基于冻结壁保护下的立井井筒修复技术研究及应用

张振虎

（河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿，河南 永城 476600）

河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿主井于1992年3月17日竣工，采用冻结法施工。主井井筒净直径为5.0 m，井筒全深为499.077 m，实际穿过厚度为368.28 m的冲积层。井壁结构为双层钢筋混凝土复合井壁[1]，井壁总厚度为1～1.6 m，砼标号为400#～550#，内外层井壁间铺设一层1.5 mm的塑料夹层。1999年5月、2017年6月、2018年5月、2019年8月由于井壁破裂、淋水等现象，共进行四次修复，主要采用架设槽钢井圈+壁间注浆等方式进行临时修复。由于临时修复后井壁短时间内再次出现破裂、淋水现象，且周期逐渐变短，影响矿井安全生产，故需对主井井壁进行永久修复，以改变井壁受力状况，防止井壁破裂。

1 井壁破裂机理

由于采矿活动、地下水位下降等各种原因导致地层整体下沉，地层下沉过程中拖动井壁下沉，给井壁施加了一个竖向的附加力[3]。随着附加力的逐步增大，最终超出了井壁的承受极限，导致井壁短时间内出现破裂，部分应力释放。但随着地层的下沉，井壁仍会再次出现破裂，且井壁的强度越大、可缩量越小，破裂发生的越迅速。

2 井壁修复技术路线

改造井壁受力结构，在内层井壁开凿一环形卸压槽，安装可缩装置，释放井壁中积蓄的能量，创造内层井壁易随地层下沉的条件，减小井壁与地层间的相对位移，达到防止井壁破裂灾害发生的目的。该技术路线具有井壁可缩量大、限载、让压性能良好、治理效果明显、持续时间长等优点，但工艺流程复杂，治理周期长，且修复期间需要占用井筒，影响矿井正常生产。

3 井壁修复方案

3.1 冻结封水、堵沙

井壁安装可缩装置期间，需要开挖、破除部分内层井壁，安装可缩装置后重新浇筑混凝土。由于破除内层井壁期间存在较大的突水、溃沙风险，为了将施工期间的风险降至最低，采用冻结法[3-5]封水、堵沙，即在井筒周围施工冻结孔，在冻结孔内下入冻结器，用人工制冷法在井壁周围形成冻结壁，完全阻断表土含水层与井筒的联系，为井筒内壁开槽和安装可缩装置提供安全保障。由于冻结施工的主要目的是防突水、溃沙，冻结工期较短，冻结壁交圈即可，冻结壁厚度选取4 m，冻土平均温度-5 ℃，冻结孔布置在以井筒为中心、边长为30 m的正方形边线上，冻结孔平均间距为1.714 m，冻结深度378 m。

为防止冻结壁过度发展产生的冻胀融沉影响主井井塔稳定，在以井筒为中心、边长为26 m的正方形边线上布置温控孔，温控孔平均间距为2.8 m，深度46 m，数量37个；同时在水流的上方、侧方等地点布置5个测温孔，深度为378 m，对冻结温度进行观测；另外在井塔外距井塔基础角点0.5 m处设置4个水文观测孔，深度分别为126 m、193 m、258 m、298 m，用于后期判断冻结壁是否形成。

冻结孔、温控孔等钻孔采用水文2000钻机施工，冻结期间根据需要选用7套冷冻机组制冷，配备大型蒸发式冷凝器，选取氯化钙盐水作为冷媒剂，盐水比重1270 kg/m3，凝固点为-43.6 ℃，开机87 d后形成冻结壁。

3.2 壁间、壁后注浆

冻结交圈前改造箕斗施工平台，在地面建立临时注浆站和搅拌站，通过井筒内敷设的Φ38 mm注浆管路，对主井-267.4 m/-365 m位置（安装可压缩装置）上、下15 m范围采用“上行”方式进行壁间注浆堵水。钻孔排距5 m，每排均匀布置6个Φ50 mm钻孔，孔深0.85 m（井壁打孔时，钻杆采用限位装置严格控制钻孔深度，钻孔进入外壁深度不大于75 mm），孔间距为2.61 m，排与排之间呈三花型布置。冻结交圈后，利用井壁修复吊盘作业平台，在每道压缩层上、下2 m范围布置壁后注浆孔，排距3 m，每排均匀布孔6个，孔间距2.61 m，排与排之间呈三花型布置，共计6排（-264 m、-267 m、-270 m、-361 m、-364 m、-367 m），36个注浆孔，壁后注浆孔设计深度1.9 m（打透外壁进入围岩300 mm为准）。冻结交圈及壁后注浆结束，在卸压槽开槽前，利用井壁修复作业平台，在开槽区域上、下1 m范围间布置3排探水孔，探水孔排距1.8 m，每排均匀布孔4个，孔间距3.925 m，共计6排（-264.8 m、-266.6 m、-268.4 m、-362.4 m、-364.2 m、-366 m），24个探水孔。可压缩层开槽段高内以壁间探水孔为主，壁间探水孔深度应穿透内壁超过50 mm；开槽段高上、下应以壁后探水孔为主，壁后探水孔深度应穿透外壁300 mm。即，-266.6 m和-364.2 m处探水孔孔深为0.85 m，其余探水孔孔深为1.9 m。打孔时，钻杆均采用限位装置严格控制钻孔深度。两道压缩层壁间、壁后探水检查孔施工期间，如果孔内均无涌水、涌沙情况，则达到井壁开槽范围壁间、壁后注浆堵水目的。

井壁注浆钻孔选用YTP-28型气腿式凿岩机 施 工，地 面 输 浆 泵 选 用2ZBSB（1.9～7.6）/（11～3）-11型双液变量注浆泵，井筒内注浆选用2ZBYSB9.0～2.4/1～18-18.5型电动液压注浆泵。

3.3 破除内壁、安装可缩装置

-267.4 m/-365 m可压缩层安装位置井壁需进行爆破开槽，开槽高度1.6 m，以满足可缩装置安装、焊接工作。开槽处井壁采用“分区爆破、竖向掏槽、两侧扩刷、光面爆破”的方式进行，以确保井壁的稳定性、开槽边界的整齐性。爆破选用煤矿许用T320型水胶炸药，其中掏槽区、扩刷区及光缆保护区选用Φ35 mm×250 g的水胶炸药，光爆区选用直径为Φ27 mm、重量为330 g的水胶炸药。爆破区域划分示意图如图1。

图1 爆破区域划分示意图

可压缩装置为管板组合钢结构，该结构可压缩量较大，能够达到装置本身高度的70%，且该装置上下面板与中间钢管焊接后能够形成密实的腔体结构，具有良好的防水性。可压缩装置分为6个弧段，可压缩装置结构示意图如图2。

图2 可压缩装置结构示意图

可压缩装置安装流程：井筒圆周分区、井壁逐段爆破开槽→割除竖筋、环筋→逐块下放、安装法兰盘→法兰盘校正、整体焊接→法兰盘底部混凝土充填→可缩弧逐块就位、固定→可缩装置圆周整体校正、上面平立焊→可缩弧整体起吊进行下部焊接→焊接口钢板封堵→可压缩装置上部钢筋连接→立模浇筑混凝土。

为防止卸压槽上、下因应力集中造成井壁破裂，在卸压槽上、下各1 m范围架设20b槽钢井圈。每段井圈用2根Φ22 mm树脂锚杆锚固于井壁上，锚固深度450 mm，井圈间用不锈钢螺栓等强连接，井圈外径为4950 mm，井圈与井壁之间空隙采用高强灌浆料充填密实。

3.4 破壁立模灌浆+架设井圈

两道可压缩层安装完毕后，对主井井壁-173～-175 m/-188～ -192 m段破裂区域上、下15 m范围采用“上行”方式进行壁间注浆堵水，注浆方式与3.2基本一致，不再赘述。该段井壁也可与前期注浆施工一并进行。

注浆加固结束后，在-188～ -192 m破裂段下方0.5～0.8 m位置架设1～2架20b槽钢井圈作为托模井圈，采用“人工风镐扩刷”、“短掘短支”的施工方法，由下向上进行逐层扩刷破坏段井壁，每次破除段高1 m，破除深度根据井壁破裂情况具体确定。破除结束后利用托模井圈安装30 mm厚钢板井圈1道（每道共10段，每段段高0.5 m，弧长1.6 m，钢板井圈入井前提前在地面按照1～10号的顺序编号和防腐处理)，钢板下弧面插入到上道钢板的V型槽内，弧形钢板边角位置通过专用卡子、螺栓进行固定。每安装2层（1 m高）钢板井圈并焊接结束后，及时浇筑C60混凝土进行充填。混凝土初凝后，在钢板井圈的预留孔位置安装Ф22 mm×600 mm树脂锚杆与井壁进行固定，锚杆密度不低于1根/m2，按照由下而上的顺序循环安装、焊接和浇筑混凝土施工。

3.5 施工期间的注意事项

（1）部分钻孔的开孔位置受现场设施、条件影响，需要造斜施工，难度较大，需制定详细的施工方案和纠偏措施，保证冻结孔按照设计施工，避免冻结壁出现薄弱点。

（2）冻结制冷介质选用氨气，为有毒有害气体，冻结期间需做好氨气的防泄漏工作。

（3）冻结壁厚度一旦按照设计值形成，需要严格控制冻结盐水的温度，避免冻结壁过度发展，产生冻胀效应，对井壁造成破坏；同时需要做好测温孔、温控孔的日常观测工作，做好预警管理。

（4）由于主井井口建有井塔装置，井筒修复期间需做好沉降观测及井塔偏斜观测，直至冻结壁融化消除，避免冻胀融沉造成井塔偏斜，威胁主井安全提升。

（5）需详细论证可压缩层的安装位置，尽量安装在隔水地层中，同时兼顾卸压需要，建议由专业资质的部门出具修复方案。

4 结语

陈四楼煤矿主井于2019年10月20日开始施工冻结钻孔，2020年7月31日修复结束，历时286 d，其中准备筹划、冻结205 d，井壁修复81 d，最终圆满修复结束。目前井壁状况良好，无开裂、淋水现象，达到预期目的。陈四楼煤矿主井的顺利修复为类似矿井修复提供了借鉴。另建议新施工的井筒，在设计、施工期间同步安装可压缩装置，以提高井筒的安全服务年限。