煤矿副井井壁工程修复加固工程.doc

施工组织设计工程名称：邱集煤矿副井井壁 修复加固工程编制单位：编制日期：二一一年九月日目 录1概述11.1井筒及地层情况11.1.1副井井筒及地层情况12井壁破裂原因分析12.1井壁破裂机理13井壁破裂治理方案34卸压槽注浆方案优化65施工安全技术措施85.1施工准备85.2搭设工作台，提升、信号安设85.3破壁注浆95.4卸压槽施工105.4.1卸压槽的位置和尺寸105.4.2开切卸压槽的准备工作105.4.3开槽方法105.5架设槽钢井圈115.6井筒设备改造:126施工进度安排及劳动组织126.2劳动组织137设备材料计划（附表）148 施工安全措施169 施工质量保障措施181 概述1.1 井筒及地层情况1.1.1 副井井筒及地层情况邱集煤矿位于山东省德州市齐河县境内，该矿2004年1月正式投产，矿井设计生产能力45万吨，通过2004年对矿井的技术改造，经核定生产能力为75万吨。副井井筒为罐笼提升，刚性罐道。井筒净径4.5m。今年6月份发现该矿副井井筒在垂深300330m范围内井壁出现3处沿井筒环向一周圈的破坏带。井壁出现外鼓、离层脱落、钢筋外露弯曲严重等现象，剥落深度在50100mm。每一破坏带高度约为2.0m，邱集煤矿副井井壁破坏的形态基本上表现为混凝土成片状剥落，剥落的深度远小于其高度，竖向钢筋受竖向压缩呈向井内屈曲状态，井壁混凝土破裂裂缝呈闭合状，从井壁的破裂形态可以看出，井壁是受到了以竖向应力为最大主应力，切向应力为第二主应力，径向应力为最小主应力的压剪破坏，由于井壁内缘开始片状剥落，并逐步向井壁深处延展，整个剥落带为一环形的破坏区域。2 井壁破裂原因分析2.1 井壁破裂机理 邱集煤矿副井井壁破坏的形态基本上表现为混凝土成片状剥落，剥落的深度远小于其高度，竖向钢筋受竖向压缩呈向井内屈曲状态，井壁混凝土破裂裂缝呈闭合状，从井壁的破裂形态可以看出，井壁是受到了以竖向应力为最大主应力，切向应力为第二主应力，径向应力为最小主应力的压剪破坏，由于井壁内缘开始片状剥落，并逐步向井壁深处延展，整个剥落带为一环形的破坏区域。根据莫尔强度理论可以得到井壁中混凝土破坏剥落面与竖直方向的夹角。 式中： 、分别为材料的抗压强度与抗拉强度 由此可得C40的混凝土，其在30左右。由此推论得到的井壁破坏面与井壁实际发生的破坏面很一致（如图4所示）。图4 井壁实际破坏面与理论分析破坏面邱集煤矿副井破坏时井壁的应力状态可以从上述井壁破坏形态的表观现象中得到合理的分析。在过去的井壁设计计算中，均把井壁内由于水平方向的水土压力作用而产生的切向应力为最大主应力，竖向应力为第二主应力。那么是何种外荷载导致了井壁内产生如此的应力状态改变呢？下来就要从井壁的受力条件进行分析。要导致井壁中竖向应力成为最大主应力，必然要在竖直方向有一个作用于井壁的大荷载，由于井壁破坏发生在表土地层底部位置，则这个荷载必然与表土地层及该段井壁有关，井壁在竖直方向除了自重与井筒装备以外没有直接施加的显荷载，而此显荷载已在过去的井壁设计中考虑过的，它们不至于导致井壁应力状态的改变。这就必然存在一个由表土地层与井壁之间的相互作用产生的隐形荷载。从井壁破坏成水平环状破坏带的分布特征，这个隐形荷载应该是关于井筒中心基本上对称的，则不可能是某一局部位置地层的水平方向运动产生的水平推力引起的，必然是沿井壁与表土地层的接触表面，作用一个方向为竖直向下的面荷载。显然要在井壁外表面产生一个巨大的竖向面荷载，必然是表土地层的变迁引起的，从自井筒建成后到投产的一段时间内，均未发生井壁的破坏，在井壁投产后发生了井筒的这种破坏现象，这表明表土特性的变化与矿井生产是有关。但矿井的开采是在煤系地层中进行，并未与表土地层发生直接的关系，要说开采后地表的塌陷，由于保安煤柱的存在，也是不会影响井筒的。通过对井筒水文地质情况的分析，该矿的表土底部含水层直接覆盖于煤系地层，矿井开采后底部含水层的水渗入井下采空区域，使含水表土地层失水后土层固结，导致地层的压缩沉降，如图5所示。而位于表土地层包围之中的井壁是由钢筋混凝土制成的。与表土地层相比，其刚度很大，这样，表土地层与井壁的接触面上就会产生一个相对滑动或滑动趋势。这个相对运动的过程就给井壁外表面施加了一个向下的面荷载，由于井筒穿越的表土较深，此面荷载沿深度分布，到表土底部累积的总荷载就十分巨大了。由于过去井壁设计时未考虑到此荷载的存在，井壁的竖向承载能力不足以抵御此附加的活荷载，最终导致了井壁的破坏。即竖向附加力引起井筒破坏。图5 含水层疏水固结沉降示意图3 井壁破裂治理方案针对邱集煤矿副井破裂情况，邱集煤矿和安徽理工大学有关专家进行了充分论证，为了确保井壁安全，卸压槽的高度不宜太大，现设计开切二道卸压槽，上卸压槽位于累深290.0m，下卸压槽位于累深315.0m。即：凿穿内壁，保留外壁，槽内充填经防腐处理过的松木砖块），以释放井筒的竖向附加应力。上卸压槽规格为：高度深度=350mm500mm；下卸压槽规格为：高度深度=350mm500mm；槽内充填防腐木砖，木砖高度330mm。为保证开凿卸压槽的安全，先对井筒进行挂井圈加固，再采用破壁注浆方法对井壁外围进行封堵水加固。根据副井井壁的破坏段高和位置，确定对副井2个段高进行槽钢井圈加固，第一加固段位于累深296307m处，段高为11.0m，架设55道20b密集槽钢井圈；第二加固段位于累深314328m处（包含下卸压槽处井圈加固），段高为14.0m，架设70道20b密集槽钢井圈；另外，在上卸压槽槽口处分别架设5道20b槽钢井圈。共130道20b槽钢井圈。其施工工艺为：挂设井圈破壁注浆开凿卸压槽对井圈采用喷浆封闭对管路等井筒设施进行可压缩性改造安装井壁监测仪器工程收尾。、治理工程方案:本次治理工程采用“井圈加固+注浆+开凿卸压槽”技术方案。、工程量简述：1、井圈加固：第一加固段位于累深296307m处，段高为11.0m，架设55道20b密集槽钢井圈；第二加固段位于累深314328m处（包含下卸压槽处井圈加固），段高为14.0m，架设70道20b密集槽钢井圈；另外，在上卸压槽槽口处分别架设5道20b槽钢井圈。共130道20b槽钢井圈。2、破壁注浆：本次破壁注浆的目的，主要在于确保井壁挖补施工和开切卸压槽施工的安全。通过壁后注浆帷幕可有效地封堵破坏段井壁的出水点，增加开切卸压槽时井壁的封水性，增强井壁抵抗水平地压的能力。据此设计注浆施工的有关参数：（1）注浆段高确定注浆段高为70m，从累深270m至340m，对应地层主要为粘土和粘土岩。（2）注浆方式先将目前井筒上部主要出水点自上而下进行局部封堵，保证井内作业的正常进行，然后采用上行式注浆方式，自下而上进行注浆。（3）注浆材料注浆时先用单液水泥浆进行注浆，并辅以水泥水玻璃双液浆。水泥浆采用PO42.5普通硅酸盐水泥加水玻璃制成。水玻璃溶液为45Be，23.0模数的碱性水玻璃。若注浆效果不佳，浆液无法注入，可考虑改注化学浆液改性尿醛树脂。（4）注浆量取注浆帷幕厚2.0m，扩散半径按2.5m计算得：需注入水泥量约120吨左右，水玻璃约6吨，化学浆约70吨，最大注浆压力4Mpa。3、开凿卸压槽：开凿处均匀布设8个孔深1.8m的探水孔，在确认无渗水情况下方可进行卸压槽施工。开切二道卸压槽，上卸压槽位于累深290.0m，下卸压槽位于累深315.0m。上卸压槽规格为：高度深度=350mm500mm；下卸压槽规格为：高度深度=350mm500mm；槽内充填防腐木砖，木砖高度330mm。4、喷浆防腐：采用C20砼，喷厚80mm。5、井筒设施进行可压缩性改造施工。4 卸压槽注浆方案优化4.1壁后注浆的必要性本次壁后注浆目的是减小开槽位置地层的透水性，以防开扩卸压槽时壁后泥砂涌入井内，造成较大的安全事故。尽管在前两次治理中开槽位置曾注过水泥浆，壁后的隔水性有较大改善，但是为保证扩卸压槽时不出现涌水危险，本次治理仍然需要进行进一步的注浆堵水。4.2注浆材料选择注浆材料的选择直接关系到工程造价及注浆效果，一般情况下，注浆材料的选择宜遵循以下几个原则：1） 材料来源广，价格低；2） 凝胶时间可调；3） 结石体强度高；4） 结石率高；5） 粘度低，可注入性好；6） 毒性小，对环境污染小。在实际工程中选择注浆材料时，往往无法找到同时满足以上原则的注浆材料，因此常根据注浆的目的不同选择一种或几种材料进行注浆。目前，在井壁破裂治理过程中常用的注浆材料主要有：马丽散、脲醛树脂、水泥浆、水泥水玻璃等几种浆液。通过比较及近年来施工经验我们选用水泥浆和脲醛树脂化学浆为主进行注浆。脲醛树脂是以脲醛树脂为主剂，丙烯酰胺、N-N亚甲基双丙烯酰胺、硫酸、过硫酸铵为辅助剂甲液和乙液分别配制，使用时再混合。该方法在兴隆庄矿、杨村矿、安居煤矿、郭屯煤矿井筒治理中获得应用，效果较好。水泥浆相比，脲醛树脂类浆液的粘度较低、可注入性较好、凝胶时间可控。为了防止漏浆，提高注浆强度，我们采用新型水泥液态速凝剂代替水玻璃，该水泥液态速凝剂为液体，不含碱不含氯，避免了使用水玻璃固化后水泥强度降低的弊病。通过添加增强剂、膨胀剂、增粘防水剂等多种有机高分子材料，提高水泥固化后的抗收缩强度、抗压强度。水泥液态速凝剂固化时间可按工程需要进行调节，满足快速堵水需要。我们先后在济宁安居煤矿、菏泽郭屯煤矿、甘肃金昌镍矿等矿井使用效果良好。邱集煤矿副井卸压槽位置位于表土层和基岩结合处，而且原来进行过壁后注浆，如再次注水泥浆可能会遇到注入困难及注入效果不理想的情况，因此建议用水泥浆液和脲醛树脂化学浆液进行注浆。4.3注浆孔参数1） 浆液扩散半径浆液的扩散半径一般可根据马格公式进行计算，其计算准确程度依赖于井壁周围地层参数准确性。本工程由于对地层周围土层的孔隙率、渗透系数、含水率及土层的均质性等参数均无法获取，因此只能依据工程实际经验取水泥浆的浆液扩散半径为1.5m，脲醛树脂浆液的扩散半径为2m。2） 注浆段高及注浆孔布置注浆段高：确定注浆段高为70m，从累深270m至340m，对应地层主要为粘土和粘土岩。根据浆掖扩散半径1.8m，初步确定孔间距范围2m左右，布孔密度为23m，孔深壁间注浆0.4m，壁后注浆2.0米。每排7个孔，按24排布置共计168个。可根据注浆现场情况的及时合理进行调整布置。注浆孔及探水孔的钻孔孔径为42mm。注浆方式：先将目前井筒上部主要出水点自上而下进行局部封堵，保证井内作业的正常进行，然后采用上行式注浆方式，自下而上进行注浆。3） 注浆压力一般注浆压力取注浆位置处静水压+0.60.8MPa，但为了提高注浆效果，根据井壁结构和厚度，经计算可承受4.5 MPa的注浆压力，因此确定注浆孔孔口注浆终压为4.5MPa，以保证注浆施工不能引发进一步的井壁破坏。5 施工安全技术措施5.1 施工准备a、人员进点报施工所用设备、材料、加工件等计划；b、检修设备、工具运至现场；c、落实注浆用的孔口管、阀、变头、混合器、搅拌桶、吸浆桶的加工购置；井口操作平台、脚手架、防腐木块的加工；搅拌站的搭设材料； d、井筒安排测量给定标高，确定注浆、破坏加固段及卸压槽的位置；e、将井筒原安装压风、供水、注浆管路、信号、通讯、电缆检查保护安全、完好； f、向全体施工人员传达施工安全技术措施，介绍施工安全技术措施，介绍工方法，进行安全教育；g、搭设注浆站、搅拌台、安装两台注浆泵，搅拌机、玻璃浆池、排水沟等；h、进水泥，水玻璃、接通水、风、电至井口，试运转，对电器采取接地接零保护； i、对进场加固井圈严格检查确保不变形，防腐合格； j、拆除加固注浆段的梯子间挂网，将挂网提到井上。k、借助梯子间梁，固定敷设注浆管、通讯信号电缆、压风管路，确保其安全。5.2 搭设工作台，提升、信号安设a、 井筒在破壁注浆、破坏段加固及开卸压槽施工时，人员可利用在罐笼上安设的脚手平台操作，工作人员必须拴牢保险带，绞车提升速度不得超过lms，下放速度控制在0.5ms，提升时可利用对讲机、联系，为安全起见在井筒治理过程中，设工作面至井口的专用信号和电话，原正常提升信号暂停使用，施工期间，禁止罐笼运行，如遇特殊情况提前联系。b、 罐笼的两端可加工成折叠式槽钢梁，使用时放下铺上木板并加以固定后才可操作。5.3 破壁注浆 a、注浆顺序及方法安装两台注浆泵，浆液搅拌选用2台CJ-200型搅拌机通过两路高压胶管，将双液浆送至工作面。确定注浆段高为70m，分为两段，下段从累深270m至340m，段高为70m，对应地层分别为钙质粘土和粘土。计划布孔26排，排距为2.5m，间距2m，每排均匀布置7个孔，共168个注浆孔。孔口管选用425450mm长无缝管，一端50mm外扣，另一头为300mm马牙扣，马牙扣一端缠上生麻，用大锤打进钻孔内。注浆的顺序采用上行式，打眼采用YT-24型汽腿凿岩机。破壁注浆工艺流程： 风锤造孔（孔径42mm,孔深550mm，夹层注浆充填时，孔深400mm）安装孔口管（孔口管进入井壁部分不大于500mm）夹层充填注浆孔口管长度进入井壁部分不大于350mm）安设高压阀门（20）用32钎头从阀门内套孔穿透井壁进入地层关闭阀门并连接好注浆设施打开阀门开启注浆泵压水注入水泥浆双液浆封孔关闭阀门换孔。浆液初凝后重新套孔达到设计要求进行终孔处理。注浆过程中应根据岩层进浆情况灵活采用单液水泥浆或双液浆，并及时向甲方和设计单位汇报现场注浆情况。确保修补加固及开卸压槽安全，保证井壁破坏段及开卸压槽段壁后形成2m浆液帷幕。 b、注浆材料 以单液水泥浆为主、水泥水玻璃双液浆为辅。水泥浆采用PO42.5普通硅酸盐水泥加水玻璃制成。水玻璃溶液为45Be，23.0模数的碱性水玻璃。c、破壁注浆造孔方法及措施 为使破壁注浆造孔时能有效地控制涌水，喷砂等险情，保证井筒及施工人员的安全，需采取以下措施：(1) 采用42mm一字形钎头，垂直于井壁钻出400mm深的孔，安装注浆孔口管，然后装上高压球阀及泄压三通阀。 (2) 用26mm一字型钻头沿注浆孔口管内钻孔破壁，若出现喷砂涌水事故，要立即关闭二道阀门，接管注浆。(3) 在不破壁进行壁间注浆时，压力应在.2.0MPa以内，井下人员严格观察井壁，确保壁间注浆对井壁及人员的安全，地面司泵严格控制压力，如有压力升高，开泄压阀泄压，通知井下作业人员。(4) 在破壁注浆前必须加装防喷板。 d、注浆压力 在开始和正常注浆阶段，以低压渗透为主；壁间注浆时，注浆压力控制在2.0MPa以下；壁后注浆时，保持34MPa以下进行注浆，但终压不得超过4.5MPa。如在地压较大的破坏段，注浆压力需适当调整。同时，必须加强井壁的观察，确保施工人员和井壁的安全。 e、漏浆处理与封孔在破壁注浆时，若发现漏浆现象应采取双液间歇方式注浆。注浆结束时用水泥、水玻璃双液浆封孔，使浆液凝固后，才可卸掉高压球阀，并用防喷盖封牢，防止注其它孔时跑浆。 f、注浆效果检查原则上采用套孔检查，即一个水平注浆结束时套孔检查注浆帷幕的扩展和形成情况。5.4 卸压槽施工5.4.1 卸压槽的位置和尺寸两个卸压槽槽高分别为350mm，槽深分别为500mm（开透内层井壁），上卸压槽位于累深290.0m，下卸压槽位于累深315.0m； 5.4.2 开切卸压槽的准备工作开凿卸压槽前，需在开槽位置的四个方向打4个探水孔，孔深穿壁后1.5m，确认无渗漏水方可开槽施工，否则还需注浆处理，直至达到要求为止。5.4.3 开槽方法利用已标定的位置在井壁上用红漆将卸压槽的轮廊线标出。用风镐将内层井壁5080mm保护层挖掉，并用风镐扁铲铲断钢筋。采用静力破碎剂开凿卸压槽，其方法是：首先把卸压槽沿环向平均分成6份，对称开挖，开挖完成后用沥青防腐木块充填，缝隙用砂浆充填。而后再继续对开挖另一区段。 挖凿卸压槽采用人工凿岩机沿环向轮廓线打水平眼，眼距75100mm沿环向可上下布孔3排。掏槽孔可打20度的倾斜孔，扩大自由面，增加破碎效果。但上下轮廓线必须打水平眼，装药必须按设计要求进行。装药前药卷需放水中浸泡2.5分钟，装药时需装满用木棍捣实。装药后需洒水养护12天，破碎效果较好。破碎后用风镐将卸压槽找平刷齐，使之达到设计尺寸。挖出的砼块落在脚手板铺设的旧皮带上，再装入编织袋提至地面。 如井壁强度不高的情况下，要用密打孔人工挖凿方法施工卸压槽。 卸压槽采用沥青防腐松木砖充填，木块加工成扇形，充填前应开透内层井壁，上下找平刷齐，槽内清理干净，铺上防水砂浆，木块充填后周围再用砂浆充填捣实，防止渗漏水。挖槽后需经检查符合设计尺寸才可充填，当出现内壁厚度不一时，应根据实际尺寸在地面将木块截短，防腐处理后，再下井使用。5.5 架设槽钢井圈（1） 待壁后注浆帷幕形成后，架设密集圆形槽钢井圈。（2） 在井壁破坏段，挖除内层井壁已破坏和变形严重的混凝土，并装入编织袋提至地面。架设槽钢井圈时，应满足提升的安全间隙。（3） 破坏段加固井圈架设时要水平，且第一道井圈下每节须有三个28圆钢制成的托钩，且生根牢固。（4） 槽钢井圈之间的水平缝隙要严密，浇灌不得漏浆。（5） 井圈与井壁之间充填C50混凝土，架设二层井圈充填一次，并确保充填密实，破坏段内密集井圈每道都要用12kg/m钢轨连接成一体。共12根，并上紧连接螺栓。（6） 修复加固后井筒的尺寸与原设计尺寸的误差确保在+50mm范围内，不准出现负误差。（7） 井圈挂设方法及措施：井圈挂设密集井圈段采用自下而上的挂设顺序；首先，在同一水平面上沿井壁环向均匀布置10个托架，其安装步骤如下：1）用水平尺或坡度规找出井筒内130米处的同一水平面按1.4米间距划10个点；2）用风锤造孔，孔深300mm，孔径42mm；3）将托架固定在井壁上，然后把第一道井圈架设在托架上，并且每节井圈用螺栓连接牢固；4）密集段井圈在第一道安装完毕后，直接在其上架设其余井圈，井圈上下用1860螺栓联结。表1 充填C50混凝土建议配合比混凝土标号水泥（kg）石子（kg）砂（kg）水（kg）NF高效减水剂（kg）C50450(P.O 42.5)1153.3(石灰岩)707.0139.5/0.327.2注： 混凝土用石子最大粒径不应超过20mm，最小粒径不小于5mm； 混凝土用砂细度模数不应小于2.7； 混凝土用NF高效减水剂可以采用相同类型的具有较高减水率的其它奈系减水剂。5.6 井筒设备改造:严格按照安装施工措施进行梯子间等设备恢复并按照标准安装调试井壁监测系统。6 施工进度安排及劳动组织6.1施工工期本次井筒修复加固施工工期安排如下：（1）破壁注浆 设计工期 20天（2）开切卸压槽 设计工期 20天（3）挖坏井壁 设计工期 3天（4）架设槽钢井圈 设计工期 27天总工期 70天注：每天工作8小时。此次副井井壁破裂治理工程总工期为70天。6.2劳动组织实施项目管理方式，项目经理全面负责工程施工安全技术。1、项目负责人：项目经理：1名项目技术负责人：1名2、劳动组织人员表：序号工种人数备注1注浆工32制浆工44扒钩工25电焊工1兼司泵工6机修工17电修工1兼注浆工8司泵工19材料员110经理111技术员1兼安检员12合计147 设备材料计划（附表）名称规格单位数量水泥425#t120水玻璃45波美度t6三乙醇胺kg58.01 氯化钠kg577.47中空六角钢kg9.86 合金钢钻头个5.9 化学浆液m370 槽钢t52.5水泥425#t18.03中粗砂m318.91 碎石20mmm325.44 中空六角钢kg92.33 合金钢钻头个62.8 风镐钎kg0.51 树脂锚杆根1591调和漆kg941香蕉水kg红丹防锈漆kg727汽油kg 840.52 名称规格单位数量石英砂m30.00 木材m36.2水泥425#t1.21中粗砂m33.91 防水剂t0.121中空六角钢kg13.40 合金钢钻头个8.08 膨胀炸药kg500.00 8 施工安全措施（一）提升安全措施1. 严格执行煤矿安全规程中的有关规定。2. 绞车司机必须持证上岗，绞车运行期间必须在操作现场监护。3. 施工期间，绞车运行必须保持升降平稳，慢起慢落，运行速度不得大于2米/秒。4. 绞车司机必须参加措施学习，对各班注浆施工工序、充分了解。5. 运行期间按1停、2上、3下慢速起落。6. 绞车运行时必须加强各信号关口的相互联系，确认好运行目的、运行距离和停车位置等后方可传送信号走钩。（二）保证井壁