立井井筒修复技术的应用

常双栋

（永城煤电控股集团有限公司 陈四楼煤矿，河南 商丘 476600）

1 概 况

1.1 井筒基本情况

陈四楼煤矿副井井筒检查期间，检查发现井口向下-190 m 位置（与50 号管道梁齐平）西北至东北方向5 m 范围内井壁有两处浆皮张口，随即将张口浆皮掰掉，浆皮总面积长1 500 mm、高600 mm、厚70 mm，浆皮脱离后有1 处裸露钢筋，露筋长度约50 mm。出水点沿浆皮开裂处成横向线状分布，多点出水，清水不含沙，涌水量约1 m3/h，近期连续观测，开裂程度无明显变化，出水点水量无明显变化，水质无变浑浊情况。经过对破坏地点及现状进行分析后得出结论，井壁破坏出水的原因是井下常年进行采掘活动，导致井下水位下降。

陈四楼煤矿副井于1991 年2 月20 日开工建设，1992 年9 月20 日竣工。井筒净直径6.5 m，井筒深度501.3 m，其中表土段厚度为374.5 m，采用冻结法施工，冻结深度435 m，采用双层钢筋砼塑料夹层复合井壁，井壁厚度0.45～1.8 m（其中，0～125 m：内壁厚400 mm、外壁厚500 mm；125～253.9 m：内壁厚700 mm、外壁厚750 mm；353.9～374.5 m：内壁厚900 mm、外壁厚900 mm；基岩段壁厚450 mm）。

截止工程施工前，陈四楼副井立井两次修复，第一次修复为1999 年采用“破壁注浆+架设井圈”的修复方法，并于井口下累深320 m 和345 m 位置开挖两道泄压槽；第二次修复为2018 年采用“注浆堵水”的修复方法，修复井深92、186、320 m及摇台南北侧出水的位置。

1.2 地质条件

井壁破裂段对应内层井壁厚度700 mm，外层井壁厚度750 mm，井壁混凝土标号为500 号，为上第三系上新统下段地层，岩性为泥质粉砂、细砂，泥质粉砂层厚2.54 m、细砂层厚7.32 m；上部为12.9 m 细砂，下部为6.93 m 泥质粉砂。副井井壁破裂段地质柱状如图1 所示。

图1 副井井壁破裂段地质柱状图Fig.1 Geological histogram of fracture section of auxiliary shaft wall

1.3 水文地质

井筒表土段有12 个含水砂层，总厚86.34 m，大致可分为4 个含水层段。

（1）第一含水层：第四系全新统潜水含水段，深0～30 m，浅部以大气降水直接入土，地下水位距地表2 m 左右，丰水期地下水位高，旱季低。

（2）第二含水层：孔隙承压微弱—中等含水层，埋深30～90 m，水位标高30.54 m。

（3）第三含水层：孔隙承压含水层，埋深90～260 m，水位标高28.81～30.90 m。

（4）第四含水层：孔隙承压微弱中等含水层，埋深260 m-基岩，水位标高31.93～35.08 m。

2 井筒修复方案

根据近年来永城地区数个井筒表土段井壁破坏区成功修复经验，计划采取如下井壁修复方案：清理井壁—井壁架井圈+C60 灌浆充填支护—22 kg/m轨道梁竖向固定井圈—井壁夹层注浆加固。根据井壁破裂情况及地质情况，拟定支护加固段8 m，注浆加固段9 m。

根据矿井内实际情况，将副井宽罐笼改造成施工工作盘。将所需施工材料按施工工序依次进场，施工小型配件或灌浆料、水泥等易潮湿运至副井井口房内，井圈、网片等大型钢制构件运至副井口房附近的装料区，分类码放，并用防水布覆盖；敷设电缆时，首先将电缆盘至宽罐笼顶部，随着宽罐笼的下放将电缆逐层绑扎在罐道梁托架上；高压胶管与电缆同时敷设，先敷设电缆再敷设高压胶管。

利用陈四楼煤矿副井井口附近现有风源、水源，井筒内敷设一趟φ38 mm 高压胶管作为供风管，一趟φ25 mm 高压胶管作为供水管，一趟φ38 mm 高压胶管作为注浆管，满足井筒修复施工期间施工需要。由陈四楼煤矿副井变电所低压一回路P4-3 抽屉柜处取施工电源，利用宽罐笼上部施工平台在副井井筒内敷设一趟MYP-3×35+1×16 mm2动力电缆；一趟MKVV8×1.5 mm2信号电缆，一趟MHYV1×4×7×0.52 通讯电缆，满足井筒修复施工需要。

利用矿井内现有防爆电话，与矿调度室及各职能科室进行联系；配备手持式防爆对讲机3 套（对讲机必须能与罐笼闭锁），用于施工期间通讯，另安装一套声光信号系统作为应急通讯。

3 现场施工

3.1 井筒内壁

在井圈加固前，安排专人乘罐笼从井口向下逐段检查井壁完好情况。检查井壁期间，罐笼下落速度不超过0.5 m/s。施工人员使用压风、压力水对井壁进行清理，并使用长柄工具对开裂的浆皮进行处理，确保施工安全。

3.2 井圈架设及灌浆

3.2.1 井圈布置方式

井圈采用20b 槽钢加工，每层6 根，每根长3.377 m。第一架井圈使用6 根φ27 mm×350 mm锚杆配合树脂锚固剂进行固定，第一架井圈为浇筑托底井圈（井圈外沿直径6.55 m）；第二架开始每架井圈使用3 根φ27 mm×420 mm 锚杆均匀固定，固定井圈锚杆外露30～50 mm（井圈外沿直径6.45 m）；每两层锚杆要求交替三花布置，确保井圈接头实现交替连接。每块井圈梁之间使用3 条φ20 mm×75 mm 镀锌高强螺栓均匀连接，形成整体，井圈架设布置如图2 所示。

图2 井圈架设布置示意Fig.2 Well ring erection layout schematic

3.2.2 井圈架设区域及顺序

位于井深186～192 m，计划架设30 架，分两段进行井圈架设。先架设破裂段及以上部分4 m 范围（对应井深186～190 m，具体以测量数据为准），然后架设井壁破裂段下部2 m 范围（对应井深190～192 m）；每段均采取“由下向上”逐层架设，井圈之间的缝隙采用专用材料封堵。每架设1 m，灌入C60 灌浆料。

3.2.3 灌浆料选择

C60 灌浆料选用超早强无收缩灌浆料，袋装粉料，25 kg/袋，根据灌浆料生产厂家提供的配合比严格搅拌，水∶粉料=0.125∶1（重量比），采用井下现场拌制C60 灌浆料进行充填修复。

3.2.4 注意事项

井圈兼做为浇筑灌浆料模板使用，浇筑灌浆料前将每段井圈最下一层使用黄泥、破布等进行封堵，确保浇筑灌浆料期间不发生漏浆情况。

为防止井壁破碎段渗水对灌浆质量造成影响，需提前对渗水点进行导水、堵水。为保证灌浆料充填密实，使用专用工具，均匀分区，均匀振捣。

3.3 轨道加固支护

整体加固段由2 排长3.1 m 钢轨上下对接，沿井圈圆周均匀布置6 排，从上至下加固，每3 m 段高加固6 根轨道，每段段高施工结束后再进行下一个段高的加固。每根轨道采用4 个专用卡子固定，卡子采用φ20 mm×75 mm 螺栓进行固定。每根轨道两端各布置2 个φ30 mm 小孔，用于固定φ8 mm 生根钢丝绳，生根钢丝绳另一端固定在宽罐笼首绳连接装置上。

轨道加固布置如图3 所示。

图3 轨道加固布置示意Fig.3 Layout of track reinforcement

3.4 夹层注浆加固

注浆范围：井筒185～193 m 段进行壁间注浆加固，合计8 m。

3.4.1 注浆材料及设备选择

此次注浆选用P·II52.5 硅酸盐水泥；水玻璃波美度40Be，模数2.3～2.8。此次注浆以单液水泥浆和双液水泥浆相结合的注浆方式，单液浆水灰比为0.75∶1～1∶1，双液浆水泥浆与水玻璃体积比为1∶0.3～0.5。

地面输浆及井筒注浆选用2ZBSB1.92～7.2/10.5～3-11 型高压电动注浆泵，满足井筒内注浆施工需要。井筒内敷设的φ38 mm 高压胶管进行供浆。

3.4.2 钻孔布置方式

此次注浆加固初步设计24 个注浆钻孔，共计3 排（185、190、193 m），每排布置8 个，孔间距2.56 m，注浆压力2 MPa（以不破坏井壁为原则），钻孔开孔孔深550 mm，终孔孔深800 mm，注浆孔终孔孔深以打透内壁进入外壁100 mm 为准。采用上行式注浆，再进行下行式检查注浆。排与排之间的注浆孔成三花布置。受井圈、排水管、梯子间等影响，施工人员可根据实际情况调整钻孔位置。钻孔排与排之间的钻孔成三花布置，如图4 所示。

图4 注浆钻孔布置示意Fig.4 Grouting borehole layout

3.5 井筒修复效果

此次副井井筒加固方案采用架设井圈、注浆加固等综合措施进行修复加固，取得明显效果。副井井筒修复工程共计10 d，较计划工期提前6 d，井壁破裂段全部架设井圈加固，并向井壁上、下各延伸4 m，井壁出水点全部封堵，为井筒运行提供了安全保障。

4 结语

针对陈四楼煤矿井壁破裂的复杂条件，根据近年来永城地区数个井筒表土段井壁破坏区成功修复经验，基于井壁破裂的相关理论，深入分析陈四楼矿主井井壁结构特征、工程地质和水文地质条件，提出了采用井壁架井圈+C60 灌浆充填支护，再用22 kg/m 轨道竖向固定井圈，最后自上而下壁间注浆加固的治理方案，降低突水涌砂风险，达到了预期的治理效果。该项目的实施，不仅提高井壁结构强度，并且改善井壁受力特征，为下一步类似条件下井筒修复治理方案提供了技术保障，为井壁破裂灾害防治的安全、顺利、高效实施提供技术依据，具有很好地的研究借鉴意义。