葛亭煤矿主井井筒冻结段外壁破坏治理.pdf

第27卷第6期 建 井 技 术Vol127 No16 2006年 12月 MINE CONSTRUCTION TECHNOLOGYDec1 2006 葛亭煤矿主井井筒冻结段外壁破坏治理 李继强,丁亚军,庄立会 淄博矿业集团设计院,山东 淄博,255120 摘 要葛亭煤矿主井井筒净直径510m ,深430m ,冲积层厚27011m ,冲积层段采用冻结 法施工,冻结段井壁为双层钢筋混凝土结构。井筒施工至21710m深时遇厚粘土层,外层井壁 发生破坏,不得不停止施工进行处理。分析了井壁破坏原因,提出了破坏治理方案,介绍了治 理施工技术措施及治理效果。 关键词井筒;冻结法;井壁开裂;破坏治理;粘土层 中图分类号TD26513 4 文献标识码B 文章编号1002Ο6029200606Ο0004Ο02 收稿日期2005Ο12Ο27 葛亭煤矿主井井筒设计深度430m ,净直径 510m ,装备1对6t箕斗,玻璃钢罐道,设有梯子 间。井筒穿过27011m厚的第四系冲积层,主要 由粘土、 砂、 砂质粘土组成,采用冻结法施工。冻 结段为双层钢筋混凝土复合井壁,壁座设计深度 292m。基岩段采用地面预注浆技术封堵涌水。 井筒于1999Ο02Ο06正式开挖,至同年5月18日完 成冻结段掘砌施工。 井筒冻结段施工期间,213～230m段外壁发 生了破坏。该段内壁设计厚度550mm ,外壁设计 厚度500mm ,内外层竖筋及环筋均为 20 300 , 外层井壁与井帮之间敷设50mm厚的聚苯乙烯 泡沫塑料板。外壁破坏段及其邻近地段井筒穿过 的地层情况见表1。 表1 外壁破坏段及其邻近地段井筒穿过的地层情况 地层 序号 累深 / m 厚度 / m 岩 性 54189170917细砂 551971808110粘土 5620810010120钙质粘土 572141406140细砂 58217100216粗砂 5923915022150粘土 602601102016钙质粘土 612681007190粘土 622701102110粗砂 1 井筒施工及井壁破坏情况 葛亭煤矿主井井筒于1998Ο11Ο06开机冻结, 1999Ο01Ο16试挖,2月6日正式开挖距开机冻结 92d。井筒主冻结圈直径 1312m ,冻结孔主孔 34个,差异冻结,长腿深298m ,短腿深280m ;辅 助冻结圈直径1015m ,冻结孔辅助孔 12 个利 用6个注浆孔 , 深度268m。设计冻土温度-8～ -10℃,设计盐水温度-28～-30℃,冷冻站装机 容量6162106kcal/ h。 主井井筒施工采用短段掘砌混合作业方式, 段高317m。至1999Ο03Ο04 ,井筒掘进到227m深 处,顺利通过190～208m段粘土和钙质粘土层。 但215～227m段粘土层施工不太顺利,出现了井 壁破坏现象。具体情况如下3月4日浇筑第70 段井壁22313～227m时,发现第69段井壁表面 出现剥落现象,剥落面积0156m2宽高为 400mm1 400mm ,方向北偏东。此后,井壁破 坏不断向上发展,直至3月5日1∶30向上发展 至67段高215m后才趋于稳定。同时第70和第 71段高井壁发生开裂,71段高井壁开裂017m ,整 个井壁开裂高度达1413m。 井壁发生破坏后,为了防止破坏进一步发展, 保证施工安全,决定立即停止掘砌施工,对开裂破 坏段井壁进行加固。加固施工自3月5日2∶00 开始进行,至3月6日6∶00结束。共架设18号 槽钢井圈38道,间距500～600mm ,加固高度 17m。加固施工结束后,井筒工作面底鼓量达500 ～600mm。 井筒施工过程中,对井帮温度及第70段高井 壁位移进行了观测,观测结果见表2和表3。 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期 李继强等葛亭煤矿主井井筒冻结段外壁破坏治理 表2 井帮温度观测结果℃ 深度/ m土性东南西北 120中砂 -210 015 -015-015 134粘土 -110-018 0180 192粘土00151100 195粘土 -211-112-012-210 221粘土 -312-111 018 -112 223粘土 -310-410-210-310 227粘土 -210-112-015-210 229粘土 -310-319-210-215 231粘土 -510-510-615-410 表3 第70段高井壁位移观测结果mm 日期 月1 日 时间西北北东北东南西 31714∶3015 -52 62 -16-5-20 31922∶20 -30 1530 -15 5 -30 311512∶40 -62-26 15 -87-61-71 311911∶30 -75-65 0 -140-75-90 312821∶40 -75-85-15-140-90-110 注负号表示向井筒中心位移。 2 井壁破坏原因分析 根据对井壁破坏状况和地层冻结等情况的分 析,导致井壁破坏的原因有以下几个方面 211 井壁受到复杂外力作用 冻结状态下的粘土层强度不如砂层高,但蠕 变变形大,使得粘土层段外壁所受的压力增长快、 数值大。所以粘土层段冻结壁必须具有更低的温 度,方可满足施工安全要求。现行有关规程规定, 200m深以下的冻结厚粘土层段掘砌施工时,井 帮温度应达到-6℃ 以下。而从表2中可见,井壁 开裂破坏段井帮温度未达到这一要求。此外,砂 层和厚粘土层交接处是应力和压力突变区,井壁 受力最为不利。当井筒施工由砂层进入到厚粘土 层中时,井壁就会受到剪切、 弯曲及径向压力等复 杂外力的作用,容易使井壁产生破坏。 212 冻结时间短,井帮温度不均匀 井筒掘进到200m深时,仅冻结117d ,加上冻 结盐水温度未达到设计要求的-30℃井壁破坏 时,盐水温度只有-26℃ , 所形成的冻结壁厚度 和强度难以达到设计要求。同时由于辅助孔的影 响,局部井帮温度过低,致使井帮四周粘土层冻结 壁蠕变变形能力不一致,使得外壁所受荷载不均 匀,容易造成井壁破坏。 213 井壁设计强度低,安全系数小 外层井壁设计厚度偏薄破坏段仅500mm , 配筋也较少仅 20 300 ,混凝土强度等级又低 仅C50 ,使得井壁安全系数偏小,也是导致井壁 产生破坏的一个重要原因。 214 掘进速度过快,掘进段高大 井筒凿井施工单位与冻结施工单位未能紧密 配合,掘进速度过快,导致冻结时间过短,冻结跟 不上掘进的需要,致使冻结壁达不到设计要求。 另外,掘进段高也偏大,平均为315m。而较大的 掘进段高只有在冻结壁状态良好,井帮温度较低 的情况下才适应。 在葛亭煤矿主井井筒冻结设计中,明确规定 了深厚粘土层段掘进段高不得大于212m ;而在井 壁破坏前,粘土层段掘进段高一直为317m。可 见,建设、 监理、 施工、 设计单位对该段粘土层段井 筒施工安全重视不够,这也是导致该段井壁产生 破坏的原因之一。 3 井壁破坏治理方案的选择及治理效果 根据井壁破坏情况,我们提出了3种治理方 案。 1保留现有外壁,增强内壁支护强度 一是对现有外壁进行局部处理,保证内壁厚 度够750mm ;二是在内壁外缘增设18号槽钢井 圈,纵向间距340mm ;三是将内壁混凝土强度等 级提高到C55 ,并设内、 外两层钢筋,均为 25 250。 2内外壁合层 对现有破坏外壁暂不处理,待套内壁时,将现 有破坏外壁全部清除干净,内外壁合层,壁厚仍为 1 050mm。同时将混凝土强度等级提高到C55 , 内外层环筋和竖筋均改为 25 250。 3停头处理 井筒停止掘进,对现有破坏井壁进行处理;处 理好后,再继续向下掘进。处理时,将混凝土强度 等 级由C50提高到C55 ,纵横向配筋均改为 25 250。 经多方研究,为确保井筒工程质量,防止井壁 漏水,决定采用停头处理方案对破坏段井壁进行 治理。 破坏段井壁采用上述方案治理后,未再发生 破坏,并且未留下任何安全隐患,保证了井筒工程 质量,收到了良好效果。 该段破坏井壁处理好后,为避免井筒向下施 工时再发生井壁破坏现象,有针对性地制定了一 下转9页 5 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期 徐继民等首山一矿主井井筒施工中的综合防治水技术 018∶1 ,水泥浆与水玻璃的体积比为1∶1。 注浆设备选用2TGZΟ60/ 210型双液调速高 压注浆泵和与之配套的TLΟ500型立式搅拌机。 4井壁混凝土中加入水泥用量5 ～6 的 BRΟ5防水剂,增强混凝土的密实性和抗渗性。实 践证明,井壁淋水较大时,混凝土中加入BRΟ5防 水剂,能有效地提高混凝土质量包括表面观感质 量和内在质量 , 保证井壁强度。 5利用截水槽截水。分散的井壁淋水对井 壁混凝土质量影响很大。它流入现浇混凝土中, 增大了水灰比,并造成水泥浆流失。我们在井壁 接茬处沿井壁四周设一凹槽,安装带导水管的截 水槽,将水集中引入预埋在壁后的集水桶内,再用 泵抽到腰泵房内,之后排到地面。 通过以上几项措施,使主井井筒平顶山砂岩 段的淋水比实测涌水量峰值144198m3/ h减少了 100m3/ h以上,为以后4个月月成井连续超百米 创造了有利条件。 3 几点体会 1由于平顶山砂岩坚硬,且近垂直和高角度 裂隙发育,而水平裂隙不发育,采用地面预注浆技 术堵水时,应增加注浆孔数,减小孔间距,增大注 浆压力,并严格控制钻孔垂直度。 2井壁淋水较大时,浇筑井壁混凝土前,一 定要采取 “截、 导、 堵、 排” 等综合防治水措施,保证 井壁质量。 3混凝土中加入BRΟ5防水剂,可增强混凝 土的密实性和抗渗性,减少井帮淋水对混凝土的 影响,保证井壁质量。 4选择新型高扬程吊泵,减少排水段数,有 利于设备维护,保证必要的排水能力。 5设置两套独立的排水系统,1套使用,1套 备用,可减少水泵故障对施工的影响,防止淹井事 故发生。 6只有全面加强防治水工作,才能从根本上 防止淹井事故发生,为快速凿井创造必要的条件。 作 者 简 介 徐继民1963 - ,男,高级工程师,中国矿业大学北京资源 学院在读硕士研究生。1985年毕业于焦作矿业学院采矿工程系 矿井建设专业,现任平煤集团公司基建处主任工程师。 上接5页 系列措施,并在施工中严格执行 1冷冻站增加1台高压制冷机,加强冻结, 保证盐水温度不高于-28℃。 2缩短掘进段高。下部粘土层段掘进段高 不得超过215m ,同时要保证井帮暴露时间不大于 18h。 3控制拆模时间,混凝土浇注24h后才能拆 模。 4增加下部粘土层段位于井帮和井壁之间 的聚苯乙烯泡沫塑料板厚度,由50mm改为 75mm。 下部粘土层段井筒施工中由于采取了上述措 施,未出现井壁破坏现象,施工安全顺利。 4 体 会 葛亭煤矿主井井筒深厚冻结粘土层段外壁发 生开裂破坏的主要原因是没有处理好冻掘关系, 凿井施工速度快,冻结跟不上,掘进段高又大。这 一教训值得记取。今后在组织冻结表土段井筒快 速掘进时,施工前应全面检查冻掘关系;遇厚粘土 层时,必须采取针对性措施,特别是必须严格控制 掘进段高和井帮暴露时间。 从设计方面看,深厚冻结粘土层段混凝土井 壁强度应适当提高,特别是混凝土早期强度应大 一些,这样可有效地防止外壁被压坏。 从业主角度讲,加快矿井建设速度,缩短建井 工期,无疑能带来很大效益。但由于井筒是矿井 的咽喉,在不具备条件的情况下过分追求进度,往 往会导致外层井壁被压坏等事故发生,得不偿失。 葛亭煤矿主井井筒施工中虽然发生了井壁开裂破 坏事故,影响了施工进度,但仍创出了月进 21811m的快速施工纪录。如下部厚粘土层段施 工技术措施得当,能避免事故发生,会取得更好的 成绩。 作 者 简 介 李继强1972 - ,男,山东鄄城人,高级工程师。1993年毕 业于阜新矿业学院,现任淄矿集团设计院副总工程师兼矿井所所 长,发表论文两篇。 9 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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