立井井壁破裂原因分析及其預防和加固措施

王兵

（山西省煤炭工業(yè)廳基本建設局，山西 太原 030006）

立井井壁破裂原因分析及其預防和加固措施

王兵

（山西省煤炭工業(yè)廳基本建設局，山西 太原 030006）

分析了立井井壁破裂的原因，指出了立井井壁破裂的主要原因在于豎向附加應力，并著重介紹了立井井壁破裂的預防措施和井壁破裂后的加固措施監(jiān)測手段。

井壁破裂；原因；預防措施；加固措施

伴隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，建成了一批大規(guī)模礦井，需要解決某些復雜技術(shù)問題，其中有些立井井壁出現(xiàn)裂紋，甚至發(fā)生有破裂現(xiàn)象，立井井壁的破裂嚴重影響著礦井的安全生產(chǎn)，應當認真分析立井井壁破裂的原因。

1 立井井壁破裂的原因分析

施工質(zhì)量問題，持此觀點的人認為，井壁不管在設計基礎、還是受力方式上都是正確的，導致井壁破裂原因是由于施工質(zhì)量，導致混凝土井壁的實際強度低于設計值，井壁沒有足夠的強度抵御水平地壓，最終導致井壁破裂。

設計不合理造成井壁強度先天不足，實際工作中的設計人員分析載荷時，往往只考慮來自地壓力和混凝土井壁自重的載荷，忽視了來自不穩(wěn)定地質(zhì)條件下地層的不均勻下沉增加的載荷，而使井壁承受不均勻附加載荷，最終導致井壁破裂。

負摩擦力造成井壁破裂，由于疏、排水等原因引起井筒周圍柔性土層的下沉，從而使剛性井壁產(chǎn)生一個側(cè)向向下的負摩擦力，這種負摩擦力導致井壁破裂［1］。

地應力的地質(zhì)原因是由于地震及地殼的運動造成地應力加大，地層沿垂直和水平方向發(fā)生了相對位移，最終導致井壁在地應力作用下發(fā)生破裂。

井壁豎向附加應力引起井壁破裂者認為作用于井壁的豎向附加應力是造成井壁破裂的主要原因。地層底部含水層疏水、季節(jié)溫度變化以凍結(jié)井壁的凍融等因素是產(chǎn)生豎向附加應力的原因，其中主要原因是由于底部含水層疏水。井壁破壞是因底部含水層排水使地下水位下降，造成地層中有效應力增加，使井壁周圍地層固結(jié)而下沉。由于底部含水層疏排水使地下水位下降（包括地表用水和開鑿礦井所造成的），井壁與周圍土體的界面作用，在井壁外側(cè)面產(chǎn)生了一個向下的摩擦力，導致井壁破壞；季節(jié)冷熱溫度的變化和凍結(jié)井壁的凍融引起井壁相對土層的熱脹冷縮現(xiàn)象，而使井壁外側(cè)面產(chǎn)生一個摩擦力。礦井井壁的破裂是由外部因素和內(nèi)部因素共同作用的結(jié)果。究其主要原因是由于井壁上的豎向附加應力所引起的。

2 立井井壁破裂的預防措施

2.1 井壁結(jié)構(gòu)設計的合理化

井壁結(jié)構(gòu)設計的合理化，首先要重新考慮設計載荷的分配，設計時應充分考慮井壁抵抗附加應力的能力，應按組合圓筒設計理論進行內(nèi)外井壁的優(yōu)化設計，要在多發(fā)事故區(qū)域段內(nèi)，重點考慮井壁的強度和剛度。采用凍結(jié)法施工時，形成的凍土層，在前期是對井筒的一種臨時保護措施；當其完工后，其作用就會消失；當其解凍后，由于圍巖沉降，會對井壁造成破壞。內(nèi)、外井壁之間的空隙，可以有效預防不均勻沉降所帶來的附加載荷；設計時不能將內(nèi)、外井壁結(jié)合成一個整體，外井壁的接茬比較多，致使其防水性能較差，設計時應充分考慮內(nèi)井壁的設計強度，應能抵抗來自水的壓力對井壁的影響。這些因素在井壁設計時都應考慮在內(nèi)。

2.2 加強施工質(zhì)量的保證

采用凍結(jié)法施工的礦井，由于井壁在井下施工，現(xiàn)場條件惡劣，環(huán)境溫度較低，混凝土在這樣條件下得不到很好的養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期長，強度增長緩慢，混凝土強度往往達不到設計等級。再者，井壁由于受到凍結(jié)壓力的影響，致使井壁外表面比較粗糙，整體性差，會出現(xiàn)蜂窩麻面現(xiàn)象。從破壞的井筒來看，普遍存在著施工質(zhì)量問題，混凝土水灰比控制不嚴，有漏筋現(xiàn)象，鋼筋綁扎不符合規(guī)范，混凝土強度等級達不到設計值等，致使井壁常會出現(xiàn)脫落和修補現(xiàn)象。所以加強施工質(zhì)量的管理顯得尤為重要。

2.3 改進施工工藝

采用凍結(jié)法施工厚表土井壁結(jié)構(gòu)時，為了緩解凍結(jié)壓力對井壁的影響，可施工時，在外壁和井幫之間墊2～3層泡沫板，或用小砌塊進行支護，相當于在井壁與土體之間增加了一個滑動面，可以減弱凍結(jié)井壁與外層井壁之間的摩擦力，有效地減小作用于井壁的豎向附加應力。施工時在內(nèi)外井壁之間加設柔性防水材料（例如瀝青層等），一方面可以減弱作用于井壁的豎向附加應力，使內(nèi)壁承受均勻地壓，改善其受力狀況；另一方面還可起到防水抗?jié)B的作用。實踐證明，改進施工工藝可有效地減小豎向附加應力對井壁的影響，保護井壁安全。

2.4 準確掌握礦井水文地質(zhì)資料

在新井開工前打安全檢查孔，對含水層做分層抽水試驗等，都是為施工提供可靠的水文地質(zhì)資料。準確的掌握水文地質(zhì)資料對于礦井的設計和施工都是至關(guān)重要的。由于水文地質(zhì)資料的不準確，給井壁帶來安全隱患的實例很多。

3 立井井壁破裂的加固措施

豎向附加應力是導致井壁破裂的主要原因。對井壁加固時，主要從井壁、地層、水頭三個方面加以考慮。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)的加固措施

鋼結(jié)構(gòu)的加固方法在治理破裂井壁中最先被采用，它是利用槽鋼井圈結(jié)構(gòu)阻止井筒的進一步破壞。具體做法是：在井壁內(nèi)緣架設18號～22號槽鋼鋼圈，間距在0.2～0.4m之間，縱向采用鋼軌聯(lián)接，間距在1.0～1.5m之間，使其連為一個整體，在井壁破裂處采用槽鋼做背板，結(jié)構(gòu)表面噴射高強度混凝土。鋼結(jié)構(gòu)加固措施施工速度快，見效直接，但是由于鋼結(jié)構(gòu)強度低，抵御不了井筒的豎向和徑向變形，限制了其適用范圍，只能作為臨時加固措施，不能從根本上消除井筒破壞隱患。

3.2 破壁注漿加固措施

這種方法是在井壁上鉆孔，將漿液穿過井壁灌注到井壁周圍一定范圍內(nèi)的巖土層或強風化巖層中，加強井筒周圍巖土層的穩(wěn)定性，并可防止周圍地層的失水沉降。破壁注漿可以在井筒周圍形成一個帷幕帶來承受附加應力，改變井壁的受力狀態(tài)，使之得到改善。同時破壁注漿還可填充井壁周圍的空隙，進一步提高了井壁自身的防水、抗?jié)B能力。

破壁注漿加固是作為鋼結(jié)構(gòu)加固的后續(xù)方法，它的針對性強、施工質(zhì)量可靠，但是破壁注漿的帷幕通常只有1～2m，很難達到根治破裂井壁的目的。

3.3 卸壓槽的加固措施

從力學機理上考慮井壁加固，一是“讓”；二是“抗”。在井壁開卸壓槽措施治理破裂井壁技術(shù)，就是對豎向附加力采用“適應”，即“讓”的技術(shù)［2］，卸壓槽的加固是使井壁在豎直方向上產(chǎn)生適當?shù)淖冃危晕崭郊討诋a(chǎn)生變形，同時卸壓槽還應保證有足夠的強度和剛度抵抗水平地壓。卸壓槽的開設位置可選擇在底部含水層或強風化帶高應力區(qū)段的內(nèi)井壁上，開設方式以水平環(huán)形槽為宜，并應填充可塑性材料（如瀝青防腐松木塊等），使井壁有可壓縮性變形，使井壁能隨地層的沉降而壓縮。這樣，卸壓槽就可吸收作用在井壁上的豎向附加應力，防止井壁破壞。卸壓槽的開設數(shù)量一般設1～2個，可視表土層厚度和井壁的破損情況而定；當破損帶距表土層與基巖分界面較遠時，應設2個卸壓槽，以達到分段吸收附加應力的效果。卸壓槽的位置一般設在井壁破裂帶或者表土與基巖交界的上方為佳，這可更好地將自上而下的豎向附加應力傳遞到開好的卸壓槽上，以防二次破壞。卸壓槽的開設降低了井壁的豎向剛度，吸收了附加應力對于井壁的豎向變形，保證了井壁的整體結(jié)構(gòu)的完整性，充分體現(xiàn)了“讓”的特性,同時可以縮小卸壓槽處井壁徑向變形，實踐證明，在井壁上開設卸壓槽加固措施是經(jīng)濟、合理、可行的一種井壁加固措施。

3.4 地面注漿加固措施

地面注漿就是從地面打孔注漿，將漿液注入到井筒外圍的松散層底部含水層段和強風化段基層，就可使井筒周圍形成一個大范圍的注漿帷幕。注漿帷幕，首先可以防止井筒附近底部含水層和強風化段基巖的水滲漏，使帷幕內(nèi)的含水層和強風化帶不再產(chǎn)生失水，起到保護井壁免受侵蝕的作用；其次可以提高注漿處底部含水層和強風化帶的強度，減小其豎向變形，從而達到減小土與井壁的間豎向附加應力的作用。

地面注漿材料的選擇應該遵循提高巖土層力學性能；起到防滲堵漏的作用；選用超細材料，保證漿液的擴散性;選用材料時應考慮巖土層中含有的酸、堿或者其他有機物質(zhì)是否與注漿材料發(fā)生有害的化學反應；經(jīng)濟適用的原則。一般選用水泥類漿液（配以早強劑、速凝劑、塑化劑、懸浮劑等附加劑）、水泥-水玻璃類漿液、粉煤灰水泥漿材、脲醛樹脂類注漿材料。大量實測資料表明，凡采用地面注漿法加固的井壁基本上達到了根治的目的，相應典型事例很多。

以上幾種加固措施并不一定單獨使用，應根據(jù)井筒的實際情況，可選擇幾種措施聯(lián)合加固（例如：鋼結(jié)構(gòu)+破壁注漿+卸壓槽），使之效果更佳；目前通用的行之有效的辦法，還是按照“豎讓”與“橫抗”相結(jié)合的治理原則來制定加固措施。

4 加強井壁監(jiān)測工作

加強井壁監(jiān)測就是要實時監(jiān)控井壁的受力和位移變化情況，為煤礦井壁破裂預防防治提供可靠依據(jù)。長期建立井壁監(jiān)測系統(tǒng)，及時準確掌握井壁的應力和應變變化情況，從根本上保證安全生產(chǎn)，具體做法可有：井架和井筒周圍設置沉降觀測點，定期進行沉降觀測與記錄（尤其在新井建成一年內(nèi)）。在井壁（尤其是在重點部位）安裝應力和應變觀測裝置。定期觀測井壁附近的水文鉆孔水位變化情況。

［1］倪興華、隋旺華，等.煤礦立井井壁破裂防治技術(shù)研究［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2005.

［2］陳群忠，楊東英.特厚第四系覆蓋層內(nèi)井壁破裂機理分析與治理［J］.煤礦安全，2002，33（1）：29-30.

Analysis of Shaft-lining Ruptures and its Measures of Prevention and Reinforcement

WANG Bing
（Bureau of Capital Construction of Shanxi Coal Industry Office,Taiyuan Shanxi 030006,China）

By the analysis of shaft-lining ruptures,the paper indicates the main reason of ruptures lies in the vertical additional stress and introduces prevention measures and monitoring means to its reinforcement measures.

Shaft-lining ruptures;Reasons;Prevention measures;Reinforcement measures

TD262.2

A

1672-5050（2010）03-0060-03

2009-11-20

王 兵（1971—），男，山西太原人，工程師，注冊安全工程師，安全評價師，從事礦山基建設計工作。

劉新光