靜態破碎在副立井井壁修復中的應用實踐

摘 要：文章以陜西省麟游縣園子溝煤礦副立井井壁-566.00m～-573.2m破壞段作為工程背景，研究該破壞段井壁返修實踐應用技術。依據靜壓破碎原理修復破壞段井壁，在井壁破除中選用靜態破碎劑，并通過現場試驗開展了應用前、后效果對比分析。實踐結果表明，該方法切實可行，具有節省材料、降低工程造價、縮短返修工期、減少圍巖擾動破壞影響等優點。該方法的成功應用可為類似工程提供參考依據和科學指導，值得推廣借鑒。

關健詞：靜態破碎；副立井井筒；井壁修復；應用實踐

1 工程背景

1.1 副立井井筒概況

園子溝礦井位于陜西省麟游縣境內，井田北以陜、甘為界，南以礦權邊界線為界，西以麟游區邊界為界，東以無煤區與丈八井田相隔。井田東西長12.2～20.4km，南北長5.3～13.2km，面積241.5km2。該礦井采用“三條立井”單一水平開拓全井田，設計井筒施工采用凍結法施工，凍結段井筒采用雙層井壁結構。

園子溝礦副立井井筒設計井深616.42m，井筒凈直徑9.2m，最大開挖直徑11.9m，井筒凈斷面S凈=66.48m2，鋼筋混凝土支護（厚度1350～650mm），井筒上部采用凍結法施工，凍結深度365m；下部采用普通法施工。井筒共分為四個部分：井口鎖口段、凍結段、井筒基巖段、副井井底與井底車場連接處及井底水窩段：

（1）井口鎖口段（±0～-7m段）。設計臨時支護為磚砌，支護厚度1000mm。掘進斷面S掘=98.52m2。

（2）凍結段（-7～-350.42m段）。-7～-350.42m為雙層井壁段，設計為雙層井壁，雙層鋼筋混凝土澆筑。其中-7～-204.42m段：掘進斷面S掘=98.52m2，壁厚1000mm，內壁厚550mm，外壁厚450mm，內壁為C50砼，外壁為C40砼。-204.42～-350.42m段：掘進斷面S掘=111.22m2，壁厚1350mm，內壁厚900mm，外壁厚450mm，內壁為C60砼，外壁為C40砼。

（3）井筒基巖段（-354.42～-587.5m段）。-354.42～-567.5m段，掘進斷面S掘=86.59m2，設計為C50鋼筋混凝土支護，支護厚度為650mm。-567.5～-580.5m段，掘進斷面S掘=88.25m2，設計為C50鋼筋混凝土支護，支護厚度為700mm。

（4）副井井底與井底車場連接處及井底水窩段（-580.5～-616.43m段）。

1.2 井壁變形破壞情況

園子溝礦副立井井壁在施工完成后發生局部井壁變形破壞，破壞段位于-566.00m～-573.2m，其井筒分兩模澆筑完成，模板段高3.6m，分二段施工，施工起始時間2013年11月27日～11月30日，累計砼使用方量230m3（設計方量為156.6m3）。破壞情況如下：

（1）井筒北側：設備通道底板預留梁窩處至北側馬頭門頂板之間出現豎向裂隙，并且局部保護層開裂掉落，外露的內側環向鋼筋出現整體向外彎曲。

（2）井筒南側：安全通道底板預留梁窩處至南側馬頭門頂板之間出現縱裂隙，并且局部保護層開裂掉落，外露的內側環向鋼筋出現整體向外彎曲。如圖1所示。

1.3 井壁變形破壞原因分析

結合上述園子溝礦副立井井壁-566.00m～-573.2m破壞情況，總結得出以下幾點破壞原因：

（1）變形段井壁位于軟弱巖層群處，巖石強度均不高，承載能力低；（2）泥質成分含量高，遇水弱化程度高；（3）井筒淋水導致泥巖膨脹、弱化；（4）馬頭門、行人通道及設備通道構成南北向弱面、地層傾向及地質構造原因，受東西向地應力擠壓，導致礦壓顯現；（5）處于硐室巷道群，相互影響互相擾動嚴重、開挖面積大，巖石承壓能力減弱；（6）該段處于井底部位馬頭門斷面大，應力釋放的主要區域。

2 井壁破壞段破除機理分析

為了返修園子溝礦井副立井-566.00m～-573.2m破壞段井壁，需要先破除原有的鋼筋混凝土井壁，破除方法盡量采用圍巖無擾動的破除技術，故此選用靜壓破碎原理。靜態破碎是利用裝入鉆孔中的靜態破碎劑的水化反應做功破壞介質[1-6]，水化反應表示為：

CaO+H2O→Ca（OH）2+6.5×104J （1）

當CaO轉變為Ca（OH）2時，其晶體由立方體轉變為復三方偏三角面晶體，這種晶型的變化會引起晶體體積的膨脹。根據測定，在自由膨脹的前提下，反應后的體積可增大1.3～1.4倍。膨脹壓力緩慢的施加給孔壁，經過一段時間后壓力可上升到30MPa～40MPa介質在這種壓力作用下會產生徑向壓應力和切向拉應力，使脆性材料在拉伸應力作用下，沿鉆孔之間產生裂縫，隨著膨脹壓力的增加裂隙逐漸擴展成裂縫，繼而導致介質破壞。

3 工程應用

依據文章靜壓破碎原理，在井壁破除中選用靜態破碎劑，其方案如下。

3.1 初始破除方案

破除段井壁混凝土強度C50，壁厚700mm，井壁主筋雙層Ф25。砼破除采用人工配合G9風鎬開挖。巖體開擴刷采用人工配合G9風鎬開挖，原鋼筋、網片采用氧氣割切除。井筒破裂段-566.00～-573.20m由下向上分四部分破除，每段破除寬度為7.23m（井筒周長的1/4），每次開挖段高為7.2m，破除順序：先北側→南側→東側→最后西側。破除后井筒擴刷（開挖）直徑要達到Φ11.4m，設計臨時噴砼支護100mm。

按原始破除方案施工時由于C50混凝土強度高，未破壞部分井壁完好單純用人工風鎬開挖每班開挖量約1.5m3且損壞大量鉗頭，費時費力，耽誤工期，直接影響到副井永久裝備和礦井的投產。

3.2 改進方案

在初始井壁破壞方案的基礎上，采用靜態破碎劑與人工風鎬開挖配合施工技術。其操作步驟為鉆孔→濕潤→裝孔→封口→開裂。施工工藝和施工技術如下：

3.2.1 施工工藝

（1）布眼前首先確定至少有一個以上自由面（臨空面），鉆孔方向應盡可能做到與自由面平行；切割混凝土時同一排鉆孔應盡可能保持在一個平面上；（2）使用鉆機鉆好孔后，應用高壓風吹洗干凈，孔口旁應干凈無土無渣；（3）經過試驗，水灰比（質量比）0.2：1時，靜態破碎劑有最大的膨脹壓力。因膨脹劑有少些腐蝕性應帶橡皮手套，裝藥深度為孔深的100%；（4）水平方向和向上的鉆孔，可用比鉆孔直徑稍小的高強度長纖維袋（水炮泥袋）裝入藥劑，按一個操作循環所需要的藥卷數量，放在盆中倒入潔凈水完全浸泡，50秒后藥卷充分濕潤、完全不冒氣泡時，取出藥卷從孔底開始逐條裝入并捅緊，密實地裝填到孔口，即集中浸泡，充分浸透，逐條裝入，孔口用失效錨固劑封上保證水分藥劑不流出、不沖孔；（5）每次拌藥量不能超過實際能夠完成的工作量。在浸泡過程中，取藥、加水、濕潤、裝孔過程應基本保持一致，可以讓每個孔內藥劑的最大膨脹壓基本保持同期出現，有利于混凝土的破碎；（6）濕潤過程中已經開始發生化學反應的藥劑不容許裝入孔內，從藥劑加入水到灌裝完成，這個過程的時間不能超過10分鐘，否則容易沖孔；（7）裝藥后，經過24小時反應時間介質即可自然開

裂。

3.2.2 施工技術參數

施工技術參數如表1所示。

表1 施工技術參數

3.2.3 施工準備

根據當地氣溫、藥劑溫度、拌水溫度、被破碎體溫度、是否與要求相符；檢查藥劑包裝是否破損。操作前確定已準備好以下材料物品：（1）藥劑；（2）潔凈水；（3）水桶、拌合盆；（4）捅棍；（5）防護眼鏡；（6）橡膠手套；（7）備用潔凈水和毛巾。

3.3 應用效果對比分析

在園子溝礦井副立井-566.00m～-573.2m破壞段井壁返修期間，采用靜態破碎劑應用于現場實踐中，該靜態破碎劑應用實踐效果如圖2所示。

通過圖2中（a-c）對比可看出：裝藥前與藥劑反應后，靜態破碎劑已經明顯改變了高強混凝土的內部結構使其破損出現明顯裂痕，鋼筋混凝土結構不再致密堅硬。配合人工風鎬開挖每班破除量可達到5～6m3，提高人工效率3～4倍，顯著縮短了施工工期，減少了材料消耗。

4 實踐成果

（1）靜態破碎劑可顯著改善高強混凝土的內部結構使其

破損出現明顯裂痕。（2）本次創新應用過期錨固劑拌合作為封口材料，封口效果良好達到廢物利用效果且有效的避免了沖孔的危險。（3）利用比鉆孔直徑稍小的高強度長纖維袋（水炮泥袋）裝入藥劑與水反應可避免腐蝕、控制裝藥時間、避免沖孔。（4）靜態破碎劑配合人工施工可廣泛的適用于大理石、花崗巖等石材開采，也適用于各種鋼筋混凝土建筑物的挖掘（破壞）。（5）靜態破碎劑有少些腐蝕性應帶橡皮手套操作，戴好安全帽、防護眼鏡、穿好勞保用品，現場應專門準備好清水和毛巾，沖孔時入藥劑濺入眼內和皮膚上，應立即用清水沖洗。

參考文獻

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[2]崔云龍.簡明建井工程手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2003.

[3]王懷義.試論黃淮地區立井井筒破裂原因及其治理對策[J].世界煤炭技術，1994（1）.

[4]尚永毅，李育林.路基石方劈裂靜態爆破技術的應用[J].西部交通科技，2013（8）：13-15.

[5]吳康寧.凍結法鑿井中的凍結管斷裂及其防治[J].安徽水利水電職業技術學院學報，2010，10（2）：43-45.

[6]周興旺.我國特殊鑿井技術的發展和展望[J].煤炭科學技術，2007，35（10）：10-17.

作者簡介：盧明皎（1987，12-），男，陜西商洛，本科，助理工程師，主要從事煤礦掘進支護等方面的研究工作，現為陜西麟北煤業開發有限責任公司技術員。

姜新才（1970，9-），男，陜西銅川，本科，高級工程師，主要從事煤礦安全方面的研究工作，現為陜西麟北煤業開發有限責任公司安全副總工程師兼安全監察部經理。

田建設（1973，5-），男，陜西富平，本科，高級工程師，主要從事煤礦生產、運營、管理、技術等方面的研究工作，現為陜西麟北煤業開發有限責任公司副總經理兼總工程師。