晋东南地区某一级公路下伏风井井筒处治

栗 飞 杨 瑞 孙爱斌 孙兆刚

(1.山西省公路局晋城分局，山西 晋城 048000； 2.中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

1 概述

晋东南地区某一级公路在施工过程中发现该公路三沟互通范围内有煤矿风井井筒(斜井)一处，需采取安全措施，施工避开井筒位置。建设、施工、设计等参建单位均非常重视，为防止公路工程施工误穿二号风井，导致风井内有毒有害气体(CH4,CO等)突然喷出、瓦斯燃烧与爆炸、路面坍塌导致人员或设备坠井等事故，在井筒(斜井)区域外拉扯了警戒线，并在该区域停止施工，并由一级公路的勘察设计单位负责风井井筒资料收集和处治设计工作。

2 工点概况

2.1 风井井筒概况

根据资料显示，该风井井筒(斜井)施工于1984年，斜井角度30°，斜井斜长153.8 m，水平投影长133.195 m，净断面11.66 m2。1999年，该风井井筒(斜井)废弃封闭，密闭具体位置、密闭方式、密闭材料及密闭墙个数尚未了解探测清楚；2017年，该煤矿停产关井。

该风井井筒(斜井)井底揭露煤层为3号煤层，井筒支护方式为锚喷，锚喷厚度为70 mm～100 mm，锚深1 800 mm，锚杆间距1 600 mm，排距600 mm，菱形布置。1999年，矿井生产调整，将二号风井井筒(斜井)井下密闭。

2.2 风井井筒与一级公路关系

经现场调查，风井井筒由北向南分别与一级公路三沟互通SF匝道、S1匝道、主线、S2匝道、SC匝道相接。风井井筒与主线相接里程为K11+000，与路线斜交，见图1。

风井井筒斜井角度30°，一级公路SF匝道右侧挖方边坡已经侵入井筒结构范围，路基直接开挖存在瓦斯泄露引起施工人员中毒、瓦斯爆燃、爆炸等风险，见图2。

3 风井处治设计方案

3.1 设计总体思路

为防止在风井井筒(斜井)周边的一级公路施工过程中发生意外事故，同时避免未回填井筒对公路后期的使用、维护等的影响，采用氮气置换方式排除二号井井筒(斜井)有毒有害气体，然后对二号井井筒(井底至井口位置及风道)进行注浆封闭。通过对现场实际情况的考察以及风井井筒(斜井)原始资料的了解，采取向风井井筒(斜井)内灌注水泥粉煤灰浆的方式进行回填。

风井回填的方式方法采取以下方案：

在地面相对应的风井位置施工地面带水钻孔，共设置K1～K9共计9个钻孔(具体孔号、位置见图3，图4)。9个钻孔分批次开钻，采用钻孔、氮气置换、注浆循环作业的方式，直至公路路基范围内风井全部安全注满浆液。

3.2 处治设计

1)K1～K9为钻孔编号,钻孔分两批次施工，首先钻K1～K5号孔，K1～K4号孔注浆施工完成后钻K6～K9号孔；钻孔必须采用带水钻，孔内泥浆顶面高程控制在孔口附近。

2)K1～K5钻孔全部完成后，由K1，K2号孔连接注气管，形成钻孔正压气流往井筒通氮气，利用K3～K5钻孔排出气体，置换完成后由K1号孔灌注水泥粉煤灰浆液(掺速凝剂)，注浆压力1 MPa～1.5 MPa；K1钻孔注浆施工完成7 d后，由K2号孔连接注气管，形成钻孔正压气流往井筒通氮气，利用K3～K5钻孔排出气体，置换完成后由K2孔灌注水泥粉煤灰浆液(掺速凝剂)，注浆压力2 MPa～3 MPa。

3)K2孔浆液灌注完成2 d后，由K3孔连接注气管，形成钻孔正压气流往井筒通氮气，利用K4～K5钻孔排出气体；置换完成后由K3孔灌注水泥粉煤灰浆液(掺速凝剂)，注浆压力1 MPa～1.5 MPa。

4)K4～K9依次进行氮气置换、注浆，直至路基范围内风井全部安全注满浆液。

5)K3～K9孔注浆施工应在前一孔注浆施工完成2 d后进行，注浆压力均为1 MPa～1.5 MPa。

6)为保证钻孔施工时浆液保持在孔口附近，钻孔施工前，在每个钻孔附近开挖一处水池，当孔口水位下降时，及时向孔内注水。

7)施工中要加强对井筒中积水、积气状况进行监测，有序排放有毒有害气体，防范井筒坍塌，施工结束后对注浆效果进行检查。

4 风井处治施工

4.1 钻孔施工

以井口向下5 m为中心，周围20 m范围设置警戒，在施工作业过程中，任何非施工人员不得进入，作业人员严格遵守操作规程，正确使用个人防护用品，施工过程中应全程检测施工区域内气体含量，特别是钻孔作业置换处，作业现场严禁烟火，确保施工安全。

钻机钻头施工时有足够的水量，使钻头工作时处于水中，不产生火花或高温，并保证水车内的水能及时准确喷向基坑内钻头处；当钻孔钻透拱顶后，检查钻孔处的气样，当钻孔处气符合施工要求时，方可向井筒内下塑料管，并尽可能的下到井筒底部，有利于置换。

4.2 氮气置换施工

现场配置液氮车一台，准备氮气总量为5 000 m3。注入氮气量预估考虑因素有：井筒长度：153.8 m，净断面：11.66 m2，管径DN50，井上、井下管路长度约200 m，预计20%的漏失，增加50%备用量。置换过程需要注意以下事项：

1)禁止触摸液氮低温管线，防止冻伤；

2)做好压力、流量、温度等参数的记录，计算置换充入的气量；

3)惰性气体可令人窒息，检测人员要注意空气中的含氧量必须达到18.5%～21%；

4)用氮气进行井筒内有毒有害气体置换时，液态氮气首先通过汽化器→温度表→临时管线，然后进入井筒；

5)安排专人观察温度计的指示温度，充入氮气的温度不得低于5 ℃，若温度下降较快，减小氮气流量，以保证管道入口处氮气温度不低于5 ℃为准；

6)进行氮气置换检查、检测人员必须穿戴防护服；

7)检测人员在出风口处用瓦斯浓度检测仪进行瓦斯含量检测，每次检测时间间隔5 min，当所注置换气量大于井筒容量后，检测人员检测井筒出气气体中所含瓦斯浓度，连续三次均低于0.5%为合格。

液氮车及汽化器见图5，向孔内注入氮气见图6。

4.3 注浆施工

注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。

注浆时，应避免在短时间内注入大量的水泥粉煤灰浆，当注浆量较大时，应采用间歇式注浆法施工，或在孔口加一漏斗状的投砂器，用浆液将砂或石屑带入孔内，或在浆液中加入水泥重量2%左右的速凝剂。

5 结语

高等级公路穿越煤矿采空区，除对采空层进行处治外，还应对如煤矿风井、巷道等影响公路施工、运营安全的设施采取安全、经济的方案进行处治。本文针对晋东南地区某一级公路一处下伏风井井筒的处治设计、施工进行了简要阐述，创新性的采用氮气置换方式对井筒内有毒有害气体予以排除。该风井井筒经氮气置换、注浆加固处治后，即为其上三沟互通路基路面工程施工安全提供了安全的作业面，也消除了一级公路运营期间该风井井筒坍塌、瓦斯泄露隐患。该一级公路下伏风 井井筒处治设计、施工，可为类似的公路或市政道路工程下伏风井或巷道处治提供借鉴。