侯俊華，張 昆

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城273512）

0 引 言

井筒被稱為礦井的“咽喉”，承擔著運輸及通風的雙重重要任務，井筒的安全使用是整個礦井安全正常運行的前提[1-4]。井壁是井筒的主體結(jié)構(gòu)，是抵抗地壓、隔絕壁后高壓水的有力屏障，同時也是井筒中大量裝備安裝的著力點，井壁質(zhì)量是井筒安全運行的基礎(chǔ)[5]。近年來在我國發(fā)生多起因井筒井壁粉化、破裂、質(zhì)量缺陷、不合理井壁作業(yè)而引發(fā)的事故[6-11]。比如，沖積層段井壁破裂可能引發(fā)突水、潰砂事故，基巖段井壁塊狀坍塌可能造成井筒裝備損壞、井筒作業(yè)人員傷害的事故[4]。

東灘煤礦是兗礦集團支柱礦井，核定生產(chǎn)能力750 萬t/a，近年副立井在井深440m 以下段多處出現(xiàn)嚴重風化現(xiàn)象，混凝土粉化、石子墜落，威脅井筒裝備及人員安全。本論文研究分析了其風化的機理，制定了治理措施，治理經(jīng)驗對類似工程問題的防治具有借鑒價值。

1 副立井概況

東灘煤礦副井1980 年8 月20 日破土動工，到1981 年1 月21 日139m 表土凍結(jié)段施工結(jié)束，以下基巖段施工采用大段高單行掘砌方式施工，掘進段高控制在80m 左右，井壁砌筑采用液壓滑升模板，副井于1984 年建成，井筒直徑Φ8.0m，井深738.9m（包括29m 井底水窩）。表土層厚度108.4m，凍結(jié)深度139.0m，凍結(jié)段井壁為普通雙層鋼筋混凝土井壁，井壁內(nèi)外壁厚度分別為450mm、550mm，井壁混凝土設(shè)計強度C40；基巖段采用鉆爆法施工，井壁為單層素混凝土井壁，井壁厚度500mm，井壁混凝土設(shè)計強度C25。東灘煤礦副立井共裝備三個工作罐籠，一個配重器，北罐和中罐規(guī)格一致聯(lián)合提升，南罐配合以配重器獨立提升。采用球扁鋼組合罐道，工字鋼罐道梁，樹脂錨桿托架；并設(shè)梯子間及管線等。副立井是礦井設(shè)備、人員運輸?shù)闹饕ǖ?，兼作進風井和安全出口。

圖1 東灘煤礦副立井斷面圖

2 井壁風化概況及機理分析

2.1 井壁風化情況

2018 年初副立井減壓硐室出現(xiàn)兩次水管電磁閥損壞，較大流量水沿井壁下流，下井口發(fā)現(xiàn)石子下墜現(xiàn)象；水管維修完成后，隨進風井壁逐漸干燥，下井口出現(xiàn)揚粉現(xiàn)象。隨后礦方聯(lián)合中國礦業(yè)大學科研人員對井壁進行全面檢查，發(fā)現(xiàn)在副立井井深440m 以下段井壁出現(xiàn)嚴重風化現(xiàn)象，風化區(qū)段徒手可摳下風化物，風化混凝土石子與水泥、黃沙分離，清理過程中揚塵嚴重（見圖2）。井壁壁面已經(jīng)風化，出現(xiàn)蜂窩、麻面、石子裸露的區(qū)域大約占總面積的20%，嚴重風化區(qū)域風化深度可達10cm。

圖2 東灘煤礦副立井井壁嚴重風化區(qū)域圖片

2.2 井壁風化機理

1984 年副立井建成后，井筒殘存的水量較大，2015 年采用壁后注漿堵水，水量大幅降低。約3 年后井壁出現(xiàn)明顯的風化現(xiàn)象，且有加劇加速趨勢。風化段位于井筒440m 以下段，壁后對應為侏羅系紅層砂巖，水質(zhì)分析報告顯示，紅層段井壁滲漏水中硫酸根離子含量高（見表1），達到強腐蝕級別，所以判定井壁風化是富含高濃度硫酸根離子的井壁淋水造成的。

表1 副立井滲漏水質(zhì)化驗結(jié)果統(tǒng)計表

從1984 年井筒建成到2015 年井壁水量減小，20 余年間井壁一直處于強腐蝕性淋水的腐蝕之下，井壁腐蝕由壁面向內(nèi)進行，井壁在20 余年的時間內(nèi)受到較大的損傷，已經(jīng)浸蝕了相當?shù)纳疃?。后期井壁水量較小，風化作用逐漸顯現(xiàn)，前期已經(jīng)腐蝕受損的混凝土井壁抗風化能力差，風化脫落現(xiàn)象逐漸發(fā)生（見圖3）。井深440m 以上段混凝土沒有受到腐蝕損傷，同等條件下沒有出現(xiàn)風化現(xiàn)象。

通過對受腐蝕井壁的觀察，井壁的腐蝕形式主要是混凝土中水泥結(jié)石體被溶解，離析出石子和黃沙，從而引起混凝土破壞，膠結(jié)成分丟失，水泥塊逐漸軟化、松散、脫落。主要表現(xiàn)為：①有淋水的部位成粘糊狀，無淋水的部位成粉狀；②腐蝕井壁從粗糙毛面部位開始，向四周和內(nèi)部進行蔓延；③毛面腐蝕較快、較大，光面腐蝕很慢，較?。虎苡兴幐g較快，無水處腐蝕較慢。

圖3 井壁風化機理示意圖

2.3 危害

根據(jù)副井井壁風化的原因初分析結(jié)論，井壁風化脫落現(xiàn)象將持續(xù)進行，直至已腐蝕受損混凝土完全風化脫落為止，所以井壁風化將可能持續(xù)較長的時間，且可能呈現(xiàn)加劇加速的趨勢。鑒于井筒的特殊性，為保護井中檢修人員及裝備的安全，應盡快進行治理。

井壁已經(jīng)呈現(xiàn)風化、局部表皮脫落的現(xiàn)象，且有加速加劇趨勢，威脅井內(nèi)設(shè)備、電纜及檢修人員安全，可能造成安全事故。另外副立井提升任務較重，如果井壁繼續(xù)風化，一旦固定托架梁、罐道梁的錨桿錨固力減弱、失效，造成管道變形，甚至脫落，則極可能釀成重大責任事故，所以應組織治理，以消除這一重大安全隱患。

3 井壁風化治理措施

3.1 治理思路

井壁混凝土腐蝕受損及井筒較高流速風是混凝土風化的兩個必要條件。從當前條件看，徹底改造已腐蝕受損混凝土、甚至徹底清除腐蝕受損混凝土難度較大；則可從井壁風化的另一個必要條件風方面考慮。風作用在混凝土上，使混凝土發(fā)生風化，阻隔兩者之間的接觸則是根本治理途徑，此需要對混凝土壁面進行徹底封閉處理。

根據(jù)東灘副井實際粉化破裂情況，參考兗州礦區(qū)井筒破裂治理的經(jīng)驗，研究人員提出了副井粉化破裂治理的方案為：先采用壁后注化學漿封堵井筒內(nèi)的淋水；然后采用錨網(wǎng)+噴射混凝土的方式，加固修復井壁的粉化脫落區(qū)域；最后采用壁面噴灑硅烷浸漬劑的方式，

3.2 封閉涂層材料選擇

封閉涂層應具有非易燃易爆、與混凝土粘結(jié)能力強、耐久耐候性能好、刺激性氣味揮發(fā)少、無腐蝕性等基本性能。

表2 不同材料與混凝土面粘結(jié)強度測試結(jié)果

通過市場調(diào)研，選擇了6 類最為典型的、常用的、知名廠商生產(chǎn)的混凝土壁面防水、封閉的涂料、試劑、膠等，進行各種材料的材質(zhì)、性能等進行對比研究，相繼進行了各種封閉涂層材料溫度、水鹽腐蝕環(huán)境、高速風、強紫外線劣化條件下的的室內(nèi)試驗，并進行了材料的揮發(fā)有害氣體、可燃性、粘結(jié)強度、腐蝕性測試。最終通過綜合對比選擇LB-K11 涂層材料，此材料雙組份涂料，采用丙烯酸酯為液料，使用特種水泥和其他活性材料為粉料。比如，6 種材料與混凝土粘結(jié)強度測試結(jié)果表3 所列，涂層材料LB-K11（編號6）與混凝土的粘結(jié)強度大幅高于其它5 種材料，涂層材料LB-K11 在進行與混凝土粘結(jié)強度測試時，其拉裂面位于混凝土中，其他材料均位于接觸面（見圖4）。

圖4 不同封閉材料試樣和拉壞后圖片

4 治理施工情況

先進行井壁清理，對井壁附著物、結(jié)晶物及風化物，采用風鏟、鐵鏟、掃把等工具進行清理。清理位置工作平臺與井壁接觸部位鋪設(shè)皮帶以防止清理物墜落井筒。清理完成后，對井壁進行封閉涂層處理。

LB-K11 涂層材料施工方法：①先將防水漿料液料注入干凈的容器中，按比例一邊攪拌一邊緩慢加入粉料，充分攪拌直至形成無粉團的、均勻的漿料；攪拌均勻后，漿料靜置熟化約3min，再攪拌約30s，備用。②使用輥筒或毛刷進行施工，一般至少涂刷兩層，第二層的涂刷方向應與第一層垂直；每層施工須等上一層表干后（約2～6h）進行。③每一層涂刷的厚度不可太厚，一次涂刷厚度不得超過1mm，以利于養(yǎng)護固化。自井深440m 至下井口700m，涂層的面積6500m2，涂層厚度2mm，風化嚴重區(qū)域厚度3mm，共消耗LB-K11 涂層材料25 噸。

5 結(jié) 論

東灘煤礦副立井在井深440m 以下基巖段井壁混凝土出現(xiàn)嚴重的風化現(xiàn)象，通過水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，風化段井壁滲漏水中高濃度硫酸根離子是造成井壁風化的主要原因。1984 年副立井建成后，井壁殘存的滲漏水量較大，井壁一直處于強腐蝕性淋水的腐蝕之下，井壁在20 余年的時間內(nèi)受到較大的損傷，2015 年注漿治理井壁水量減小，前期已經(jīng)腐蝕受損的混凝土井壁抗風化能力差，風化現(xiàn)象逐漸發(fā)生。東灘煤礦副立井井壁風化治理采用對混凝土壁面進行封閉的治理措施，通過對多種封閉材料進行溫度、水鹽腐蝕環(huán)境、高速風、強紫外線劣化條件下的的室內(nèi)試驗，材料的揮發(fā)有害氣體、可燃性、粘結(jié)強度、腐蝕性測試，最終選擇LB-K11 型涂層材料進行風化混凝土壁面封閉處理。東灘煤礦副立井井壁風化治理經(jīng)驗可為類似工程提供參考。