深立井井壁防水效果分析

3.1　冻结段井壁结构与防水措施
　　冻结段井壁设计为钢筋混凝土塑料夹层井壁(图1)，在混凝土中掺入0.75%JP-1高效减水剂，设计主要技术参数见表2。
　　根据设计要求，外层井壁在冻结段施工过程中起临时支护的作用，抵抗冻结压力，套壁后构成永久井壁的一部分，承受土压或岩石压力；内层井壁为永久井壁的主体，起封水作用，承受全部水压；塑料夹层在套壁过程中起滑动层的作用，套壁后辅助内层井壁起隔水作用；加高效减水剂起减水、增强和提高抗渗性能的作用。为了提高井壁的封水效果，经研究确定，在副井内层井壁试验应用JQ防裂密实混凝土(在混凝土中掺12%JQ防裂密实剂)，取消塑料夹层(图1(b))，不掺其它外加剂。
　　无论是钢筋混凝土塑料夹层井壁或取消塑料夹层，外层井壁均自上而下分段掘筑；待施工至要求深度后，采用液压滑升模板自下而上浇注筒形壁座和连续套壁，在套壁过程中边铺设塑料夹层边浇注混凝土。
3.2　基岩段井壁结构与防水措施
　　冷泉矿主副井设计均为混凝土井壁及短段掘喷长段筑壁工艺(表3，图2)。为了提高基岩段井壁封水效果，除在全部混凝土中掺入0.75% JP-1高效减水剂外，还要求在含水层部位的混凝土中掺入15% BR-3防水剂或在井壁接茬处设651塑料止水带。后经研究确定：在副井深245～747.5m段和主井深362～729.36m段井壁全部采用JQ防裂密实混凝土，其中掺入10% JQ防裂密实剂，取消651塑料止水带及JP-1高效减水剂、BR-3防水剂，并在主井至井深362m往下改用短段掘砌喷射混凝土接茬施工工艺。

表2　冻结段井壁设计主要技术参数

表3　基岩段井壁设计主要技术参数

4　不同防水措施的效果分析

　　矿井井壁及井下主要硐室基本上采用混凝土支护， 漏水问题是亟待解决的技术关键之一。漏水的主要原因是收缩裂缝、施工缝和密实性、整体性差。前者出水以漏水、喷水为主要特征；后者出水多数以渗水和局部蜂窝喷水为主要特征。矿井混凝土支护漏水的另一特点是水量丰富、水压大，较小的缝隙都可能被穿过，造成较大漏水。井壁防水措施主要是在双层混凝土井壁之间增设防水夹层(如塑料软板等)和在混凝土中加入不同品种的外加剂(如高效减水剂、早强减水剂、防水剂、防裂密实剂等)或综合应用。

图1　冷泉矿主副井冻结段塑料夹层混凝土井壁

(a)主井井壁；(b)副井井壁；

1—混凝土锁口；2—外层混凝土井壁；3—泡沫塑料
可缩层；4—内层混凝土井壁；5—塑料软板夹层；
6—筒形混凝土壁座；7—内层防裂密实混凝土井壁；

4.1　防水机理
　　(1)在双层混凝土之间增设塑料夹层的防水机理为：①将井壁分隔成不直接接触的内外两层，使内层混凝土在浇注硬化过程中不受外层井壁的约束，而沿着塑料夹层的光滑面自由滑动，以克服或减少混凝土收缩裂缝；②辅助内层井壁起隔水作用。
　　(2)在混凝土中掺加高效减水剂或早强
减水剂可减少混凝土拌合物的用水量，改善混凝土的和易性、密实性和抗渗性。
　　(3)在混凝土中加防水剂(BR-3，HZ-7等)是充填混凝土中的毛细孔、减小孔隙率和孔隙直径，以提高混凝土的抗渗性和封水性。

图2　冷泉矿主副井基岩段井壁结构

(a)主井基岩段短段掘砌井壁；(b)副井基岩段短段掘
喷长段筑壁井壁；1—现浇喷混凝土，设计标号C40；2—喷
射混凝土接茬，设计标号C30；3—锚喷或锚网喷混凝土，设
计标号C30；4—现浇混凝土，设计标号C40

　　(4)在混凝土中加防裂密实剂使混凝土产生一定的膨胀作用，补偿混凝土硬化过程中引起的体积收缩，以克服或减少混凝土收缩裂缝；利用其减水增密性能以提高混凝土抗渗性和封水性；使新浇筑的混凝土与已有混凝土支护或围岩紧密地结合成一体，以提高混凝土支护的整体强度和整体封水性能。
4.2　封水效果
　　在双层井壁之间增设塑料夹层和在混凝土中掺入高效减水剂的防水措施，自1982年用于冻结段井壁防水以来，基本上克服了内层混凝土井壁的收缩裂缝；一般封水效果较好，但与筑壁质量和夹层注浆质量有关，有些冻结段井壁由于没及时进行夹层注浆或首次注浆质量欠佳，造成井壁较大漏水。如古汉山矿副井塑料夹层部位未及时注浆，井壁漏水量达300m³/h；东荣二矿主井、风井和陈四楼矿主井塑料夹层部位第1次注浆质量欠佳，井壁漏水量分别达104m³/h，20m³/h和80m³/h；冷泉矿主井塑料夹层部位注浆前井壁漏水量为19.9m³/h，注浆后无漏水，井筒竣工后实测井壁总涌水量为3.5m³/h。
　　从工程实践结果分析，混凝土中单掺高效减水剂或早强减水剂，封水效果不显著。如冷泉矿主井深252～362m基岩段采用短段掘喷长段筑壁工艺，在混凝土中掺入2.5% J851早强减水剂，筑壁前后的漏水量分别为3m³/h和2.4m³/h，其封水率只有19.3%，为掺JQ防裂密实剂混凝土封水率(87.4%)的1/4.5。
　　从古汉山矿主副井冻结段井壁漏水情况分析，在混凝土中掺BR-3防水剂的封水效果不显著。如该矿主井冻结段在采用塑料夹层井壁的同时，还在混凝土中掺入1% JK-2高效减水剂，在冲积层与基岩交界面附近的混凝土中掺入16.5% BR-3防水剂，而当内层井壁向上套壁(70～180m水平)时，由于下部冻结壁局部解冻导致局部漏水达6m³/h，除说明塑料夹层部位必须进行注浆充填外，也说明混凝土中掺BR-3防水剂在较大水压条件下难以达到预期的封水效果。
　　从冷泉矿主副井冻结段和基岩段井壁漏水情况分析，在混凝土中掺10%(素混凝土)～12%(钢筋混凝土)JQ防裂密实剂后，基本上消除了混凝土的收缩裂缝，封水效果较好。如副井冻结段内层井壁混凝土中掺入12% JQ防裂密实剂，取消了原设计的塑料夹层和高效减水剂，冻结壁解冻后井壁漏水量为5.46m³/h，封水率达98.56%，较主井冻结段井壁漏水量19.9m³/h减少了14.4m³/h，封水率提高3.86%；主井深362～729.36m和副井深245～747.5m基岩段，分别采用短段掘砌喷射防裂密实混凝土接茬和短段掘喷长段浇筑防裂密实混凝土，混凝土中除掺入10% JQ防裂密实剂外不另掺其它外加剂，井壁封水率分别达到69.1%和87.9%，起到分段封水作用，不需挂吊泵排水，实现了快速施工。为了进一步改善施工条件，掘砌过程中曾对井壁集中出水点进行顶水打眼注浆封水，使井筒竣工时主副井的井壁总漏水量分别为3.5m³/h和3.3m³/h，按全井总涌水量为405.26m³/h和419.21m³/h计算，主副井井壁总封水率达99.14%和99.22%。
4.3　防水附加费用
　　井壁防水措施的附加费用，主要包括附加材料费和附加工艺费。目前采取的封水措施中，防水夹层类是在混凝土浇筑过程中铺设，需要占用一部分附加劳动力，筑壁后进行夹层注浆充填需要专门占用工期和费用；外加剂类均在混凝土搅拌过程中随同水泥掺入拌合物中，无需专门占用劳动力和工期。为便于说明问题，以冷泉矿副井井筒的具体条件作为计算基础，均不计算井壁注浆费用。冻结段井壁防水附加材料费以掺JQ防裂密实剂的费用423.17元/m为最低，而塑料夹层加J851早强减水剂的费用1 996.1元/m和塑料夹层加J851早强减水剂再加BR-3防水剂的费用2 817.7元/m，分别约为掺JQ防裂密实剂的4.72倍和6.66倍。
　　基岩段井壁防水附加材料以掺BR-3防水剂加J851早强减水剂的费用925.3元/m为最高，为单掺J851早强减水剂的费用187.2元/m和单掺JQ防裂密实剂费用157.5元/m的4.94倍和5.87倍。

5　结　论

5.1　冻结段井壁防水措施
　　(1)内层井壁混凝土中掺JQ防裂密实剂能有效地克服混凝土的收缩裂缝，提高混凝土的密实性、抗渗性和井壁的整体强度、封水性能，井壁实际封水率为98.56%，比塑料夹层的封水率94.7%提高3.86%，每米井壁的防水附加材料费423.17元比塑料夹层加J851早强减水剂的防水附加材料费1 996.1元减少1 572.93元，较全面地适应冻结段井壁的防水要求。但外层井壁接茬最好采用喷射混凝土工艺，以利于进一步提高井壁的封水效果。
　　(2)双层井壁增设塑料夹层和混凝土中掺高效减水剂或早强减水剂，能有效地克服内层井壁的收缩裂缝，井壁实际封水率达94.7%，在保证塑料夹层注浆充填质量的前提下能满足冻结段井壁的封水要求。该防水措施的施工工艺较复杂，附加费用较高，应有条件地推广应用。
　　(3)内层井壁混凝土中掺BR-3防水剂，只能在一定程度上提高混凝土的抗渗性，但不能解决混凝土的收缩裂缝漏水问题，单独使用的封水效果不显著，只能作为辅助防水措施，且附加费用较高，不宜单独在高水压条件下推广应用。
　　(4)双层井壁之间增设塑料夹层的同时，在内层井壁混凝土中掺BR-3防水剂，封水效果提高不大，且费用增加较多，推广意义不大。
5.2　基岩段井壁的防水措施
　　(1)混凝土中掺入JQ防裂密实剂能有效地克服混凝土的收缩裂缝，提高强度、密实性和抗掺性，使新浇混凝土和围岩密实结合，提高封水效果。冷泉矿副井采用短段掘喷长段筑壁工艺的井壁封水率为87.9%；主井采用短段掘砌喷射混凝土接茬的井壁封水率为69.1%，起到分段封水作用，不需挂吊泵排水，能较全面地适应基岩段井壁防水和快速施工的需要。主副井基岩段总涌水量为30.26m³/h和39.12m³/h的条件下，取得月成井53.6m和52.6m的好成绩，729.36m(主井)和747.5m(副井)井筒总漏水量分别为3.3m³/h和3.5m³/h，井壁质量优良，附加费用不多而收效显著，是矿井井壁和硐室混凝土支护防水技术的重大突破。
　　(2)混凝土中掺入高效减水剂或早强减水剂，满足了井下浇筑高标号混凝土的需要，虽然也能在一定程度上提高混凝土的密实性和抗渗性，但不能解决混凝土的收缩裂缝问题，封水率只达19.3%，故只能作为筑壁的常规施工措施。
　　(3)混凝土中掺入BR-3防水剂，在一定程度上能改善混凝土的和易性和提高混凝土的密实性、抗掺性，但不能解决混凝土收缩裂缝问题，在高水压的矿井条件下，封水效果不显著，且附加费用较高，不宜单独作为井壁的防水措施。
5.3　JQ防裂密实剂的推广应用
　　(1)适用于配制早强、高强、防裂密实防水混凝土和钢筋混凝土。
　　(2)适用于冻结段井壁防水，还可取消塑料夹层、降低工程造价。若外层井壁采用喷射混凝土接茬，可以做到套壁后不漏水、不注浆。
　　(3)用于基岩段井壁防水，能起到分段封水和不挂吊泵排水，有利于实现快速施工，提高井壁质量，经济效果十分显著。既适用于短段掘喷长段筑壁施工工艺，又适用于短段掘砌喷射混凝土接茬施工工艺。
　　(4)用作冻结段井壁夹层注浆、基岩段井壁注浆以及壁后注浆的外加剂，可提高注浆封水效果。
　　(5)用于地下室、基础、道路路面、游泳池、水塔以及隧道、地下巷道、硐室等混凝土工程，能有效地解决混凝土收缩裂缝和漏水问题。

第1作者简介
　　陈文豹，男，1933年8月生，教授级高级工程师，1956年毕业于北京矿业学院矿山建筑系。从事冻结法、钻井法、松软岩层施工、混凝土外加剂及高强混凝土、防腐混凝土、防水混凝土、防裂密实混凝土和建设监理课题研究工作。曾获部级科技进步一等奖2项、二等奖1项、三等奖9项，主编过《煤矿冻结法凿井》等多部专业用书，发表论文30多篇及译文7篇。1992年被授予国家有突出贡献的专家，享受政府特殊津贴。现任中国建材工业协会混凝土外加剂协会理事、高强混凝土专业委员会委员。

作者单位：陈文豹　李功洲　煤炭科学研究总院北京建井研究所，100013；
　　　　　王小光　河南省建设投资公司，郑州，450008