赵石畔煤矿井筒含水层腐蚀性分析与防腐蚀设计_欧阳广钱.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.005赵石畔煤矿井筒含水层腐蚀性分析与防腐蚀设计欧阳广钱，高利利，马王军，杨兴虎，周光鑫（陕西能源赵石畔煤电有限公司，陕西 榆林 719199）摘要 陕北榆横矿区地层含水层中硫酸盐含量普遍较高，严重威胁着井壁混凝土的长期稳定性。以赵石畔煤矿为例，分析建井穿越地层的含水层化学成分和矿化度，评价含水层对井壁钢筋混凝土的腐蚀性，对井壁混凝土防腐蚀进行设计。结果发现：井筒穿过 6 个含水层中有 4 个矿化度超过 8 000 mg/L，水化学类型以 SO4-Na Mg 为主；深部含水层对井壁混凝土为强腐蚀性，对钢筋为中等腐蚀性；C60、C70 高性能井壁混凝土的复合防腐剂掺量为 15%18%。关键词 井筒含水层；矿化度；腐蚀性；混凝土；钢筋中图分类号TG174文献标识码A文章编号1672-9943（2023）01-0015-030引言由于我国矿井的结构多数为斜井或立井，因此难以避免地下水的侵蚀，其中主要腐蚀性离子为Cl-、SO42-、HCO3-等1。而我国陕北榆衡地区地层中SO42-丰富，硫酸根离子从井壁混凝土的孔隙中进入其内部，与水泥水化产物发生反应生成膨胀性产物，使混凝土内部应力增大，局部微裂隙累积表现为表面开裂，大大降低了井壁混凝土的使用年限。在我国硫酸盐浓度偏高的地域，井壁受硫酸盐腐蚀的问题日益突出2。针对榆横矿区赵石畔煤矿井筒穿过的 6 个含水层的水化学类型和矿化度，对井筒含水层水质进行腐蚀性评价至关重要。这也是进行井壁高性能混凝土防腐蚀设计的基础。1井筒地层结构井筒地层依次为第四系、白垩系下统洛河组、侏罗系中统安定组、直罗组、延安组等。（1）第四系。第四系在全井场区分布。人工填土：岩性以亚沙土为主，由人工搬运形成，对井场区起到填平补齐作用，厚度为 0.007.69 m；主立井和中央回风立井处较薄，厚度为 0.000.60 m；副立井处较厚，厚度为 7.69 m。全新统风积沙：井场区均有分布，厚度为 3.3417.04 m；颜色偏浅灰黄。上更新统萨拉乌素组：仅在中央回风立井处呈小范围零星分布，厚度为 6.96 m；为粉沙夹淤泥薄层，具水平层理。中更新统离石组：颜色偏灰黄和浅棕黄，状态为半固结，内部节理发育，厚度为 32.4255.53 m。（2）白垩系下统洛河组。该组在井筒区分布较多，岩性为砂岩，相对比较单一。矿物成分主要为石英和长石，岩层中层理发育，呈现弱胶结状。岩石整体破碎，内部结构疏松，岩层的表面风化比较严重。该层厚度为 117.78130.63 m，岩与层之间接触不完整，呈现不规则状。（3）侏罗系中统安定组。该组在全井田分布，在井筒区的厚度为 120.90132.34 m。该组下部岩性主要为长石砂岩，内部节理发育，节理多呈水平方向；上部分布着部分泥岩并夹杂着部分长石砂岩，夹杂分布相对较均匀。（4）侏罗系中统直罗组。该组在全井田分布，在井筒区的厚度为 96.35123.93 m。该组岩性主要为粉砂岩和泥岩，呈河流沉积相。该组底部分布着块状、层状结构，局部分布着细砾和泥砾，呈现泥质胶结状，内部交叉层理分布较多，有明显的冲蚀特点，整体分布较稳定。（5）侏罗系中统延安组。该组含有煤层，整个矿区的该层厚度为 100.45279.46 m，平均为 158.59 m。岩性主要为砂岩、泥岩和煤，整体属于河流相-湖相沉积环境，岩层结构特征较复杂。根据岩层和煤层的分布及结构特征等可以对该层进一步细分。2井筒水文地质条件地层依次为第四系、白垩系下统洛河组、侏罗系中统安定组、直罗组、延安组等。井筒穿过地层的含水层大致可以划分为 6 个含水岩组（层）。2.1第四系松散岩类孔隙（裂隙）潜水（1）第四系松散沙层孔隙潜水。沙层零星分布于井筒区及其两侧斜坡和涧地区，井检孔揭露厚度基金项目：山东省自然科学基金（ZR202102180811）能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1152023 年 2 月Feb.,2023欧阳广钱，等赵石畔煤矿井筒含水层腐蚀性分析与防腐蚀设计为 3.3424.00 m，由粉沙、细砂夹亚砂土组成；其上为人工填土（以亚砂土为主），该层在原生状态下不含水，由于人为施工改变了原有地形地貌特征。因此，该层雨季可能含水。（2）第四系中更新统离石组裂隙孔隙潜水。岩性主要为粉土质黄土，岩层孔隙和垂直节理发育，井检孔揭露厚度为 32.4255.53 m；副立井处该组底部有 12.33 m的细、粉沙夹亚粘土层，含孔隙潜水。据 J2 号孔抽水试验，水位埋深为 52.54 m，降深为 3.627.33 m，涌水量为 0.483 30.793 8 L/s，单位涌水量为 0.108 30.133 5 L/（s m），水化学类型为HCO3-Na Mg 型，矿化度为 466 mg/L。由于该层位于洛河组砂岩顶部，直接与洛河砂岩含水层接触，因而与洛河组砂岩含水层有一定的水力联系。2.2白垩系下统洛河组砂岩裂隙孔隙承压水区内均有分布，岩性为砂岩，交错节理发育，整体裂隙较多，存储水的条件好，微承压。其表层风化强烈，岩体较破碎，据井筒检查孔观察，风化岩厚度为 47.7256.43 m。J3 号孔对洛河砂岩风化的抽水试验：静止水位埋深为 51.53 m，当降深为 7.3921.83 m时，涌水量为 2.172 15.877 2 L/s，单位涌水量为 0.269 20.293 9 L/（s m），渗透系数为 0.473 40.574 3 m/d。J1 号孔对洛河砂岩全组的抽水试验：静止水位埋深为 52.25 m，降深为 7.2621.93 m，涌水量为 2.395 86.696 3 L/s，单位涌水量为 0.305 30.330 0 L/（s m），渗透系数为 0.224 90.257 8 m/d。根据 J3 号孔和 J1 号孔检测结果表明：水化学类型分别为 HCO3-Na Ca Mg 型和 HCO3-Na Mg 型，矿化度均在 350400 mg/L。该区域含水层联系较多，比较复杂，富水性由上至下逐渐变差，风化带富水性最好。2.3侏罗系中统安定组碎屑岩类裂隙承压水岩性以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，与各粒级砂岩不等厚相间分布。含水层由各粒级砂岩构成，降深为19.2456.92m，涌水量为0.24030.7547L/s，渗透系数为 0.020 520.026 15 m/d。该组岩芯完整，裂隙不发育，储水条件差，水量较少，水温 19。水化学类型为 SO4-Na 型，矿化度为 9 192 mg/L。2.4侏罗系中统直罗组碎屑岩类裂隙承压水分布于整个井筒区，岩性为砂岩，呈现中厚层状，交错节理发育。静止水位标高为 1 145.17 m，降深为 16.2448.00 m，涌水量为 0.349 21.046 4 L/s，渗透系数为 0.043 630.052 59 m/d，水温为 21，整体富水性较弱。水化学类型为 SO4-Na Mg型水，矿化度为 8 110 mg/L。2.5侏罗系中统延安组 3#煤层顶板碎屑岩类裂隙承压水主要为 3#煤层顶板砂岩，呈现层状分布，隙面无充填物，岩芯较破碎，表面有水渍，井筒区该层砂岩厚度为 21.9927.13 m，降深为 59.75 m，涌水量为0.349 2 L/s。该段含水层水位埋深为 16.3797.75 m，当降深为 13.0458.58 m 时，涌水量为 17.6369.12 m3/d，渗透系数为 0.022 60.058 5 m/d，整体富水较弱。水化学类型为 SO4-Na 型水，矿化度为5 618.279 485.45 mg/L。2.6侏罗系中统 3#煤层下部碎屑岩类裂隙承压水3#煤层以下至延安组底界，主要为粉、细砂岩和泥岩，岩层结构完整，富水较弱。井检孔未对该层段进行抽水试验，含水段厚为 29.55 m，当降深为 50.65 m 时，涌水量为 32.31 m3/d，渗透系数为0.025 m/d。水化学类型为 SO4-Na 型水，矿化度为10 971.57 mg/L。3地下水水质及腐蚀性评价3.1地下水水质井筒区潜水无悬浮物，水温为 1014。其埋藏浅，易接受降水补给，排泄条件好，地下水循环通畅，水质属 HCO3-Na Mg 型，pH 值为 7.95，矿化度普遍小于 500 mg/L。浅部存在一定承压水，化学类型为 HCO3-Na Ca Mg型或 HCO3-Na Mg型，总硬度（以 CaCO3计）为 135161 mg/L，矿化度为 0.3740.392 g/L，pH 为8.198.54，水温为 15。深部承压水因其埋藏较深，地下水循环缓慢，径流排泄条件较差，水化学类型为 SO4-Na 型或SO4-Na Mg型，矿化度为 8 1109 192 mg/L，总硬度（以 CaCO3计）为 6413 125 mg/L，pH 值为 8.029.39，水温为 1922。3.2地下水腐蚀性评价3.2.1混凝土腐蚀性评价结合水质化验资料对地下水进行评价，评价内容如表 1 所示。含水层中的碳酸根离子、硫酸根离子、氢离子含量达到一定程度时就有了腐蚀性。碳酸根离子与混凝土中钙质发生白云化反应，进而吸水膨胀，引起井壁混凝土崩解。硫酸根离子与混凝土反应生成钙矾石、石膏等膨胀性产物，引起混凝土内应力增大，促使混凝土开裂。结合水质化验资料对本区地下水进行评价，井筒地段深部承压水162023 年 2 月Feb.,2023（J1a、J1z、J1y）中主要表现为硫酸根离子腐蚀，其中SO42-含量为 5 5995 965 mg/L，对混凝土具有强腐蚀性，所以需要对混凝土进行抗硫酸盐侵蚀的专门设计。表 1 含水层中水对混凝土腐蚀性评价3.2.2水对钢结构腐蚀性评价由于铁元素活性强于氢，氢离子能够置换铁产生氢气，铁则变为铁离子溶于水中，对钢筋来说是溶蚀作用，因此含水层中较高浓度的氢离子具有腐蚀性。一般来说，当含水层 pH 小于 7 时，都具有腐蚀性。水质化验资料评价结果如表 2 所示。由表 2分析可知，井筒区浅层地下水（Q1l、K1l）中 Cl-+SO42-最大含量为 50.27 mg/L，对钢结构具有弱腐蚀性；深部承压水（J1a、J1z、J1y）中 Cl-+SO42-含量为 5 714.36 171.9 mg/L，对钢结构具有中等腐蚀性。表 2地下水对钢结构腐蚀性评价侵蚀介质地下水中最大含量/（mg/L）腐蚀性评价Q2lK1lJ1aJ1zJ2y硫酸盐（SO42-）43.1123.265 9655 5995 846强侵蚀性CO20.000.000.000.000.00无pH7.958.198.128.029.39无18.8418.84240.0493.05.95无4663929 1928 1109 047无Mg矿化度侵蚀介质含量/（mg/L）侵蚀等级250500弱5001 500中1500强1530弱3060中6.55.0弱5.04.0中1 0002 000弱10 00020 000弱腐蚀等级pH侵蚀介质 Cl-+SO42-含量/（mg/L）地下水中 Cl-+SO42-最大含量/（mg/L）地下水 pHQ2lK1lJ1aJ1zJ2y弱50050.2733.807.959.39中5006 171.95 714.35 976.7强任何浓度31131134井壁混凝土防腐蚀设计井筒地段深部承压水（J1a、J1z、J1y）中 SO42-含量为 5 5995 965 mg/L。考虑含水层中硫酸根离子含量较高，所以设计井筒 C60、C70 混凝土的防腐剂掺量为 15%18%，具体如表 3 所示。表 3不同标号井壁混凝土建议复合防腐剂掺量由表 3 分析可知，井筒外壁 C40 混凝土主要考虑防腐蚀、防冻等性能，复合防腐剂掺量为 3%6%；外壁 C50 混凝土主要考虑防腐蚀、防冻等性能，复合防腐剂掺量为 4%7%；内壁 C50 混凝土主要考虑防腐蚀、防水等性能，复合防腐剂掺量为10%15%；C60、C70 混凝土主要考虑防腐蚀、防水等性能，复合防腐剂掺量为 15%18%。5结论（1）赵石畔矿井井筒含水层可分为 6 个。其中含水层矿化度大于 8 000 mg/L 的有 4 个，分别为9 192、8 110、9 047、10 971.57 mg/L，水化学类型主要为 SO4-Na Mg。（2）井筒地段深部承压水（J1a、J1z、J1y）中 SO42-含量为 5 5995 965 mg/L，对混凝土的腐蚀性较强，Cl-+SO42-总含量为 5 714.36 171.9 mg/L，对钢筋为中等腐蚀性。井筒区浅层地下水（Q1l、K1l）中 Cl-+SO42-最大含量为 50.27 mg/L，对钢筋为弱腐蚀性。（3）设计井筒外壁 C40 混凝土复合防腐剂掺量为 3%6%，外壁 C50 混凝土复合防腐剂掺量为4%7%，内壁 C50 混凝土复合防腐剂掺量为 10%15%，C60、C70 混凝土复合防腐剂掺量为 15%18%。参考文献1孙红尧，张兴铎，杜恒，等.钢筋表面掺石墨烯水性导电防腐蚀涂料的研究 J.水利水运工程学报，2021（2）：138-144.2季涛，王浩，葛杰，等.高级脂肪酸对混凝土中钢筋锈蚀抑制作用机理研究 J.混凝土，2019（8）：96-99.作者简介欧阳广钱（1981-），男，高级工程师，毕业于辽宁工程技术大学矿物工程专业，长期从事煤矿采掘技术管理工作。收稿日期：2022-07-21混凝土标号考虑性能外加剂种类外加剂性能建议掺量/%外壁 C40 混凝土 防腐蚀、防冻 复合防腐剂 防腐、防冻36外壁 C50 混凝土 防腐蚀、防冻 复合防腐剂 防腐、防冻47内壁 C50 混凝土 防腐蚀、防水 复合防腐剂 防腐、防水1015C60 混凝土防腐蚀、防水 复合防腐剂 防腐、防水1518C70 混凝土防腐蚀、防水 复合防腐剂 防腐、防水1518能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.117