張振虎

（河南能源化工集團永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

河南能源化工集團永煤公司陳四樓煤礦主井于1992年3月17日竣工，采用凍結(jié)法施工。主井井筒凈直徑為5.0 m，井筒全深為499.077 m，實際穿過厚度為368.28 m的沖積層。井壁結(jié)構(gòu)為雙層鋼筋混凝土復合井壁[1]，井壁總厚度為1～1.6 m，砼標號為400#～550#，內(nèi)外層井壁間鋪設一層1.5 mm的塑料夾層。1999年5月、2017年6月、2018年5月、2019年8月由于井壁破裂、淋水等現(xiàn)象，共進行四次修復，主要采用架設槽鋼井圈+壁間注漿等方式進行臨時修復。由于臨時修復后井壁短時間內(nèi)再次出現(xiàn)破裂、淋水現(xiàn)象，且周期逐漸變短，影響礦井安全生產(chǎn)，故需對主井井壁進行永久修復，以改變井壁受力狀況，防止井壁破裂。

1 井壁破裂機理

由于采礦活動、地下水位下降等各種原因?qū)е碌貙诱w下沉，地層下沉過程中拖動井壁下沉，給井壁施加了一個豎向的附加力[3]。隨著附加力的逐步增大，最終超出了井壁的承受極限，導致井壁短時間內(nèi)出現(xiàn)破裂，部分應力釋放。但隨著地層的下沉，井壁仍會再次出現(xiàn)破裂，且井壁的強度越大、可縮量越小，破裂發(fā)生的越迅速。

2 井壁修復技術(shù)路線

改造井壁受力結(jié)構(gòu)，在內(nèi)層井壁開鑿一環(huán)形卸壓槽，安裝可縮裝置，釋放井壁中積蓄的能量，創(chuàng)造內(nèi)層井壁易隨地層下沉的條件，減小井壁與地層間的相對位移，達到防止井壁破裂災害發(fā)生的目的。該技術(shù)路線具有井壁可縮量大、限載、讓壓性能良好、治理效果明顯、持續(xù)時間長等優(yōu)點，但工藝流程復雜，治理周期長，且修復期間需要占用井筒，影響礦井正常生產(chǎn)。

3 井壁修復方案

3.1 凍結(jié)封水、堵沙

井壁安裝可縮裝置期間，需要開挖、破除部分內(nèi)層井壁，安裝可縮裝置后重新澆筑混凝土。由于破除內(nèi)層井壁期間存在較大的突水、潰沙風險，為了將施工期間的風險降至最低，采用凍結(jié)法[3-5]封水、堵沙，即在井筒周圍施工凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔內(nèi)下入凍結(jié)器，用人工制冷法在井壁周圍形成凍結(jié)壁，完全阻斷表土含水層與井筒的聯(lián)系，為井筒內(nèi)壁開槽和安裝可縮裝置提供安全保障。由于凍結(jié)施工的主要目的是防突水、潰沙，凍結(jié)工期較短，凍結(jié)壁交圈即可，凍結(jié)壁厚度選取4 m，凍土平均溫度-5 ℃，凍結(jié)孔布置在以井筒為中心、邊長為30 m的正方形邊線上，凍結(jié)孔平均間距為1.714 m，凍結(jié)深度378 m。

為防止凍結(jié)壁過度發(fā)展產(chǎn)生的凍脹融沉影響主井井塔穩(wěn)定，在以井筒為中心、邊長為26 m的正方形邊線上布置溫控孔，溫控孔平均間距為2.8 m，深度46 m，數(shù)量37個；同時在水流的上方、側(cè)方等地點布置5個測溫孔，深度為378 m，對凍結(jié)溫度進行觀測；另外在井塔外距井塔基礎角點0.5 m處設置4個水文觀測孔，深度分別為126 m、193 m、258 m、298 m，用于后期判斷凍結(jié)壁是否形成。

凍結(jié)孔、溫控孔等鉆孔采用水文2000鉆機施工，凍結(jié)期間根據(jù)需要選用7套冷凍機組制冷，配備大型蒸發(fā)式冷凝器，選取氯化鈣鹽水作為冷媒劑，鹽水比重1270 kg/m3，凝固點為-43.6 ℃，開機87 d后形成凍結(jié)壁。

3.2 壁間、壁后注漿

凍結(jié)交圈前改造箕斗施工平臺，在地面建立臨時注漿站和攪拌站，通過井筒內(nèi)敷設的Φ38 mm注漿管路，對主井-267.4 m/-365 m位置（安裝可壓縮裝置）上、下15 m范圍采用“上行”方式進行壁間注漿堵水。鉆孔排距5 m，每排均勻布置6個Φ50 mm鉆孔，孔深0.85 m（井壁打孔時，鉆桿采用限位裝置嚴格控制鉆孔深度，鉆孔進入外壁深度不大于75 mm），孔間距為2.61 m，排與排之間呈三花型布置。凍結(jié)交圈后，利用井壁修復吊盤作業(yè)平臺，在每道壓縮層上、下2 m范圍布置壁后注漿孔，排距3 m，每排均勻布孔6個，孔間距2.61 m，排與排之間呈三花型布置，共計6排（-264 m、-267 m、-270 m、-361 m、-364 m、-367 m），36個注漿孔，壁后注漿孔設計深度1.9 m（打透外壁進入圍巖300 mm為準）。凍結(jié)交圈及壁后注漿結(jié)束，在卸壓槽開槽前，利用井壁修復作業(yè)平臺，在開槽區(qū)域上、下1 m范圍間布置3排探水孔，探水孔排距1.8 m，每排均勻布孔4個，孔間距3.925 m，共計6排（-264.8 m、-266.6 m、-268.4 m、-362.4 m、-364.2 m、-366 m），24個探水孔?？蓧嚎s層開槽段高內(nèi)以壁間探水孔為主，壁間探水孔深度應穿透內(nèi)壁超過50 mm；開槽段高上、下應以壁后探水孔為主，壁后探水孔深度應穿透外壁300 mm。即，-266.6 m和-364.2 m處探水孔孔深為0.85 m，其余探水孔孔深為1.9 m。打孔時，鉆桿均采用限位裝置嚴格控制鉆孔深度。兩道壓縮層壁間、壁后探水檢查孔施工期間，如果孔內(nèi)均無涌水、涌沙情況，則達到井壁開槽范圍壁間、壁后注漿堵水目的。

井壁注漿鉆孔選用YTP-28型氣腿式鑿巖機 施 工，地 面 輸 漿 泵 選 用2ZBSB（1.9～7.6）/（11～3）-11型雙液變量注漿泵，井筒內(nèi)注漿選用2ZBYSB9.0～2.4/1～18-18.5型電動液壓注漿泵。

3.3 破除內(nèi)壁、安裝可縮裝置

-267.4 m/-365 m可壓縮層安裝位置井壁需進行爆破開槽，開槽高度1.6 m，以滿足可縮裝置安裝、焊接工作。開槽處井壁采用“分區(qū)爆破、豎向掏槽、兩側(cè)擴刷、光面爆破”的方式進行，以確保井壁的穩(wěn)定性、開槽邊界的整齊性。爆破選用煤礦許用T320型水膠炸藥，其中掏槽區(qū)、擴刷區(qū)及光纜保護區(qū)選用Φ35 mm×250 g的水膠炸藥，光爆區(qū)選用直徑為Φ27 mm、重量為330 g的水膠炸藥。爆破區(qū)域劃分示意圖如圖1。

圖1 爆破區(qū)域劃分示意圖

可壓縮裝置為管板組合鋼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可壓縮量較大，能夠達到裝置本身高度的70%，且該裝置上下面板與中間鋼管焊接后能夠形成密實的腔體結(jié)構(gòu)，具有良好的防水性?？蓧嚎s裝置分為6個弧段，可壓縮裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 可壓縮裝置結(jié)構(gòu)示意圖

可壓縮裝置安裝流程：井筒圓周分區(qū)、井壁逐段爆破開槽→割除豎筋、環(huán)筋→逐塊下放、安裝法蘭盤→法蘭盤校正、整體焊接→法蘭盤底部混凝土充填→可縮弧逐塊就位、固定→可縮裝置圓周整體校正、上面平立焊→可縮弧整體起吊進行下部焊接→焊接口鋼板封堵→可壓縮裝置上部鋼筋連接→立模澆筑混凝土。

為防止卸壓槽上、下因應力集中造成井壁破裂，在卸壓槽上、下各1 m范圍架設20b槽鋼井圈。每段井圈用2根Φ22 mm樹脂錨桿錨固于井壁上，錨固深度450 mm，井圈間用不銹鋼螺栓等強連接，井圈外徑為4950 mm，井圈與井壁之間空隙采用高強灌漿料充填密實。

3.4 破壁立模灌漿+架設井圈

兩道可壓縮層安裝完畢后，對主井井壁-173～-175 m/-188～ -192 m段破裂區(qū)域上、下15 m范圍采用“上行”方式進行壁間注漿堵水，注漿方式與3.2基本一致，不再贅述。該段井壁也可與前期注漿施工一并進行。

注漿加固結(jié)束后，在-188～ -192 m破裂段下方0.5～0.8 m位置架設1～2架20b槽鋼井圈作為托模井圈，采用“人工風鎬擴刷”、“短掘短支”的施工方法，由下向上進行逐層擴刷破壞段井壁，每次破除段高1 m，破除深度根據(jù)井壁破裂情況具體確定。破除結(jié)束后利用托模井圈安裝30 mm厚鋼板井圈1道（每道共10段，每段段高0.5 m，弧長1.6 m，鋼板井圈入井前提前在地面按照1～10號的順序編號和防腐處理)，鋼板下弧面插入到上道鋼板的V型槽內(nèi)，弧形鋼板邊角位置通過專用卡子、螺栓進行固定。每安裝2層（1 m高）鋼板井圈并焊接結(jié)束后，及時澆筑C60混凝土進行充填?；炷脸跄?，在鋼板井圈的預留孔位置安裝Ф22 mm×600 mm樹脂錨桿與井壁進行固定，錨桿密度不低于1根/m2，按照由下而上的順序循環(huán)安裝、焊接和澆筑混凝土施工。

3.5 施工期間的注意事項

（1）部分鉆孔的開孔位置受現(xiàn)場設施、條件影響，需要造斜施工，難度較大，需制定詳細的施工方案和糾偏措施，保證凍結(jié)孔按照設計施工，避免凍結(jié)壁出現(xiàn)薄弱點。

（2）凍結(jié)制冷介質(zhì)選用氨氣，為有毒有害氣體，凍結(jié)期間需做好氨氣的防泄漏工作。

（3）凍結(jié)壁厚度一旦按照設計值形成，需要嚴格控制凍結(jié)鹽水的溫度，避免凍結(jié)壁過度發(fā)展，產(chǎn)生凍脹效應，對井壁造成破壞；同時需要做好測溫孔、溫控孔的日常觀測工作，做好預警管理。

（4）由于主井井口建有井塔裝置，井筒修復期間需做好沉降觀測及井塔偏斜觀測，直至凍結(jié)壁融化消除，避免凍脹融沉造成井塔偏斜，威脅主井安全提升。

（5）需詳細論證可壓縮層的安裝位置，盡量安裝在隔水地層中，同時兼顧卸壓需要，建議由專業(yè)資質(zhì)的部門出具修復方案。

4 結(jié)語

陳四樓煤礦主井于2019年10月20日開始施工凍結(jié)鉆孔，2020年7月31日修復結(jié)束，歷時286 d，其中準備籌劃、凍結(jié)205 d，井壁修復81 d，最終圓滿修復結(jié)束。目前井壁狀況良好，無開裂、淋水現(xiàn)象，達到預期目的。陳四樓煤礦主井的順利修復為類似礦井修復提供了借鑒。另建議新施工的井筒，在設計、施工期間同步安裝可壓縮裝置，以提高井筒的安全服務年限。