静态破碎在副立井井壁修复中的应用实践

摘 要：文章以陕西省麟游县园子沟煤矿副立井井壁-566.00m～-573.2m破坏段作为工程背景，研究该破坏段井壁返修实践应用技术。依据静压破碎原理修复破坏段井壁，在井壁破除中选用静态破碎剂，并通过现场试验开展了应用前、后效果对比分析。实践结果表明，该方法切实可行，具有节省材料、降低工程造价、缩短返修工期、减少围岩扰动破坏影响等优点。该方法的成功应用可为类似工程提供参考依据和科学指导，值得推广借鉴。

关健词：静态破碎；副立井井筒；井壁修复；应用实践

1 工程背景

1.1 副立井井筒概况

园子沟矿井位于陕西省麟游县境内，井田北以陕、甘为界，南以矿权边界线为界，西以麟游区边界为界，东以无煤区与丈八井田相隔。井田东西长12.2～20.4km，南北长5.3～13.2km，面积241.5km2。该矿井采用“三条立井”单一水平开拓全井田，设计井筒施工采用冻结法施工，冻结段井筒采用双层井壁结构。

园子沟矿副立井井筒设计井深616.42m，井筒净直径9.2m，最大开挖直径11.9m，井筒净断面S净=66.48m2，钢筋混凝土支护（厚度1350～650mm），井筒上部采用冻结法施工，冻结深度365m；下部采用普通法施工。井筒共分为四个部分：井口锁口段、冻结段、井筒基岩段、副井井底与井底车场连接处及井底水窝段：

（1）井口锁口段（±0～-7m段）。设计临时支护为砖砌，支护厚度1000mm。掘进断面S掘=98.52m2。

（2）冻结段（-7～-350.42m段）。-7～-350.42m为双层井壁段，设计为双层井壁，双层钢筋混凝土浇筑。其中-7～-204.42m段：掘进断面S掘=98.52m2，壁厚1000mm，内壁厚550mm，外壁厚450mm，内壁为C50砼，外壁为C40砼。-204.42～-350.42m段：掘进断面S掘=111.22m2，壁厚1350mm，内壁厚900mm，外壁厚450mm，内壁为C60砼，外壁为C40砼。

（3）井筒基岩段（-354.42～-587.5m段）。-354.42～-567.5m段，掘进断面S掘=86.59m2，设计为C50钢筋混凝土支护，支护厚度为650mm。-567.5～-580.5m段，掘进断面S掘=88.25m2，设计为C50钢筋混凝土支护，支护厚度为700mm。

（4）副井井底与井底车场连接处及井底水窝段（-580.5～-616.43m段）。

1.2 井壁变形破坏情况

园子沟矿副立井井壁在施工完成后发生局部井壁变形破坏，破坏段位于-566.00m～-573.2m，其井筒分两模浇筑完成，模板段高3.6m，分二段施工，施工起始时间2013年11月27日～11月30日，累计砼使用方量230m3（设计方量为156.6m3）。破坏情况如下：

（1）井筒北侧：设备通道底板预留梁窝处至北侧马头门顶板之间出现竖向裂隙，并且局部保护层开裂掉落，外露的内侧环向钢筋出现整体向外弯曲。

（2）井筒南侧：安全通道底板预留梁窝处至南侧马头门顶板之间出现纵裂隙，并且局部保护层开裂掉落，外露的内侧环向钢筋出现整体向外弯曲。如图1所示。

1.3 井壁变形破坏原因分析

结合上述园子沟矿副立井井壁-566.00m～-573.2m破坏情况，总结得出以下几点破坏原因：

（1）变形段井壁位于软弱岩层群处，岩石强度均不高，承载能力低；（2）泥质成分含量高，遇水弱化程度高；（3）井筒淋水导致泥岩膨胀、弱化；（4）马头门、行人通道及设备通道构成南北向弱面、地层倾向及地质构造原因，受东西向地应力挤压，导致矿压显现；（5）处于硐室巷道群，相互影响互相扰动严重、开挖面积大，岩石承压能力减弱；（6）该段处于井底部位马头门断面大，应力释放的主要区域。

2 井壁破坏段破除机理分析

为了返修园子沟矿井副立井-566.00m～-573.2m破坏段井壁，需要先破除原有的钢筋混凝土井壁，破除方法尽量采用围岩无扰动的破除技术，故此选用静压破碎原理。静态破碎是利用装入钻孔中的静态破碎剂的水化反应做功破坏介质[1-6]，水化反应表示为：

CaO+H2OCa（OH）2+6.5×104J （1）

当CaO转变为Ca（OH）2时，其晶体由立方体转变为复三方偏三角面晶体，这种晶型的变化会引起晶体体积的膨胀。根据测定，在自由膨胀的前提下，反应后的体积可增大1.3～1.4倍。膨胀压力缓慢的施加给孔壁，经过一段时间后压力可上升到30MPa～40MPa介质在这种压力作用下会产生径向压应力和切向拉应力，使脆性材料在拉伸应力作用下，沿钻孔之间产生裂缝，随着膨胀压力的增加裂隙逐渐扩展成裂缝，继而导致介质破坏。

3 工程应用

依据文章静压破碎原理，在井壁破除中选用静态破碎剂，其方案如下。

3.1 初始破除方案

破除段井壁混凝土强度C50，壁厚700mm，井壁主筋双层Ф25。砼破除采用人工配合G镐开挖。岩体开扩刷采用人工配合G镐开挖，原钢筋、网片采用氧气割切除。井筒破裂段-566.00～-573.20m由下向上分四部分破除，每段破除宽度为7.23m（井筒周长的1/4），每次开挖段高为7.2m，破除顺序：先北侧南侧东侧最后西侧。破除后井筒扩刷（开挖）直径要达到Φ11.4m，设计临时喷砼支护100mm。

按原始破除方案施工时由于C50混凝土强度高，未破坏部分井壁完好单纯用人工风镐开挖每班开挖量约1.5m3且损坏大量钳头，费时费力，耽误工期，直接影响到副井永久装备和矿井的投产。

3.2 改进方案

在初始井壁破坏方案的基础上，采用静态破碎剂与人工风镐开挖配合施工技术。其操作步骤为钻孔湿润装孔封口开裂。施工工艺和施工技术如下：

3.2.1 施工工艺

（1）布眼前首先确定至少有一个以上自由面（临空面），钻孔方向应尽可能做到与自由面平行；切割混凝土时同一排钻孔应尽可能保持在一个平面上；（2）使用钻机钻好孔后，应用高压风吹洗干净，孔口旁应干净无土无渣；（3）经过试验，水灰比（质量比）0.2：1时，静态破碎剂有最大的膨胀压力。因膨胀剂有少些腐蚀性应带橡皮手套，装药深度为孔深的100%；（4）水平方向和向上的钻孔，可用比钻孔直径稍小的高强度长纤维袋（水炮泥袋）装入药剂，按一个操作循环所需要的药卷数量，放在盆中倒入洁净水完全浸泡，50秒后药卷充分湿润、完全不冒气泡时，取出药卷从孔底开始逐条装入并捅紧，密实地装填到孔口，即集中浸泡，充分浸透，逐条装入，孔口用失效锚固剂封上保证水分药剂不流出、不冲孔；（5）每次拌药量不能超过实际能够完成的工作量。在浸泡过程中，取药、加水、湿润、装孔过程应基本保持一致，可以让每个孔内药剂的最大膨胀压基本保持同期出现，有利于混凝土的破碎；（6）湿润过程中已经开始发生化学反应的药剂不容许装入孔内，从药剂加入水到灌装完成，这个过程的时间不能超过10分钟，否则容易冲孔；（7）装药后，经过24小时反应时间介质即可自然开

裂。

3.2.2 施工技术参数

施工技术参数如表1所示。

表1 施工技术参数

3.2.3 施工准备

根据当地气温、药剂温度、拌水温度、被破碎体温度、是否与要求相符；检查药剂包装是否破损。操作前确定已准备好以下材料物品：（1）药剂；（2）洁净水；（3）水桶、拌合盆；（4）捅棍；（5）防护眼镜；（6）橡胶手套；（7）备用洁净水和毛巾。

3.3 应用效果对比分析

在园子沟矿井副立井-566.00m～-573.2m破坏段井壁返修期间，采用静态破碎剂应用于现场实践中，该静态破碎剂应用实践效果如图2所示。

通过图2中（a-c）对比可看出：装药前与药剂反应后，静态破碎剂已经明显改变了高强混凝土的内部结构使其破损出现明显裂痕，钢筋混凝土结构不再致密坚硬。配合人工风镐开挖每班破除量可达到5～6m3，提高人工效率3～4倍，显著缩短了施工工期，减少了材料消耗。

4 实践成果

（1）静态破碎剂可显著改善高强混凝土的内部结构使其

破损出现明显裂痕。（2）本次创新应用过期锚固剂拌合作为封口材料，封口效果良好达到废物利用效果且有效的避免了冲孔的危险。（3）利用比钻孔直径稍小的高强度长纤维袋（水炮泥袋）装入药剂与水反应可避免腐蚀、控制装药时间、避免冲孔。（4）静态破碎剂配合人工施工可广泛的适用于大理石、花岗岩等石材开采，也适用于各种钢筋混凝土建筑物的挖掘（破坏）。（5）静态破碎剂有少些腐蚀性应带橡皮手套操作，戴好安全帽、防护眼镜、穿好劳保用品，现场应专门准备好清水和毛巾，冲孔时入药剂溅入眼内和皮肤上，应立即用清水冲洗。

参考文献

[1]杨松林.荣华主井复合软岩巷联合支护技术实践[J].现代矿业，2011（3）.

[2]崔云龙.简明建井工程手册[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

[3]王怀义.试论黄淮地区立井井筒破裂原因及其治理对策[J].世界煤炭技术，1994（1）.

[4]尚永毅，李育林.路基石方劈裂静态爆破技术的应用[J].西部交通科技，2013（8）：13-15.

[5]吴康宁.冻结法凿井中的冻结管断裂及其防治[J].安徽水利水电职业技术学院学报，2010，10（2）：43-45.

[6]周兴旺.我国特殊凿井技术的发展和展望[J].煤炭科学技术，2007，35（10）：10-17.

作者简介：卢明皎（1987，12-），男，陕西商洛，本科，助理工程师，主要从事煤矿掘进支护等方面的研究工作，现为陕西麟北煤业开发有限责任公司技术员。

姜新才（1970，9-），男，陕西铜川，本科，高级工程师，主要从事煤矿安全方面的研究工作，现为陕西麟北煤业开发有限责任公司安全副总工程师兼安全监察部经理。

田建设（1973，5-），男，陕西富平，本科，高级工程师，主要从事煤矿生产、运营、管理、技术等方面的研究工作，现为陕西麟北煤业开发有限责任公司副总经理兼总工程师。