济宁二号煤矿井筒破损井壁修复技术实践_周玉华.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY damage; remediation technology; Jining coal mine No.2 山东济宁二号煤矿副井于 1990 年 8 月1992 年 9 月施工建设，2016 年 12 月，在对副井井筒[1-3] 设施例行检查中，当检查至井深 519.5 m89 号梁上 方 3 m东南侧位置时，井筒井壁粉化较严重，有小 石块掉落。为保证安全，对该段井壁进行清理时有 一个较大石块出现松动，取出后发现石块内侧沾满 黄砂，洞内也有黄砂，黄砂疑似当年井壁施工掺和 水泥用的河砂。此缺陷区块已暴露面积较大，且可 能还存在潜在未暴露区域。井壁有较大面积质量缺 陷，存在垮塌的风险，需采用相关技术进行修复[4-6] 加固处理，保证副井安全运行。 1井筒概况 1.1井筒结构 济宁二号煤矿副井井筒净径 8.0 m， 井口设计标 高38.00 m，井深 623.3 m含井窝 30.3 m。表土层 厚度 176.6 m，冻结深度 235 m，井壁厚度冻结段 0.91.15 m，基岩段 0.5 m。冻结段井壁为普通双层 钢筋混凝土井壁；基岩段采用钻爆法施工，井壁为 单层素混凝土井壁。井内布置一套 1.5 t 矿车双层四 车宽罐笼，带平衡锤；另一套为 1.5 t 矿车双层四车 普通罐笼和特制高罐笼。采用球扁钢组合罐道，工 字钢罐道梁，树脂锚杆托架；并设梯子间及管线。 1.2井筒地质概况 根据井筒检查孔柱状分析，从上到下主要地层 为第四系、侏罗系、二叠系和石炭系。各地层深度 ChaoXing 增刊 1周玉华等 济宁二号煤矿井筒破损井壁修复技术实践85 及岩性见表 1 所示。 表 1副井井筒主要地层结构据井筒检查孔资料 Table1Main ation structure of auxiliary shaft 地层深度/m厚度/m岩性描述 第四系0176.6176.6 主要由黏土、砂质黏土、黏土质粉砂及砂砾层组成，属冲积、湖泊相沉积，整 个表土层可分为上、中、下三组 侏罗系176.6436.07259.47 主要为灰灰紫红、紫红、砖红等色砂岩、粉砂岩，间加泥岩。砂岩多为泥质 胶结，部分为钙质胶结；局部裂隙发育，且多为高角度剪张裂隙 二叠系上石盒子组436.07511.0775.0由杂色铝质泥岩、粉砂岩和灰绿色砂岩组成，为陆相河流湖泊沉积 二叠系下石盒子组511.07561.3850.31由杂色黏土岩、灰灰绿色粉砂岩和细砂岩组成，为内陆冲积、湖积相沉积 二叠系山西组561.38638.8777.49 本组煤3上、煤3下为井田主要含煤层段；其顶底板主要由灰白、浅灰色砂岩、深 灰灰黑色粉砂岩和间加泥岩组成，钙硅质胶结 石炭系太原组638.87 主要由灰深灰色粉砂岩、泥岩、石灰岩和煤组成。揭露煤4、煤5、煤6、煤10 下、煤11、煤12、煤12下，及4层灰岩。 1.3井壁缺陷区段及地层情况 1.3.1井壁缺陷区段情况 2016 年 12 月 22 日，对井壁破损[7-11]及渗漏情 况进行现场简易观测及描述，除对井壁 8889 道梁 段井壁质量缺陷区域进行重点观测，还对其他区段 井壁粉化破裂及渗漏情况进行了观测。 粉化区块较多，主要表现为井壁表面粉化、脱 落、 锤敲掉渣且易碎， 部分区域最大粉化深度达 250 mm，井壁附着有大量白色结晶物质，且呈现连片分 布；井壁存在渗水点，部分渗水点分布与井壁粉化 破裂区域有明显的对应关系。 1.3.2井壁缺陷区段地层情况 井壁粉化主要发生在基岩段的下石盒子组 P2x。 本组厚 15.0690.00 m，平均 55.17 m。由灰 绿色砂岩、杂色铝质泥岩，灰深灰色泥岩、铝质 泥岩、粉砂岩组成，为陆相河湖沉积。以底部含砾 中粗砂岩底界面作为与山西组的分界，与山西组 呈整合接触。井壁破损段地层柱状见图 1。 2井壁粉化破裂机理 地下水井壁淋水中阴离子 SO2–4含量较高，混凝 土受硫酸盐侵蚀破坏的实质是环境中的硫酸盐根 离子渗透进入混凝土内部，与水泥石中某些组分发 生化学反应，生成难溶的盐类矿物。这些难溶的盐 类矿物可形成石膏、钙矾石等膨胀性产物，当膨胀 应力达到一定程度时就会造成混凝土开裂、剥落， 也可使硬化水泥石中的 CH 和 C-S-H 等组分溶出、 分解，导致水泥石强度和黏结性能损失。混凝土石 膏膨胀侵蚀破坏基本原理如式1所示。 图 1井壁质量缺陷区段壁后围岩结构 Fig.1Columnar diagram of the damaged section of the shaft wall Ca OH2 Na2SO4→Ca2 SO2–4NaOH– Ca2 SO2–4 2H2O→CaSO42H2O1 初步分析认为，济宁二号煤矿井壁遭受了硫酸 盐侵蚀破坏，基本原理为井壁淋水中高浓度硫酸根 离子与井壁混凝土中的水泥结石体反应，生成难溶 性膨胀物质，最终造成混凝土崩解粉化。 3井壁修复的主体思路 3.1治理的必要性 在井壁质量缺陷区块，井壁中基本未见石子、 水泥，只可见比较纯的黄砂。此缺陷区块已较大面 积暴露，且可能还存在潜在未暴露区域。井壁较大 面积质量缺陷，存在垮塌的风险。 对于井壁粉化区域，根据井壁粉化破坏发展的 ChaoXing 86煤田地质与勘探第 46 卷 规律，一旦井壁表面开始粉化，混凝土内部受温度、 水分、空气等环境的综合作用，其粉化的速度和程 度会加快，进而破坏掉整个混凝土井壁。目前井壁 已经呈现粉化、局部表皮脱落的现象，威胁井内设 备、电缆、人员安全，进而影响井筒正常使用，可 能造成重大安全事故。另外，副井提升任务较重， 如果井壁继续粉化破裂，一旦固定托架梁、罐道梁 的锚杆失效，造成管道变形甚至脱落，则极可能酿 成重大责任事故，所以应组织进行修复加固处理， 以消除这一重大安全隐患。 3.2井壁修复主体思路 对于井壁质量缺陷区域[12-13]，应采取修复加固 措施，对缺陷井壁进行置换、加固，一方面消除其 可能垮落而对井筒装备及人员的威胁，另一方面使 井壁恢复其原有功能。 对于井壁粉化破损区域，分析认为井壁粉化破 坏可能是由高浓度的 SO2–4离子对混凝土的物理和化 学侵蚀造成。防治的主题思路是隔绝 SO2–4离子与井 壁混凝土的联系。隔绝途径有 2 种① 对井壁出水 点进行封堵或导流，使其不直接作用于井壁上；② 对井壁壁面进行处理，使淋水不得渗入井壁混凝土 之中。在此基础上辅助采用破裂井壁修复及表层处 理措施。 4井壁修复方案设计 4.1井壁缺陷区域修复加固方案设计 4.1.1方案选择 井壁缺陷区域修复加固较常见的有锚网喷[14-15] 及立模浇注两种修复方式。锚网喷方式是破损井壁 较为常用的修复方式，但由于后喷射的混凝土与原 井壁接触不密实，在治理数年后喷射混凝土常出现 与原井壁剥离的问题，所以锚网喷修复方式常作为 井壁的临时修复措施，且常用于处理小面积破损的 井壁。立模浇注为在井壁破损位置安装模板，然后 再浇注混凝土，以使得井壁恢复原规格，此方式常 用于较大面积破损井壁的修复，但立模浇注方式同 样存在后浇注的混凝土与原井壁剥离的问题。 从技术可靠性、施工的难易程度、工程成本综 合考虑，推荐采“锚杆钢筋网喷射混凝土”的修复 方式。首先，井壁缺陷位置壁后为稳定的铝质泥岩 及细砂岩层，该位置井壁渗水量极少；其次，立模 浇注的治理方式较锚网喷的治理方式在治理效果方 面并无明显的优势，且施工难度较大；第三，锚网 喷的修复方式可采用多层次锚网、多层喷浆、喷射 钢纤维混凝土的方式相对减小后喷混凝土与原井壁 分离剥落的可能性。 “锚杆钢筋网喷射混凝土”的具体施工的步 骤为 ① 近距离人工确定井壁质量缺陷区域的范围， 对缺陷区域上沿的完整井壁施工锚杆进行固定； ② 清除缺陷位置的井壁混凝土砂； ③ 在缺陷井壁区域安装锚杆、 固定第一层钢筋 网，喷射 200 mm 厚钢纤维混凝土； ④ 固定第二层钢筋网，喷射第二层 150 mm 厚 钢纤维混凝土； ⑤ 固定第三层钢筋网，喷射第三层 150 mm 厚 钢纤维混凝土，井壁修复至原规格，具体的步骤示 意图如图 2 所示。 4.1.2修复加固施工 a. 缺陷区域确定 利用井中安装的临时施工平台，采用锤子、电 钻、钢钎等工具，人工近距离确定井壁质量缺陷区 域的范围，对缺陷区域进行标示。 b. 缺陷区域上沿完整井壁锚杆固定 确认井壁缺陷区域后，在缺陷区域上沿的完整 井壁上施工锚杆对井壁进行固定，防止大范围井壁 悬吊，发生整体脱落事故。 锚杆施工间距 0.6 m，锚杆距离缺陷区域上沿 0.2 m 左右。采用Φ20 mm2 000 mm 的高强螺纹锚 杆， 锚杆扭矩不小于 100 Nm， 锚固力不小于 20 kN。 c. 缺陷区域清理 对井壁质量缺陷区域自上而下进行全面、彻底 清理，清理缺陷区域时采用锤击、高压水冲洗等方 式，清理至新鲜完整混凝土面或壁后完整围岩面。 d. 缺陷区域锚杆安装 锚杆安装深度共分为 3 个层次第 1 层次锚杆 外尾部距离井壁壁面 0.4 m， 第 2 层次锚杆外尾部距 离井壁壁面 0.2 m， 第 3 层次锚杆外尾部距离井壁壁 面 0.05 m。锚杆施工间排距 0.5 m，各层次锚杆间跳 布置， 所有锚杆一次安装完成。 锚杆扭矩不小于 100 Nm，锚固力不小于 2 t。缺陷区域锚杆安装与缺陷 区域上沿完整井壁固定锚杆的具体施工步骤一致。 e. 缺陷区域挂网及喷射混凝土 所有锚杆安装完成后，以第 1 层次锚杆为基础 进行挂网，网片采用 6.5 mm 钢筋制作，钢筋间距 100 mm，采用湿喷法进行第一层次喷浆施工，喷浆 的厚度 200 mm 左右，覆盖第 1 层次的挂网区域； ChaoXing 增刊 1周玉华等 济宁二号煤矿井筒破损井壁修复技术实践87 图 2质量缺陷井壁修复步骤示意图 Fig.2Sketch diagram of remediation steps of the shaft wall with quality defect 待第 1 层次喷射混凝土终凝后， 进行第 2 层次挂网工 作， 然后进行第 2 层次喷浆施工， 喷浆的厚度 150 mm 左右，覆盖第 2 层次的挂网区域；待第 2 层次喷射 混凝土终凝后，进行第 3 层次挂网工作，然后进行 第 3 层次喷浆施工，喷浆的厚度 150 mm 左右，覆 盖第 3 层次的挂网区域。 4.2井壁混凝土表面处理方案 4.2.1处理方式选择 在混凝土表层加上耐腐蚀性强且不透水的保 护层，可使混凝土与侵蚀溶液隔离，从而避免了 混凝土遭受侵蚀。目前混凝土结构防护主要采用 混凝土表面涂层、混凝土表面硅烷浸渍等方法， 本次选用硅烷浸渍法。 混凝土表面硅烷浸渍是通过其特殊小分子结 构，渗入混凝土内部几毫米，并与已水化的水泥发 生化学反应，从而在毛细孔壁上形成牢固的憎水屏 障，使水分和水分所携带的硫化物等都难以渗入混 凝土，大大提高混凝土制品的防水性和综合性能。 4.2.2硅烷浸渍法施工 a. 作业人员使用喷雾器对施工范围内混凝 土进行硅烷浸渍施工，喷洒硅烷时，喷雾器喷口 垂直于混凝土面， 喷洒方向为自下向上连续喷洒， 使被涂井壁至少有 5 s 时间，保持目测是湿镜 面状态。每遍硅烷喷洒量为 100150 mL/m2，共 喷洒两遍，即每千克喷洒 4 m2左右。两遍之间的 时间间隔至少为 4 h。 b. 硅烷浸渍施工过程中应做好详细的记录， 记录施工面积和硅烷使用量，确保硅烷使用量在 规范要求的范围内。 c. 浸渍施工后，应用自喷漆标明已喷洒区域 与未喷洒区域分界线，便于矿方监管工程师目测 检验，同时避免下次漏涂或重涂。 d. 硅烷浸渍施工具体要求为喷洒硅烷的混 凝土表面应为面干状态；涂装硅烷的混凝土修补 后应不少于 7 d；混凝土表面温度应在 540℃； 喷 洒工作须在井壁注浆及修复后进行；对于井壁原 破裂较为严重的区域可适当增加喷洒量；浸渍所 需的全部硅烷用料在施工现场应一次备足，使用 前方可开封，并应于启封后72 h 内用完，否则应予 废弃；施工现场附近应无明火，操作人员应使用 必要的安全保护设施；浸渍硅烷工作，应按硅烷 制造厂家的技术要求，由经验丰富的操作人员实 施；应注意避免硅烷和氯丁橡胶、沥青密封材料 等其他可能腐蚀的材料接触。 5结 论 a. 济宁二号煤矿副井井壁主要存在较大面积 质量缺陷、粉化破坏等问题，井壁质量缺陷位置为 第 8889 道梁段；井壁粉化破坏区域 60 个左右，分 布于 46101 道梁段。 b. 井壁粉化破坏区域已经呈现掉块、局部脱落 现象，随时威胁井内设备、电缆、人员安全，进而 影响井筒正常使用，极可能造成重大安全事故；对 于井壁缺陷区块存在整体垮塌的风险，应进行加固 处理，消除这安全隐患。 c. 副井井壁修复工程采用“锚网喷壁面硅烷 ChaoXing 88煤田地质与勘探第 46 卷 浸渍处理”的总体方案进行修复加固， 保障了副井井 筒的安全可靠运行。 参考文献 [1] 陈强威， 郑永超. 副立井井壁综合加固修复技术[J]. 中国煤炭 工业，2016561–63. 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