立井井壁破裂原因分析及其预防和加固措施

王兵

（山西省煤炭工业厅基本建设局，山西 太原 030006）

立井井壁破裂原因分析及其预防和加固措施

王兵

（山西省煤炭工业厅基本建设局，山西 太原 030006）

分析了立井井壁破裂的原因，指出了立井井壁破裂的主要原因在于竖向附加应力，并着重介绍了立井井壁破裂的预防措施和井壁破裂后的加固措施监测手段。

井壁破裂；原因；预防措施；加固措施

伴随着煤炭行业的发展，建成了一批大规模矿井，需要解决某些复杂技术问题，其中有些立井井壁出现裂纹，甚至发生有破裂现象，立井井壁的破裂严重影响着矿井的安全生产，应当认真分析立井井壁破裂的原因。

1 立井井壁破裂的原因分析

施工质量问题，持此观点的人认为，井壁不管在设计基础、还是受力方式上都是正确的，导致井壁破裂原因是由于施工质量，导致混凝土井壁的实际强度低于设计值，井壁没有足够的强度抵御水平地压，最终导致井壁破裂。

设计不合理造成井壁强度先天不足，实际工作中的设计人员分析载荷时，往往只考虑来自地压力和混凝土井壁自重的载荷，忽视了来自不稳定地质条件下地层的不均匀下沉增加的载荷，而使井壁承受不均匀附加载荷，最终导致井壁破裂。

负摩擦力造成井壁破裂，由于疏、排水等原因引起井筒周围柔性土层的下沉，从而使刚性井壁产生一个侧向向下的负摩擦力，这种负摩擦力导致井壁破裂［1］。

地应力的地质原因是由于地震及地壳的运动造成地应力加大，地层沿垂直和水平方向发生了相对位移，最终导致井壁在地应力作用下发生破裂。

井壁竖向附加应力引起井壁破裂者认为作用于井壁的竖向附加应力是造成井壁破裂的主要原因。地层底部含水层疏水、季节温度变化以冻结井壁的冻融等因素是产生竖向附加应力的原因，其中主要原因是由于底部含水层疏水。井壁破坏是因底部含水层排水使地下水位下降，造成地层中有效应力增加，使井壁周围地层固结而下沉。由于底部含水层疏排水使地下水位下降（包括地表用水和开凿矿井所造成的），井壁与周围土体的界面作用，在井壁外侧面产生了一个向下的摩擦力，导致井壁破坏；季节冷热温度的变化和冻结井壁的冻融引起井壁相对土层的热胀冷缩现象，而使井壁外侧面产生一个摩擦力。矿井井壁的破裂是由外部因素和内部因素共同作用的结果。究其主要原因是由于井壁上的竖向附加应力所引起的。

2 立井井壁破裂的预防措施

2.1 井壁结构设计的合理化

井壁结构设计的合理化，首先要重新考虑设计载荷的分配，设计时应充分考虑井壁抵抗附加应力的能力，应按组合圆筒设计理论进行内外井壁的优化设计，要在多发事故区域段内，重点考虑井壁的强度和刚度。采用冻结法施工时，形成的冻土层，在前期是对井筒的一种临时保护措施；当其完工后，其作用就会消失；当其解冻后，由于围岩沉降，会对井壁造成破坏。内、外井壁之间的空隙，可以有效预防不均匀沉降所带来的附加载荷；设计时不能将内、外井壁结合成一个整体，外井壁的接茬比较多，致使其防水性能较差，设计时应充分考虑内井壁的设计强度，应能抵抗来自水的压力对井壁的影响。这些因素在井壁设计时都应考虑在内。

2.2 加强施工质量的保证

采用冻结法施工的矿井，由于井壁在井下施工，现场条件恶劣，环境温度较低，混凝土在这样条件下得不到很好的养护，养护龄期长，强度增长缓慢，混凝土强度往往达不到设计等级。再者，井壁由于受到冻结压力的影响，致使井壁外表面比较粗糙，整体性差，会出现蜂窝麻面现象。从破坏的井筒来看，普遍存在着施工质量问题，混凝土水灰比控制不严，有漏筋现象，钢筋绑扎不符合规范，混凝土强度等级达不到设计值等，致使井壁常会出现脱落和修补现象。所以加强施工质量的管理显得尤为重要。

2.3 改进施工工艺

采用冻结法施工厚表土井壁结构时，为了缓解冻结压力对井壁的影响，可施工时，在外壁和井帮之间垫2～3层泡沫板，或用小砌块进行支护，相当于在井壁与土体之间增加了一个滑动面，可以减弱冻结井壁与外层井壁之间的摩擦力，有效地减小作用于井壁的竖向附加应力。施工时在内外井壁之间加设柔性防水材料（例如沥青层等），一方面可以减弱作用于井壁的竖向附加应力，使内壁承受均匀地压，改善其受力状况；另一方面还可起到防水抗渗的作用。实践证明，改进施工工艺可有效地减小竖向附加应力对井壁的影响，保护井壁安全。

2.4 准确掌握矿井水文地质资料

在新井开工前打安全检查孔，对含水层做分层抽水试验等，都是为施工提供可靠的水文地质资料。准确的掌握水文地质资料对于矿井的设计和施工都是至关重要的。由于水文地质资料的不准确，给井壁带来安全隐患的实例很多。

3 立井井壁破裂的加固措施

竖向附加应力是导致井壁破裂的主要原因。对井壁加固时，主要从井壁、地层、水头三个方面加以考虑。

3.1 钢结构的加固措施

钢结构的加固方法在治理破裂井壁中最先被采用，它是利用槽钢井圈结构阻止井筒的进一步破坏。具体做法是：在井壁内缘架设18号～22号槽钢钢圈，间距在0.2～0.4m之间，纵向采用钢轨联接，间距在1.0～1.5m之间，使其连为一个整体，在井壁破裂处采用槽钢做背板，结构表面喷射高强度混凝土。钢结构加固措施施工速度快，见效直接，但是由于钢结构强度低，抵御不了井筒的竖向和径向变形，限制了其适用范围，只能作为临时加固措施，不能从根本上消除井筒破坏隐患。

3.2 破壁注浆加固措施

这种方法是在井壁上钻孔，将浆液穿过井壁灌注到井壁周围一定范围内的岩土层或强风化岩层中，加强井筒周围岩土层的稳定性，并可防止周围地层的失水沉降。破壁注浆可以在井筒周围形成一个帷幕带来承受附加应力，改变井壁的受力状态，使之得到改善。同时破壁注浆还可填充井壁周围的空隙，进一步提高了井壁自身的防水、抗渗能力。

破壁注浆加固是作为钢结构加固的后续方法，它的针对性强、施工质量可靠，但是破壁注浆的帷幕通常只有1～2m，很难达到根治破裂井壁的目的。

3.3 卸压槽的加固措施

从力学机理上考虑井壁加固，一是“让”；二是“抗”。在井壁开卸压槽措施治理破裂井壁技术，就是对竖向附加力采用“适应”，即“让”的技术［2］，卸压槽的加固是使井壁在竖直方向上产生适当的变形，以吸收附加应力对井壁产生变形，同时卸压槽还应保证有足够的强度和刚度抵抗水平地压。卸压槽的开设位置可选择在底部含水层或强风化带高应力区段的内井壁上，开设方式以水平环形槽为宜，并应填充可塑性材料（如沥青防腐松木块等），使井壁有可压缩性变形，使井壁能随地层的沉降而压缩。这样，卸压槽就可吸收作用在井壁上的竖向附加应力，防止井壁破坏。卸压槽的开设数量一般设1～2个，可视表土层厚度和井壁的破损情况而定；当破损带距表土层与基岩分界面较远时，应设2个卸压槽，以达到分段吸收附加应力的效果。卸压槽的位置一般设在井壁破裂带或者表土与基岩交界的上方为佳，这可更好地将自上而下的竖向附加应力传递到开好的卸压槽上，以防二次破坏。卸压槽的开设降低了井壁的竖向刚度，吸收了附加应力对于井壁的竖向变形，保证了井壁的整体结构的完整性，充分体现了“让”的特性,同时可以缩小卸压槽处井壁径向变形，实践证明，在井壁上开设卸压槽加固措施是经济、合理、可行的一种井壁加固措施。

3.4 地面注浆加固措施

地面注浆就是从地面打孔注浆，将浆液注入到井筒外围的松散层底部含水层段和强风化段基层，就可使井筒周围形成一个大范围的注浆帷幕。注浆帷幕，首先可以防止井筒附近底部含水层和强风化段基岩的水渗漏，使帷幕内的含水层和强风化带不再产生失水，起到保护井壁免受侵蚀的作用；其次可以提高注浆处底部含水层和强风化带的强度，减小其竖向变形，从而达到减小土与井壁的间竖向附加应力的作用。

地面注浆材料的选择应该遵循提高岩土层力学性能；起到防渗堵漏的作用；选用超细材料，保证浆液的扩散性;选用材料时应考虑岩土层中含有的酸、碱或者其他有机物质是否与注浆材料发生有害的化学反应；经济适用的原则。一般选用水泥类浆液（配以早强剂、速凝剂、塑化剂、悬浮剂等附加剂）、水泥-水玻璃类浆液、粉煤灰水泥浆材、脲醛树脂类注浆材料。大量实测资料表明，凡采用地面注浆法加固的井壁基本上达到了根治的目的，相应典型事例很多。

以上几种加固措施并不一定单独使用，应根据井筒的实际情况，可选择几种措施联合加固（例如：钢结构+破壁注浆+卸压槽），使之效果更佳；目前通用的行之有效的办法，还是按照“竖让”与“横抗”相结合的治理原则来制定加固措施。

4 加强井壁监测工作

加强井壁监测就是要实时监控井壁的受力和位移变化情况，为煤矿井壁破裂预防防治提供可靠依据。长期建立井壁监测系统，及时准确掌握井壁的应力和应变变化情况，从根本上保证安全生产，具体做法可有：井架和井筒周围设置沉降观测点，定期进行沉降观测与记录（尤其在新井建成一年内）。在井壁（尤其是在重点部位）安装应力和应变观测装置。定期观测井壁附近的水文钻孔水位变化情况。

［1］倪兴华、隋旺华，等.煤矿立井井壁破裂防治技术研究［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2005.

［2］陈群忠，杨东英.特厚第四系覆盖层内井壁破裂机理分析与治理［J］.煤矿安全，2002，33（1）：29-30.

Analysis of Shaft-lining Ruptures and its Measures of Prevention and Reinforcement

WANG Bing
（Bureau of Capital Construction of Shanxi Coal Industry Office,Taiyuan Shanxi 030006,China）

By the analysis of shaft-lining ruptures,the paper indicates the main reason of ruptures lies in the vertical additional stress and introduces prevention measures and monitoring means to its reinforcement measures.

Shaft-lining ruptures;Reasons;Prevention measures;Reinforcement measures

TD262.2

A

1672-5050（2010）03-0060-03

2009-11-20

王 兵（1971—），男，山西太原人，工程师，注册安全工程师，安全评价师，从事矿山基建设计工作。

刘新光