陽煤二礦龍門2號回風立井井壁支護方案優選

賈捷毅

（山西陽泉煤業集團有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

陽煤集團二礦龍門2號回風立井（原二礦龍門進風立井改造而成）位于龍門風井場地，于2005年9月建成。該井筒位于河道沖刷區域內，井筒往西10 m為河道，往東25 m為山體。該井筒凈直徑6 m，井深405 m。井筒井頸長16 m，采用C20混凝土支護，支護厚度0.6 m；井筒長389 m，采用C15混凝土支護，支護厚度0.4 m。2016年9月，宏廈一建準備在井筒內安裝梯子間和瓦斯管路時，發現井筒井壁多處開裂、破損。嚴重影響井筒回風功能，同時對井筒梯子間、瓦斯管等設備的安裝帶來很大困難。為此，需對陽煤集團二礦龍門2號回風立井井壁支護方案進行研究。

1 工程概況

本井筒穿越的最上部地層為第四系松散層，厚度為6.35 m，以黃土、回填砂礫石、河卵石為主；向下為黃色細砂巖，厚度1.65 m，風化易碎，節理發育；再下為灰白色泥巖，厚度7.8 m，弱風化，松軟，破碎；以上巖層累計厚度15.8 m，工程地質條件差。現井筒涌水量為8.6 m2/h。井筒基巖風化帶以下存在局部破碎及軟弱夾層，但總體工程地質條件相對較好[1]。

龍門2號回風立井破損地段及破損程度如下：

井口往下13～18 m：井壁表層有多處大面積脫落形成麻面，個別地段出現孔洞，最大孔洞長4 m、高0.4 m、深0.3 m。

井口往下18～40 m：井壁嚴重開裂、局部塌落、多處表層脫落形成麻面。有多處大面積麻面，個別地段出現孔洞，最大孔洞長3.5 m、高2 m、深0.4 m。

井口往下40～50 m：井壁表層有多處大面積脫落形成麻面，個別地段出現孔洞，最大孔洞長3.5 m、高2 m、深0.4 m。

井口50 m以下：從礦方提供的影像資料來看，井口50 m以下也存在大面積的表層脫落、井壁開裂及局部塌落情況，具體位置不詳。

2 井筒支護方案

2.1 井壁支護強度計算

1）按井筒裝備重量計算。龍門2號回風立井裝備梯子間和瓦斯管路，重新支護后的井壁支護強度應當按能承受所有井筒裝備的總重量進行核算。根據機械專業提供的參數：井筒內瓦斯管每段最大重量為23 t，采用45a工字鋼支撐（寬150mm），每24m一根，由14根Φ27mm-450mm錨桿固定；梯子間每段最大重量為1.5 t，采用22a槽鋼支撐（寬87 mm），每6 m一根；井壁厚度按400 mm計算，得出井壁混凝土承受工字鋼梁的抗壓強度為1.9 N/mm2，井壁混凝土承受槽鋼的抗壓強度為0.22 N/mm2，設計井壁抗壓強度按兩者疊加考慮，為1.9+0.22=2.12N/mm2。

2）按井筒所受地壓計算。別列贊采夫公式：P=γR0×[tan(45°-φ/2)/（λ-1）]，可知λ=2tanφtan（45°+φ/2）

式中：P為作用于井壁上的側壓力，MPa；γ為巖層容重，MN/m3，取 0.025 MN/m3；R0為井筒掘進半徑，m，取6.8 m；φ為巖層內摩擦角，（°），取72°。計算得P=1.1 MPa。

3）《煤礦立井井筒及硐室設計規范》（GB 50384—2007）中4.1.1第1條：用于立井支護的鋼筋混凝土，其混凝土強度等級不得低于C30；素混凝土強度等級不低于C25。

通過以上計算，結合規范要求，同時參考同類礦井立井井筒支護強度，本設計確定龍門2號回風立井重新支護的混凝土強度等級為C30，其抗壓強度為20.1 N/mm2，完全滿足支護要求。

2.2 方案提出

針對本井筒破損程度和破損地段，本次設計提出兩個方案。

2.2.1 對井筒重新澆筑混凝土支護（整體支護，方案一）

對井壁全部鑿除，重新支護，井頸段采用C30鋼筋混凝土，厚度600 mm，井筒采用C30素混凝土，厚度400 mm[2]。

具體施工工藝流程為：

1）鑿除井壁，露出基巖面；

2）對圍巖破碎地段、出水地段注水泥-水玻璃漿進行堵水、加固圍巖，注漿眼深5000 mm、間排距1500 mm；

3）對圍巖打注錨桿，錨桿使用普通螺紋鋼錨桿，間排距800 mm，錨桿托板使用150 mm×150 mm×10 mm鐵托板，后掛Φ6-100×100 mm鋼筋網。錨桿外端距基巖面300 mm，與鐵托板、鋼筋網一同澆入混凝土內，對混凝土起支撐與加固作用[3]；

4）對井頸澆筑C30鋼筋混凝土，厚度600 mm，對井筒澆筑C30素混凝土，厚度400 mm，澆筑后井筒凈直徑為6 mm。

圖1 方案一支護設計斷面圖

2.2.2 對破損地段重新噴漿支護（局部支護，方案二）

鑿除破損井壁，對井筒破損段進行錨噴支護，噴射混凝土強度等級C30，噴射厚度以噴至原井壁面為準。

具體施工工藝流程為：

1）鑿除破損井壁，露出完整穩固的基巖面或井壁面；

2）對圍巖破碎地段、出水地段注水泥-水玻璃漿進行堵水、加固圍巖，注漿眼深5000 mm，間排距1500 mm；

3）對圍巖進行錨網支護，錨桿使用普通螺紋鋼錨桿，間排距800mm，錨桿托板使用150mm×150mm×10 mm鐵托板，后掛Φ6-100×100 mm鋼筋網[4]；

4）錨網支護后噴射C30混凝土，噴射厚度以噴至原井壁面為準；噴射厚度超過200 mm時，應分兩次噴射；第一次噴射厚度200 mm，然后再掛一層鋼筋網作為支撐，隨后噴射混凝土至與原井壁面齊平，噴漿完畢后井筒凈直徑6000 mm。

圖2 方案二支護設計斷面圖（mm）

2.3 方案比選

設計對兩個方案進行技術經濟比較，見表1。

表1 井筒支護方案技術經濟比較表

2.4 方案確定

井筒建成后，破壞了原巖的應力平衡狀態，周圍巖體由三向受力變為二向受力，在應力的作用下，圍巖向井筒空間收斂變形，在強大的應力作用下很容易以點突變，各個擊破，整個支護系統失效，現在龍門2號回風立井即處于此狀態；如果僅對井筒破壞地段進行修復（本次設計的支護方案二），由于修復井壁與原未破壞井壁無法連為一體，各處承受的應力無法相互傳遞后分散，會造成應力在各自地段積聚，一旦該點應力大于所能承受的支撐強度，井壁必然破裂損壞，井壁破壞現象得不到根本解決。

本次設計的支護方案一，對現有井筒井壁支護全部鑿除后重新整體澆筑，整個筒身成為一體，共同承受來自圍巖的應力，受力均衡，支撐強度整體提高，很好地保持了井筒的穩定性。

通過上述分析及技術經濟比較，雖然方案一無論在施工工藝、工程造價上存在較大缺點，但考慮到龍門分區風井服務年限達44.7年，如果采用造價較低、使用壽命較短的方案二，勢必存在后期頻繁維護甚至二次停產修復的可能，故本次設計推薦方案一。

3 結語

本次設計對井筒原有支護全部鑿除，重新全長支護。井頸采用C30鋼筋混凝土支護，長度16 m，支護厚度0.6 m；筒身采用C30素混凝土支護，長度389 m，支護厚度0.4m。支護長度共405m，支護體積約3330 m3。施工完畢后應加強井筒區域地表水、含水層水的防治工作，減少井筒涌水對井壁的沖刷侵蝕破壞作用。