刘园子煤矿井筒修复治理

吴同勋

(煤炭工业太原设计研究院，山西　太原　030001)



刘园子煤矿井筒修复治理

吴同勋

(煤炭工业太原设计研究院，山西太原030001)

针对刘园子煤矿井筒破坏现状，结合井筒水文地质条件，通过分析确定刘园子煤矿井筒破坏的主要原因为地应力和酸性水侵蚀，提出井筒治理的主要思路为“抗压和让压”，井筒修复治理的主要手段有井圈加固、壁后注浆和卸压槽，并总结了水文地质条件复杂矿井在井筒实际施工中采取的预防性措施。

井筒；修复；井圈加固；壁后注浆；卸压槽

刘园子煤矿位于甘肃省环县境内,设计生产能力0.90 Mt/a，采用3个立井开拓。主、副、风井筒均于2008年开工建设，采用普通凿井法施工[1]，分别于2011年前后竣工并投入使用。2015年3月矿井竣工验收以后，在实际运行中发现主、副、风井均存在较为严重的安全隐患，主要表现为：主井井壁局部粉化垮落严重、混凝土强度不足；副井井筒渗漏水量较大、井壁局部破裂较严重；回风井井筒渗漏水量较大、井壁混凝土强度不足等，需对3个井筒实施修复治理工程。

1　井筒特征及破坏现状

1.1井筒特征及地质条件

主井净径4.0 m，副井净径6.5 m，回风立井净径4.0 m,表土段均采用钢筋混凝土砌碹支护，基岩段均采用混凝土砌碹支护。井筒所穿越的地层，可划分为第四系黄土透水而不含水层，白垩系砂砾岩承压水含水层，三叠系砂岩承压含水层，相应的泥质岩类构成隔水层。

井筒开凿时涌水量较大，曾采用工作面预注浆法[2]成功穿过白垩系砂砾岩承压水含水层。

1.2井筒破坏现状

1.2.1主井

主井井壁粉化破裂较为严重，粉化破裂区域主要分布于井深50～190 m段，其中在井深50～80 m井壁粉化破裂最为严重，破裂区域呈连片状集中分布，破裂区域相对集中分布于井壁东侧，破裂的宽度2.3 m左右，破裂的最大深度可达20～30 cm，呈整体垮落状态。根据现场观测及调查，主井井壁粉化破裂自井筒建成后一直在持续，且有加剧的趋势。

1.2.2副井

副井自移交以来井筒总淋水量一直严重超过国家标准(国家标准≤6.0 m3/h)，目前井筒实测淋水量为18 m3/h. 井筒淋水部位主要集中于井筒穿越白垩系含水层段(井深137～300 m)，该段井壁浇筑质量相对较差。井筒淋水量大，说明井壁的整体性较差、井壁的封水性能不佳及防水措施不到位。

副井井壁在井深40～140 m段曾采用锚网喷的方式进行井壁破裂治理，在治理段内已喷浆区域存在多处井壁破裂现象。井壁未见大范围的连片破裂，多以小面积的单点破裂为主，主要是锚喷的混凝土与原井壁分离，进而坠落，露出原井壁或网片等。另外根据锚网喷的井壁治理措施推测，喷浆段原井壁可能也存在较为严重的破裂现象。

1.2.3回风立井

2015年10月初风井井筒总淋水量为9.0 m3/h，2015年12月上旬总淋水量为11.0 m3/h，均超过国家标准(国家标准≤6.0 m3/h)，井筒淋水有增大的趋势，且井底有少量落砂现象。

回风井利用梯子间平台采用回弹法对井壁混凝土进行了抗压强度测试。井壁混凝土从井口至43道梯子间平台(井深215 m)强度均低于混凝土设计强度(设计强度为35 MPa)，其中在5～31道梯子间平台，井壁混凝土强度普遍低于20 MPa，混凝土回弹法测试抗压强度最低值位于13道梯子间平台处井壁，强度为7.48 MPa，仅为设计强度的21%.

井壁混凝土强度不足，则井壁抵抗外力及抗风化的能力差，随着时间的推移，回风井井壁在将来也有粉化、破裂、甚至垮落的可能，且影响锚杆锚固能力，进而影响井中装备的安全。

2　井筒破坏原因分析

根据井壁破坏面形状，破坏段在松散层与基岩交界面附近的特征，认为井筒破坏主要有以下原因：

2.1矿井疏水的影响

在建井过程中井筒过松散含水层和基岩含水层时，井筒出水在井筒位置形成局部疏降斗，随着矿井开采时间的加长和范围的扩大，疏降斗半径逐渐扩大，上部井壁外围附着松散岩层沉陷面积越大，对井壁的水平和侧向应力就越大、越不规则，这是造成井壁在不同段高部位和不同方位破坏的主要诱因。

2.2井壁与松散层变形产生附加应力关系

底部松散层的固结压缩，将导致上覆土层的沉降，从而使井筒周围的土层与井壁之间有相对运动的趋势。这就会在外井壁产生向下的摩擦力，该摩擦力在井壁断面上形成垂直向下的附加应力，附加应力在松散层底部形成应力集中。附加应力在井壁内随着松散层的变形增大而增大，到达应力集中井壁段最低强度点的抗压强度时，井壁出现破坏，并且随着松散层的压缩变形而破坏增大。井筒破坏的大量实例表明，松散层底部井筒施工时的接茬处，由于施工造成的强度弱面，最易成为井壁破坏的部位。井壁周围的破碎岩层与井壁附着力变差是造成上部井筒井壁破裂变形的主因。

2.3井筒渗水的侵蚀

对采样水进行水化学分析，水质对于井壁混凝土具有微弱—强的腐蚀性，导致混凝土中胶结物被消耗，混凝土强度降低，最终粉化。

3　井筒修复治理措施及主要手段

通过上述井壁破坏原因分析，采取相应的手段对破坏井壁进行修复，主要修复措施如下：

1) 采用井圈加固修复破坏严重的井壁，局部小范围破碎处填补修复，粉化区域清理并喷涂隔水材料的措施。

2) 壁后注浆堵水和壁后松散地层加固同步实施，通过井壁外围地层注浆固结增加现有井壁强度，提高现有井壁外部固结体的断面，防止和减缓后期壁后地层继续沉降，以保证井壁后期较长时间不被破坏。

3) 辅以开切卸压槽的手段，改善井壁受力结构和状态，减缓目前地应力对井壁的破坏。

施工顺序：工程准备—井圈加固—对井壁漏水点进行封堵—修补破坏处—施工卸压槽—工程收尾。主要治理手段为：

3.1井圈加固

主井采用[20槽钢加工成井圈，笼形井圈支护，每周井圈分5节，每节按弧长2.595 m加工，端头焊厚10 mm的钢板堵头，螺栓连接。竖向[14a槽钢连接。

副井采用[22槽钢加工成井圈，笼形井圈支护，每周井圈分8节，每节按弧长2.5 m或2.75 m加工，端头焊厚10 mm的钢板堵头，螺栓连接。竖向[14a槽钢连接。

回风井暂无破坏现象，需要时参照主井加工。

3.2壁后注浆[2]

井壁破坏主要原因是现有井壁承受不了后期疏水范围扩大造成的井壁外围地层不均匀沉降应力，因此，注浆不能单纯壁后注浆堵水，要以壁后注浆堵水与壁后松散地层加固同时进行[2-3].

采用中深、中浅孔双液(水泥+水玻璃)壁后注浆堵水、加固。1) 中浅孔壁后注浆主要封闭明水点和渗漏区域，阻断井壁对混凝土井壁有腐蚀性水的导通点，孔深控制在穿透井壁10～20 cm为宜(视实际井壁厚度确定)。2) 中深孔注浆孔深控制在1.0～2.0 m，此种注浆可让井壁外松散岩层得到充填密实加固作用，增加井壁壁厚断面和强度。

注浆材料考虑成本和经济合理性优先采用水泥、水玻璃双液浆。水泥P.O32.5；水玻璃，模数2.8～3.2，浓度40 Be'；水泥与水玻璃的体积比C∶S=1∶0.2～1∶0.5(视注浆情况和堵水效果变换注浆介质，可采用ZK-Ⅲ型孔隙溶胶剂型化学浆液或波雷音马丽散等)。

注浆段高包括可能向破坏段充水的含水层，段高不宜太大，单个段高以不大于60 m为宜。注浆压力为静压力的2～3倍，并视井壁强度、注浆量和注浆孔间距进行相应调整，若注浆较困难，相应增大注浆压力或改变注浆孔位置与孔位角度[2-3].

注浆要求：各注浆孔在各方向布置尽量均匀；各方向孔深尽量一致；各钻孔注浆量视吃浆量和注浆压力定。

3.3卸压槽

卸压槽布置在井壁严重破坏段的上破坏段下部，高度520 mm. 槽内铺垫防水砂浆，充填压缩木，安装应力计，并用薄木板楔入空隙胀紧密实接顶。卸压槽服务年限为4～8年，具体视沉降情况更换压缩木。

卸压槽施工要求：壁后注浆后在卸压槽位置无出水点，4个不同方向探孔检查壁后1.5 m无水渗出，方可扩槽施工。为防止井壁的进一步破坏，采用静力破碎剂开扩卸压槽为主，风镐配合修整为辅并尽可能地缩短工期。

4　结论和建议

刘园子煤矿井筒修复治理的成功实施，对西北地区水文地质复杂矿井井筒破坏治理具有重要参考价值和指导意义。

针对水文地质复杂地区，如何治水并一次性解决井筒出水问题是保证矿井长治久安的基础。建议针对水文地质复杂地区的井筒施工，井筒成功穿过含水层后，及时采取壁后注浆等手段封堵井筒外壁，使井筒外壁与含水地层隔绝，尤其是井壁接茬部位。同时密切监测井筒内壁，出现较大淋水现象及时注浆封堵，井壁破裂变形较严重或受力较大时及早开切卸压槽卸压，确保井壁强度和质量满足使用需求。

[1]张荣立，何国纬，李铎.采矿设计手册[M].北京：煤炭工业出版社，2003：1538-1578.

[2]林登阁，乔卫国，孟庆彬.井巷特殊施工技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2015：80-115.

[3]满健康，丁可可，任松杰，等.注浆加固技术在沿空掘巷中的应用[J].中国煤炭，2011,37(7):60-63.

Shaft Repair Treatment for Liuyuanzi Coal Mine

WU Tongxun

Aiming at the destroying situation of shaft in Liuyuanzi coal mine, combines with the hydrogeological conditions of shaft, by analysis ensures that the main reason of Liu Yuanzi mine shaft destruction is geostress and acidic water erosion. Puts forward the main idea of shaft control of crush resistance and yielding. The mainly means of shaft repair and treatment are walling crib reinforcement, grouting behind wall and pressure relief groove. The preventive measures taken in the actual construction of complex mine shaft are summarized.

Shaft; Repair; Walling crib reinforcement; Grouting behind wall; Pressure relief groove

2016-04-26

吴同勋(1979—)，男，河南舞阳人，2003年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事矿井设计、井筒施工工艺、采煤方法等煤矿相关设计研究工作，(E-mail)mtgytywt@163.com

TD262.5

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1672-0652(2016)05-0013-03