东滩煤矿副井井壁腐蚀粉化机理及治理技术_侯俊华.pdf

东滩煤矿副井井壁腐蚀粉化机理及治理技术 侯俊华 ， 张 昆 ， 孟凡贞 （兖州煤业股份有限公司 东滩煤矿 ， 山东 邹城 273512 ） 摘要 东滩煤矿副井井深 - 440m以下基岩段井壁粉化严重， 且有加速、 加剧的趋势， 严重威胁矿井 的安全。通过相关理论及试验研究发现， 井筒淋水中高浓度的 SO42-离子是造成副井井壁腐蚀粉化的 主要原因。副井治理采用 “井壁淋水治理 井壁严重粉化段修复加固 井壁表层涂层处理” 的综合治 理措施。目前副井井壁治理已逾两年时间， 水点封堵后无返渗现象， 锚网喷修复区域与井壁契合程度 依然较好， 井壁腐蚀粉化现象明显减弱。该治理经验可为类似混凝土腐蚀粉化治理提供借鉴。 关键词 煤矿立井； 井壁粉化； 腐蚀机理； 治理技术 中图分类号 TD350文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 06- 0163- 03 Corrosion and pulverization mechanism and treatment technology of auxiliary shaft wall in Dongtan Coal Mine HOUJunhua ，ZHANG Kun ， MENG Fanzhen （Dongtan Coal Mine, Yanzhou Coal IndustryCo., Ltd. , Zoucheng 273512 ， China ） Abstract The borehole wall of the bedrock section below the depth of - 440m in Dongtan Coal Mine is severely pulverized, and there is a tendency of acceleration and intensification, which seriously threatens the safety of the mine. According to relevant theoretical and experimental studies, it was found that high concentration ofSO42- ions in the wellbore leachingwater is the main reason for the corrosion and pulverization of the side wall of the auxiliary well. The secondary well treatment adopts the comprehensive treatment measures of “wellwall water spraying treatment well wall severely pulverized section repair and reinforcement well wall surface coating treatment“. At present, the treatment of the side wall of the auxiliary well has been over two years. There is no back seepage phenomenon after the water point is blocked. The anchor mesh spray repair area is still in good agreement with the well wall, and the corrosion and pulverization ofthe well wall is significantlyreduced. The experience ofDongtan Coal Mines auxiliaryshaft treatment can provide reference for similar concrete corrosion and pulverization treatment. Keywords coal mine shaft ; shaft powdering; corrosion mechanism; treatment technology 井筒被形象的比喻成矿井的咽喉，是矿井人 员、 设备出入井及矿井通风的必经之道， 保证井筒 的安全一般都是矿山最基础， 同时也是最重要的工 作[1-2]。混凝土井壁是井筒的主体结构， 是抵抗地压、 隔绝壁后高压水的有力屏障， 同时也是井筒中大量 装备安装的着力点， 井壁的安全是井筒安全运行的 基础[3-8]。 东滩煤矿是兖矿集团的主力矿井，自 2005 年 前后开始出现内表面掉皮现象， - 440m 以下出现大 面积内表面脱落粉化现象，已严重威胁矿井的安 全， 为此开展了井壁粉化机理的研究， 并依据研究 成果， 制定了合理的治理措施， 本文将系统介绍该 井筒井壁粉化情况、 粉化机理及具体治理措施。 1副井井壁粉化情况 东滩煤矿副井净直径 8.0m， 全深 738.6m， 表土 0139m 段为双层井壁结构，内外壁 C30 钢筋混凝 土； 基岩 139738.6m 段为 C30 素混凝土井壁， 厚度 0.5m。 东滩煤矿副井基岩段混凝土井壁自 2005 年前 后开始出现粉化现象， 目前个别严重处粉化深度约 100150mm，粉化主要集中于井深 - 440m 已深段， 主要表现为井壁表面粉化、 脱落、 锤敲掉渣且易碎， 破坏较严重处均有钢筋外露， 井筒围岩为细砂岩泥 岩互层。 通过对受腐蚀井壁的观察， 井壁的腐蚀形式主 要是混凝土中水泥结石体被溶解， 离析出石子和黄 沙， 从而引起混凝土破坏， 胶结成分丢失， 水泥块逐 渐软化、 松散、 脱落。 主要表现为 ①有淋水的部位成粘糊状， 无淋 水的部位成块粉状； ②腐蚀井壁从粗糙毛面部位开 始，向四周和内部进行蔓延；③毛面腐蚀较快、 较 大， 光面腐蚀很慢， 较小； ④有水处腐蚀较快， 无水 处腐蚀较慢。 2井壁腐蚀粉化机理 采用化学检测和物理力学检测相结合的方法 对副井井深 - 440m 以下井壁粉化脱落破坏的机理 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 163 ChaoXing 进行研究。相继进行了水质检测、 井壁混凝土碳化 深度检测、 井壁混凝土化学成分检测、 副井井筒内 二氧化碳浓度检测、井壁混凝土芯样的抗压强度、 混凝土芯样密度测试。研究发现东滩煤矿副井基岩 段局部腐蚀破坏的机理分为内因和外因两个方面。 2.1粉化腐蚀破坏内因 东 滩 煤 矿 矿 井 设 计 服 务 年 限 86 年 ， GB50010- 2010 混凝土结构设计规范 中规定， 设计 使用年限 50 年的混凝土结构， 在二 a 类环境中最大 氯离子含量不超过 0.2， 二 b 类环境中最大氯离子 含量不超过 0.15， 复合二类混凝土耐久性结构， 最 大氯离子含量应控制在 0.2以下。 东滩煤矿副井基 岩段井壁混凝土强度等级为 C30， 其配方见表 1， 混 凝土中掺入氯化钙 2， 食盐 1， 氯离子含量达到 3。混凝土掺入的氯化物严重超标。 表 1东滩副井井壁混凝土配方 表 2副井水质化验结果统计表 2.2粉化腐蚀破坏外因 腐蚀破坏的外因是外部环境 （地下水）有侵蚀 介质存在，主要是地下水中阴离子 SO42-和阳离子 Na含量较高，同时又有一定含量的 Ca2、 Mg2、 HCO3-离子， 地下水中硫酸盐含量高 （见表 2） ， 且井 壁开始粉化的 - 440m 深度正好对应红层砂岩的顶 面。而副井作为主要进风井， 年温度变化大， 同时冬 季温度在 015℃时间相对较长， 部分井壁处于干湿 交替环境中， 这些因素对地下水腐蚀混凝土起到了 一定的催进作用。环境因素主要是通过影响硫酸盐 反应的条件或机理来影响混凝土的劣化速度， 不同 环境造成的混凝土受硫酸盐侵蚀的破坏形态也不 完全相同。混凝土硫酸盐腐蚀是一个复杂的物理化 学过程， 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 中一些组分发生化学反应， 生成一些难溶的盐类矿 物。这些难溶的盐类矿物一方面可形成石膏、 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， 另一方面也可使硬化水泥 石中的 CH 和 C- S- H 等组分溶出、 分解， 导致水泥 石强度和粘结性能损失。 3井壁腐蚀粉化治理主体思路 根据井壁粉化破坏机理研究成果， 基本确认东 滩煤矿副井 - 440m 以下基岩段地下水中高浓度的 SO42-离子对混凝土的物理和化学侵蚀是造成副井 基岩段井壁粉化腐蚀破坏的主要原因。本次治理也 将主要针对 SO42-离子进行， 防治的主题思路是隔绝 SO42-离子与井壁混凝土的联系，由于 SO42-离子赋 存于井壁的淋水之中， 隔绝井壁淋水与井壁的联系 是井壁粉化防治的根本途径。 隔绝两者的联系主要有两种途径， 一是对井壁 出水点进行封堵， 使其不直接作用于井壁上， 二是 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加固及表 层处理措施。即针对副井井壁粉化的治理的主题思 路为井壁淋水治理 井壁严重粉化段修复加固 井壁表层涂层处理 （见表 3） 。 表 3副井井壁粉化治理方案设计 4井壁腐蚀粉化治理情况 4.1井壁淋水治理 副井井壁 - 440m 以深腐蚀粉化集中段井壁渗 漏水点较为分散， 采用顶点注浆的方式进行单水点 封堵。单水点封堵施工时， 在距离水点 0.51.0m 位 置向水点过水通道及近水源位置施工 24 个注浆 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 混凝土 强度等级 水灰比 水泥 kg/m3 砂 kg/m3 石 kg/m3 减水剂 kg/m3 氯化钙 kg/m3 食盐 kg/m3 其他 kg/m3 C300.4630072612361.563 水样 编号 物质含量测试结果 （mg/L ） pH 值 KNaCa2Mg2Cl-SO42-HCO3-CO32- DTFJ- 2881.21700056.7275.63196.8632.828.69 DTFJ- 3601.11700055.6675.43196.8636.18.73 DTFJ- 4190.31971.730.5593.9494.21181.5738.968.78 DTFJ- 4766.52450 225.05 56.92 152.08 5851.67 120.1207.68 DTFJ- 4766.22830 232.38 58.98 151.37 6497.73 102.343.257.92 DTFJ- 550 3.41395 102.18 28.74 100.32 3120.49 151.859.748.22 治理措施施工目的治理段 （区域）施工工艺施工要点 井壁淋水治 理 使腐蚀性水不直 接 作 用 于 井 壁 上，驱除井壁粉 化破坏的诱导因 素。 井 深 440m 以 下段单水点封 堵 壁后注溶液 型化学浆封 堵井壁淋水 控 制 注 浆 压 力；注可注性 好的， 弱非腐 蚀的化学浆液 严重粉化段 修复加固 保护井下人员、 设施的安全， 加 固井壁，减缓井 壁腐蚀破坏。 井 深 132m 至 下井口段壁面 清 理 ， 井 深 440m 以下粉化 区域修复加固 锚网 喷射 混凝土 锚杆间距 1m， 采用 C30 的钢 纤维混凝 土 ， 分层喷射 井壁表层涂 层处理 隔绝或减少腐蚀 性水等向井壁混 凝土渗入，保护 井壁混凝土。 井 深 440m 至 下井口井壁 井壁表面硅 烷浸渍 保 证 喷 洒 的 量， 两遍喷洒 164 ChaoXing 孔。合计封堵水点 12 个， 施工注浆孔 35 个。 注浆采用可注性及可控性较好的 ZK- Ⅲ溶液 型高分子化学浆液， 合计消耗化学浆液 10t。根据副 井井壁厚度、 强度及腐蚀现状， 结合相关井壁注浆 经验， 井壁注浆终压设计为 4.0MPa， 注浆过程严格 控制注浆压力， 没有发生井壁破裂现象。 注浆前副井总渗漏水量约为 3.5m3/h， 注浆后井 壁淋水控制较好， 无明显的渗漏点分布， 目测井筒 总淋水量约为 0.2m3/h。 4.2井壁严重粉化段修复加固 从技术可靠性、 施工的难度、 工程成本综合考 虑， 采用了 “锚网 喷射混凝土” 的方式对井壁严重 粉化区域进行修复加固。先清除井壁已经粉化及强 度减弱的混凝土，然后在粉化井壁区域安装锚杆、 固定钢筋网， 最后喷射混凝土， 进而完成修复工作。 “锚网 喷射混凝土”修复治理针对粉化面积大于 0.5m2， 粉化最大深度大于 5.0cm 的区域进行。 锚杆选用规格为 Φ20500 的高强螺纹锚杆， 配置高强托盘，锚固剂采用 K2850 树脂锚固剂， 锚 杆固定采用全锚的方式。 采用直径 6.5mm 的钢筋制 备的钢筋网， 钢筋的间距设计为 100mm。采用 C30 的钢纤维喷射混凝土。 合计完成井壁修复区域共 5 个， 共施工锚杆 63 根 （Φ20500mm ） ， 钢筋网片 21.31m2（Φ6.5mm 钢 筋焊制而成， 钢筋间距 100mm ） ， 喷浆面积 69.25 m2， 共用喷浆料 7.5 吨， 修复加固后井壁观感质量较好。 4.3井壁表层涂层处理 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。采用混凝土表面硅烷浸渍法进行处 理， 此方法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。 本次硅烷浸渍处理对井深 440m 以下至下井口 700m 段井壁进行喷洒处理，总跨度 260m 左右， 处 理的总面积约为 6500m2。对于井壁非粉化区域进行 两遍喷洒， 井壁粉化区域进行三遍喷洒。共消耗硅 烷浸渍剂 1.6 吨。 5结论 1） 东滩煤矿副井井深 - 440m 以下基岩段井壁 粉化严重， 通过相关理论及试验研究， 发现井壁粉 化的机理分为内因和外因两个方面， 内因方面主要 是混凝土掺入的氯化物严重超标， 外因为井壁淋水 中高浓度的 SO42-离子对混凝土的腐蚀作用。 2） 副井井壁腐蚀粉化治理的主题思路是隔绝 高 SO42-含量的井壁淋水与井壁混凝土的联系， 在此 基础上辅助采用破裂井壁修复加固及表层处理措 施， 具体治理措施为 井壁淋水治理 井壁严重粉 化段修复加固 井壁表层涂层处理。 3） 目前副井井壁治理已逾两年时间， 水点封堵 后无返渗现象， 锚网喷修复区域与井壁契合程度依 然较好， 井壁腐蚀粉化现象明显减弱。东滩煤矿副 井治理经验可为类似混凝土腐蚀粉化治理提供借 鉴。 参考文献 [1]Qian Z W, Jiang Z Q,Guan Y Z, et al. 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