qiáng)度、腐蝕性測(cè)試。最終通過(guò)綜合對(duì)比選擇LB-K11 涂層材料，此材料雙組份涂料，采用丙烯酸酯為液料，使用特種水泥和其他活性材料為粉料。比如，6 種材料與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表3 所列，涂層材料LB-K11（編號(hào)6）與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度大幅高于其它5 種材料，涂層材料LB-K11 在進(jìn)行與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，其拉裂面位于混凝土中，其他材料均位于接觸面（見(jiàn)圖4）。

圖4 不同封閉材料試樣和拉壞后圖片

4 治理施工情況

先進(jìn)行井壁清理，對(duì)井壁附著物、結(jié)晶物及風(fēng)化物，采用風(fēng)鏟、鐵鏟、掃把等工具進(jìn)行清理。清理位置工作平臺(tái)與井壁接觸部位鋪設(shè)皮帶以防止清理物墜落井筒。清理完成后，對(duì)井壁進(jìn)行封閉涂層處理。

LB-K11 涂層材料施工方法：①先將防水漿料液料注入干凈的容器中，按比例一邊攪拌一邊緩慢加入粉料，充分?jǐn)嚢柚敝列纬蔁o(wú)粉團(tuán)的、均勻的漿料；攪拌均勻后，漿料靜置熟化約3min，再攪拌約30s，備用。②使用輥筒或毛刷進(jìn)行施工，一般至少涂刷兩層，第二層的涂刷方向應(yīng)與第一層垂直；每層施工須等上一層表干后（約2～6h）進(jìn)行。③每一層涂刷的厚度不可太厚，一次涂刷厚度不得超過(guò)1mm，以利于養(yǎng)護(hù)固化。自井深440m 至下井口700m，涂層的面積6500m2，涂層厚度2mm，風(fēng)化嚴(yán)重區(qū)域厚度3mm，共消耗LB-K11 涂層材料25 噸。

5 結(jié) 論

東灘煤礦副立井在井深440m 以下基巖段井壁混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重的風(fēng)化現(xiàn)象，通過(guò)水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化段井壁滲漏水中高濃度硫酸根離子是造成井壁風(fēng)化的主要原因。1984 年副立井建成后，井壁殘存的滲漏水量較大，井壁一直處于強(qiáng)腐蝕性淋水的腐蝕之下，井壁在20 余年的時(shí)間內(nèi)受到較大的損傷，2015 年注漿治理井壁水量減小，前期已經(jīng)腐蝕受損的混凝土井壁抗風(fēng)化能力差，風(fēng)化現(xiàn)象逐漸發(fā)生。東灘煤礦副立井井壁風(fēng)化治理采用對(duì)混凝土壁面進(jìn)行封閉的治理措施，通過(guò)對(duì)多種封閉材料進(jìn)行溫度、水鹽腐蝕環(huán)境、高速風(fēng)、強(qiáng)紫外線(xiàn)劣化條件下的的室內(nèi)試驗(yàn)，材料的揮發(fā)有害氣體、可燃性、粘結(jié)強(qiáng)度、腐蝕性測(cè)試，最終選擇LB-K11 型涂層材料進(jìn)行風(fēng)化混凝土壁面封閉處理。東灘煤礦副立井井壁風(fēng)化治理經(jīng)驗(yàn)可為類(lèi)似工程提供參考。