【正文】 .................... 22 凍結(jié)壁平均溫度的計(jì)算 ..................................................................................... 25 鉆孔施工 .......................................................................................................... 26 第四章 朱集礦主井井壁設(shè)計(jì) .......................................................................................... 32 計(jì)算原則 .......................................................................................................... 32 確定井壁厚度 ................................................................................................... 32 井壁環(huán)向穩(wěn)定性驗(yàn)算 ......................................................................................... 35 井壁圓環(huán)受均壓時(shí)的強(qiáng)度驗(yàn)算和內(nèi)外層井壁配計(jì)算 ............................................ 36 按吊掛力計(jì)算外層井壁豎向鋼筋及抗裂驗(yàn)算 ...................................................... 40 結(jié)論 ............................................................................................................................... 44 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 45 致謝 ..................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 1 引言 在 我國(guó)煤炭相對(duì)于石油、天然氣屬資源 屬于 比較豐富的能源，在一次能源結(jié)構(gòu)中占 70%左右。我國(guó)煤炭資源埋藏深度在 1000～ 2021m 的約占總儲(chǔ)量的%。 隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對(duì)能源需求越來(lái)越大。目前，我國(guó)能源仍有 70%依賴于煤炭。 我國(guó)煤炭 資源豐富但 煤炭生產(chǎn)的缺口很大，煤炭深部資源開(kāi)采問(wèn)題日益突出，建設(shè)一批新的大型、特大型礦井已是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的必須。 因而凍結(jié)鉆井等鑿井法成為我國(guó)建井發(fā)展的必然課題，然而雖然許多鑿井法已有多年的發(fā)展歷程，各種技術(shù)難題也在不斷完善，但仍存在著許多難以克服的技術(shù)難點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)的主要 研究了 建井工程中的兩大課題 —— 凍結(jié)壁和井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。文中：主井的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)；主要包括：凍結(jié)壁厚度的計(jì)算，凍結(jié)壁平均溫度的計(jì)算。凍結(jié)壁厚度的計(jì)算，主要是從表土段土層中選出三段控制其厚度的土層，然后采用多姆克第三 、 第四強(qiáng)度理論和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的平均值，來(lái)比較得到。凍結(jié)壁平均溫度的計(jì)算，主要是利用體平均溫度的計(jì)算方法。主井的井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；主要設(shè)計(jì)理念是采 用雙層復(fù)合井壁，內(nèi)層井壁按承受水壓力計(jì)算，外層井壁按承受凍結(jié)壓力計(jì)算，全井筒按水土壓力校核。確定井壁厚度，主要是根據(jù)井筒地質(zhì)柱狀圖，把表土段土層分成三層，每一層又按內(nèi)外層井壁各自承受的力分別計(jì)算出相應(yīng)的井壁厚度。然后是穩(wěn)定性 、 強(qiáng)度的驗(yàn)算和配筋的計(jì)算等，主要有：井壁環(huán)向穩(wěn)定性的驗(yàn)算，內(nèi)外層井壁環(huán)向配筋的計(jì)算和按吊掛力計(jì)算的外層井壁的抗裂驗(yàn)算和豎向抗拉鋼筋的配筋計(jì)算。 2 第一章 國(guó)內(nèi)外凍結(jié)壁和井壁設(shè)計(jì)現(xiàn)狀 概述 我國(guó)建井發(fā)展概況 我國(guó)煤炭相對(duì)于石油、天然氣屬資源賦存比較豐富的能源，在一次能源結(jié)構(gòu)中占 70%左右。我國(guó)煤炭資源埋藏深度在 1000～ 2021m的約占總儲(chǔ)量的 %。 隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對(duì)能源需求越來(lái)越大。目前，我國(guó)能源仍有 70%依賴于煤炭。煤炭生產(chǎn)的缺口很大，煤炭深部資源開(kāi)采問(wèn)題日益突出，建設(shè)一批新的大型、特大型礦井已是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的必須。 20 世紀(jì) 90 年代中期以來(lái)，深井建設(shè)的平均深度有加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，根據(jù)不同時(shí)期前 5 位深井平均的深度統(tǒng)計(jì)， 70 年代為 ， 80 年代為 ， 90年代前 5 年為 ，后 5 年為 。進(jìn)入 21 世紀(jì) ，開(kāi)始了幾個(gè)千米井的興建，我國(guó)新建深井平均深度已超過(guò)千米。 但在新井建設(shè)中，首先面臨著井筒穿越深厚不穩(wěn)定表土地層的技術(shù)難題。尤其在山東、安徽、河南、河北等省，表土覆蓋層較薄的煤田已經(jīng)開(kāi)采，新建礦井的煤層都處于深厚表土地層的覆蓋之下。例如淮南地區(qū)丁集礦 530m、顧北礦463m、板集礦 580m、口孜東 590m、展溝礦 620m、口孜西礦 680m；淮北的渦陽(yáng)礦區(qū)在 410m 以上；河南的薛湖礦井 410m、程村礦 430m、趙固礦 522m、趙樓礦 471m；山東的濟(jì)西礦 458m、梁寶寺礦 480m、龍固礦 567. 7m，郭屯礦 587m(凍結(jié)深度 702m)，萬(wàn)福礦井表土達(dá)到 700m，口孜東礦凍結(jié) 740m等等。 目前，我國(guó)通過(guò)深厚表土地層的鑿井方法主要有凍結(jié)法和鉆井法。由于凍結(jié)法施工適應(yīng)性廣、在施工過(guò)程中后續(xù)手段多、施工速度快，因此，在工程中得到更多的應(yīng)用。對(duì)煤礦井筒施工來(lái)說(shuō)，穿越表土地層深度的大小是反映井筒施工技術(shù)水平高低的一個(gè)重要標(biāo)志，凍結(jié)表土地層深度的大小又是反映凍結(jié)技術(shù)水平高低的一個(gè)重要標(biāo)志，目前各主要使用凍結(jié)法鑿井國(guó)家的最大凍結(jié)深度如下：英國(guó)為 930m，加拿大 915m，波蘭 725m，中國(guó) 740m，比利時(shí) 638m，德國(guó) 628m，前蘇聯(lián) 620m，法國(guó) 550m，荷蘭 338m。目前，我國(guó)已建成的井筒，最大凍結(jié)深度 740m口孜東礦凍結(jié)。我國(guó)已成為世界上采用凍結(jié)法鑿井最多的國(guó)家和凍結(jié)深度最大的國(guó)家之一。 解決東部地區(qū) 600～ 800 m深厚沖積層凍結(jié)法、鉆井法鑿井技術(shù)以及 1000～1 500 m井筒地面預(yù)注漿技術(shù)是今后特殊鑿井領(lǐng)域要重點(diǎn)研究的課題。 國(guó)外凍結(jié)法鑿井的研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)凍土溫度場(chǎng)的研究己有 160 多年的歷史，但早期由于測(cè)試手段的限 3 制，對(duì)凍土溫度場(chǎng)的認(rèn)識(shí)只是處于一種表面的和感知狀態(tài) .直至 20 世紀(jì)早期，俄國(guó)成立了凍土研究委員 會(huì)后，才開(kāi)展了較為廣泛的研究。 20世紀(jì)中葉 (19451960年和 19611971 年 )又經(jīng)歷了兩個(gè)較快的發(fā)展時(shí)期，先后開(kāi)展了與溫度場(chǎng)有關(guān)的熱力學(xué)、熱物理學(xué)、土壤水熱改良、工程建筑地基穩(wěn)定性以及地球表面和巖石圈層的形成等方面的試驗(yàn)研究和以解析解為主的理論計(jì)算研究。 20世紀(jì) 70年代后，計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法在前蘇聯(lián)凍土領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，使以前許多難以解決的具有復(fù)雜幾何形狀和地質(zhì)條件、考慮熱質(zhì)交換的非線性問(wèn)題在深度和廣度上都有了新的發(fā)展。真正開(kāi)始理論性研究并被公認(rèn)為這門學(xué)科理論奠基人的是前蘇聯(lián)學(xué)者 溫度場(chǎng)等熱物理研究方面以 Kypbueb 。 北美西北歐 的一些國(guó)家和地區(qū)，與前蘇聯(lián)一樣，出 于自然資源的開(kāi)發(fā)需要，也推動(dòng)了凍土溫度場(chǎng)及其相關(guān)學(xué)科的研究進(jìn)展。 20 世紀(jì)初阿拉斯加金礦的開(kāi)采和 1942 年北美戰(zhàn)備公路的嚴(yán)重凍害的出現(xiàn)，促進(jìn)了對(duì)溫度場(chǎng)理論上的較全面研究。在加拿大，這項(xiàng)研究的蓬勃發(fā)展主要起源于對(duì)極地多年凍土區(qū)石油、天然氣等資源的開(kāi)發(fā)。上世紀(jì) 70 年代，這些國(guó)家相繼進(jìn)入了研究的高潮。除自然資源的開(kāi)發(fā)需要外，現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在凍土研究領(lǐng)域中的應(yīng)用也加速了該學(xué)科的發(fā)展。 BonaicinaC和 Fasana Ac(1973)求得了一維非線 性溫度場(chǎng)的數(shù)值解，同期，還開(kāi)展了與溫度有關(guān)的其他問(wèn)題的科學(xué)研究。 我國(guó) 凍結(jié)法立井施工技術(shù)發(fā)展歷程 自 1955 年從波蘭引進(jìn)凍結(jié)鑿井技術(shù)并開(kāi)鑿了開(kāi)灤煤礦林西風(fēng)井首次應(yīng)用成功后，很快在河北、安徽、江蘇、山東、河南、山西、遼寧、黑龍江、內(nèi)蒙占、吉林等省區(qū)推廣應(yīng)用。 50 多年來(lái)，應(yīng)用凍結(jié)法施工了 700 多個(gè)立井井筒，累計(jì)凍結(jié)井筒 延伸 達(dá) 150 km，最大凍結(jié)深度 702 m，沖積層最大厚度 m，成為通過(guò)不穩(wěn)定沖積層及其下部基巖風(fēng)化巖層的主要特殊施工方法。 50 多年的 凍結(jié)法鑿井發(fā)展過(guò)程如下： (1).引進(jìn)推廣階段 (1955～ 1962 年 )。凍結(jié)壁和井壁設(shè)計(jì)以及打鉆、凍結(jié)、掘砌工藝基本上套用波蘭和前蘇聯(lián)凍結(jié)鑿井的有關(guān)規(guī)程規(guī)范。共施工 39 個(gè)立井井筒，累計(jì)凍結(jié)井筒 3 582 m，沖積層最大厚度 154. 8 m，凍結(jié)最大深度 162 m?？傮w水平是初步掌握了小于 200 m沖積層凍結(jié)鑿井的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。主要問(wèn)題是單層井壁接茬縫封水性差，一般每 100 m井壁漏水量為 20～ 40 3m /h。 (2).探索改進(jìn)或自力更生階段 (1963～ 1988 年 )。隨著沖積層厚度和凍結(jié)深度較快增長(zhǎng)，凍結(jié)管斷裂、井壁壓壞和井壁漏水量超標(biāo)現(xiàn)象不斷發(fā)生，輕則延長(zhǎng)工期和提高工程造價(jià)，重則導(dǎo)致凍結(jié)壁或井壁破裂透水淹井，危及施工安全，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)踐中，認(rèn)識(shí)到波蘭和前蘇聯(lián)的原有凍結(jié)鑿井規(guī)程規(guī)范已不能適應(yīng)不小于 200 m沖積層凍結(jié)鑿井設(shè)計(jì)和施工的需要，從而邁上邊探索邊改進(jìn)的自 4 力更生道路，開(kāi)展基礎(chǔ)理論研究和工藝改革，有效地促進(jìn)了我國(guó)凍結(jié)法鑿井技術(shù)的發(fā)展。共施工了 281 個(gè)立井井筒，累計(jì)凍結(jié)井筒延米近 50 000m，沖積層最大厚度為 m，凍結(jié)最大深 度 415 m。在凍結(jié)壁溫度場(chǎng)、凍結(jié)壓力、井壁溫度和壁后凍土融化回凍特性、低溫早強(qiáng)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律以及制冷凍結(jié)、鋼筋混凝土雙層井壁、液壓滑模套壁、鋼筋混凝土塑料夾層井壁等試驗(yàn)實(shí)測(cè)研究方面取得了一批重要成果，總體技術(shù)水平是初步解決了小于 300 m沖積層凍結(jié)鑿井的設(shè)計(jì)和施工難題。這期間經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)并存，隨著沖積層厚度不斷增大，地壓、水壓、施工難度增大，凍結(jié)管斷裂、井壁壓壞、井壁漏水仍然突出，雖在防治措施上取得了不少經(jīng)驗(yàn)，但未得到有效的根治，所以工程事故較多。其主要原因是凍結(jié)壁厚度偏小且強(qiáng)度低、掘砌段高偏大與井幫裸 露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、井壁強(qiáng)度偏低與整體封水性能差、凍結(jié)管材質(zhì)的低溫韌性和接頭密封性差、井壁夾層注漿時(shí)間偏早或偏遲、施工管理水平低。 (3).組織攻關(guān)或完善提高階段 (1989～ 1999 年 )。隨著沖積層厚度的進(jìn)一步增大，凍結(jié)管斷裂、井壁壓壞和井壁漏水量超標(biāo)問(wèn)題愈加突出，為此原煤炭部和國(guó)家能源投資公司提出 “認(rèn)真總結(jié)已有的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，在陳四樓主、副井開(kāi)展深厚沖積層凍結(jié)鑿井技術(shù)攻關(guān)，有組織有計(jì)劃地攻克技術(shù)難題 ”。這一階段共施工了110 個(gè)立井井筒，累計(jì)凍結(jié)井筒延米超過(guò) 20210 m，最大沖積層厚度為 383 m，凍結(jié)深度為 435 m。在凍結(jié)壁和井壁設(shè)計(jì)、凍結(jié)器鹽水流量、凍結(jié)壁和外層井壁位移、豎向附加力、井壁受力性能以及 C40～ C55 早強(qiáng)高強(qiáng)混凝土和防裂密實(shí)混凝土、凍結(jié)管材、短段掘砌工藝等方面取得了一批重大成果，在沖積層厚 m和凍結(jié)深度 435 m的陳四樓主、副井創(chuàng)下凍結(jié)管無(wú)斷裂、井壁無(wú)壓壞和無(wú)淋水的記錄。至此，深厚沖積層凍結(jié)法鑿井的整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 (4). 600 m深厚沖積層凍結(jié)法鑿井研究和應(yīng)用探索階段 (2021 年以來(lái) )。剛跨人 21 世紀(jì)，我國(guó)煤炭基本建設(shè)又出現(xiàn)了一個(gè)新高潮，立井穿過(guò)的沖積層厚度和凍結(jié)深度 達(dá)到一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。一批沖積層厚度不小于 400 m的凍結(jié)井筒開(kāi)工建設(shè)，我國(guó)深厚沖積層凍結(jié)法鑿井又面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，進(jìn)人沖積層 600 m凍結(jié)法鑿井的理論和施工技術(shù)的研究和應(yīng)用探索階段。通過(guò)科研、設(shè)計(jì)、院校、施工、建設(shè)單位攻關(guān)，在近 600 m沖積層凍結(jié)壁和井壁設(shè)計(jì)、凍結(jié)工藝、掘砌工藝、信息化施工等方面取得一系列成果，但系統(tǒng)規(guī)范性的工作還有待開(kāi)展。 關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀：通過(guò)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)、凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)、凍結(jié)井筒地壓及井壁受力實(shí)測(cè)、豎向附加力、混凝土井壁的養(yǎng)護(hù)溫度及壁后凍土融化與回凍特性、外層井壁整體受力性能試 驗(yàn)等一系列研究，解決了近 600 m沖積層深井凍結(jié)的凍結(jié)壁、井壁設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，研究成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。 井壁結(jié)構(gòu)概 況 5 在整個(gè)礦井建設(shè)中，井筒工程量為礦井總工程量的 3%～ 8%，耗用的投資為礦井總投資的 10%～ 21%，施工工期即占礦井總工期的 30% ～ 55%；而凍結(jié)段對(duì)施工安全要求較高從而又是井筒施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)；因此在確保安全的前提下提