1、赵楼煤矿主井井筒冻结段外壁裂缝的分析及防治措施1.工程概况兖州矿业集团赵楼煤矿位于山东省巨野县境内,设计生产能力 30Mt/a,服务 年限 60.1a。矿井为 立井开拓方式,主、副、风井井筒均布置在同一工业广场内,均采用冻结法施工。主井井筒净直径 7 0m,井深 921.158m;第四系和第三系冲积层厚473m,冻结深度 527m。冻结段为双层钢 筋混凝土井壁,壁厚10002100mm,混凝土 强度等级 C30 C65。井检孔资料显示,赵楼煤矿主井井筒在 236 9473m 深度范围内,第三系粘土层累计厚度达 223.15m,占 94.52%。粘土层自由膨胀率达63.5%93.0%;膨胀力一般
2、在 126kPa 以上 ,最高达 551kPa。深部粘土层具有厚度大、含水量低、膨胀性强、结冰温度低、冻土抗压强度低、冻胀显著等特点,不利于冻结施工。考虑到主井井筒冲积层深部粘土层的特性,为防止井筒冻结段凿井施工中外层井壁被压坏,分别在 360、405、430 和 460m 深处埋设了钢筋、混凝土应力应变计,压力盒及温度传感器,对外层井壁受力情况和壁后冻土温度进行监测。2.冻结段外壁两处裂缝的发展及监测井筒凿井施工初期,外壁就出现了裂缝;之后在不同深度处,外壁均有裂缝出现。裂缝形式多种多样,竖向的、环向的、成一定角度的均有,给外壁带来了一定的安全隐患。随着凿井施工的进行,有针对性地采取了加强喷
3、水养护,减少施工振动,降低混凝土水化热等措施;并和中国矿业大学合作,开展了高强混凝土配比试验研究,使得外壁裂缝得到了有效控制。但是,在井筒施工到 400m 深以下强膨胀性粘土层段后,外壁又出现了长度不一的环向裂缝。(1)430m 深 处的裂缝井深 422.79442.80m 间的强膨胀性粘土层段中,430m深处外壁西侧局部出现了环状的和斜向的裂缝。裂缝位于段高中上部,长约 1 8m,并有渗水现象。对应层位的外壁混凝土应变监测资料(埋设层位:429432m)显示,伴随裂缝的出现,对应测点的拉应变突然释放;之后竖向拉应变重新积聚,并再度释放,意味着裂缝扩展,见图 21。在这些裂缝出现和扩展过程中,
4、混凝土竖向拉应变呈现出积聚、释放、再积聚、再释放的规律。外壁浇筑约 28d 后,应变监测值基本趋于稳定。这主要是由于自外壁混凝土浇筑后第 20d 起,壁后冻土即处于热平衡状态,冻土温度变化很小,冻结压力渐趋稳定。外壁混凝土浇筑后第 1518d 间 ,该段外壁收敛监测值为 0.95mm,表明该处外壁横向变形很小,处于安全状态。从外壁裂缝特征和监测资料来看,该处裂缝渗水,表明裂缝已贯通;裂缝产生、扩展与荷载、应变积聚和释放过程相对应。此外,根据冻结孔测斜资料,430m 深处西侧有 2 根内圈冻结管偏斜较大,有劈腿现象,可能成为不均匀融沉附加力产生的诱因。因此,判断该裂缝为沉降不均与荷载双重作用的结
5、果。对于这类沉降缝的预防,应立足于提高冻结孔施工质量,控制冻结孔偏斜;同时在偏斜较大时,应考虑补孔。此外,适当加大泡沫板厚度,也可有效地抑制融沉附加力的产生、增长和延缓其作用,为外壁混凝土早期强度增长赢得时间。由于监测显示该处井壁处于安全状态,没有采取补救措施,拟在内壁施工完成后,进行壁后注浆,对涌水进行封堵和加固井壁。(2)460m 深 处的裂缝井深 443.10465.53m 间的强膨胀性粘土层段中,460m深处井筒西侧也出现了较大的裂缝。该处裂缝与上部 430m深处的裂缝有明显不同:裂缝长度已近半个圆周,外宽内窄,不渗水。应变监测(埋设层位:460463m)显示,外壁浇筑后第58d,混凝
6、土内产生了 较大的环向压应变(见图 2);但同期外壁最大冻结压力仅为 1.8MPa,远小于上部 430m 深处 4.5MPa的冻结压力。该处荷载应不足以使混凝土产生较大的环向压应变,故判断导致该应变产生的主要原因不是井壁荷载的增加,而是其他因素。根据现场观测,该裂缝出现在外壁浇筑后的第 510d,之后便趋于稳定。另外,观测显示,外壁浇筑后第1622d,外壁收敛变形为 1.15mm,表明外壁已趋于稳定,裂缝停止发展,外壁处于安全状态。根据对以上情况的综合分析,判断该裂缝为干缩裂缝。这一判断与井筒空气温度监测资料相吻合。430m 深处外壁浇筑时,井下工作面空气温度为 9 3;而460m 深处外壁浇
7、筑时,则为 17 2。空气温度的大幅度升高,造成空气湿度降低,从而导致混凝土出现了干缩裂缝。在后续施工中,包括内层井壁浇筑,有针对性地采取了控制井下工作面空气温度,提高空气湿度以及同温喷水养护等措施,有效地防止了下部外壁和内壁产生干缩裂缝。后期在内壁套壁施工到 460m 深处时,发现原外壁裂缝大部分已闭合,证实了该处外壁裂缝确实为干缩裂缝。3.结语通过对赵楼煤矿主井井筒 430m 和 460m 深两处外壁裂缝的分析可知,冻结井筒外壁裂缝产生的原因是多方面的,而且各因素间又相互关联。冻结井筒掘砌外壁施工中,应对深厚膨胀性粘土层段等重要部位的外壁受力变形及冻结壁情况进行监测,并结合具体情况,采取有针对性的预防措施,防止外壁产生裂缝,或有效控制裂缝发展,以确保外壁安全。图 21 主井井筒第 3 监测层位外壁混凝土竖向应变曲线(深度:430m)图 22 主井井筒第 4 监测层位外壁混凝土环向应变曲线(深度:462m)1最大应变;2平均应变;3 最小应变
