【正文】 厚度為 m，凍結(jié)最大深 度 415 m。 (3).組織攻關(guān)或完善提高階段 (1989～ 1999 年 )。至此，深厚沖積層凍結(jié)法鑿井的整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。通過科研、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展。 我國 井壁結(jié)構(gòu)型式和凍結(jié)井壁的發(fā)展 概況 我國在不穩(wěn)定淺表土層中，現(xiàn)行井壁結(jié)構(gòu)型式主要有以下幾種： 1)素混凝土井壁； 2)鋼筋混凝土井壁； 3)內(nèi)層鋼板～鋼筋混凝土復(fù)合井壁； 4)雙層鋼板混凝土復(fù)合井壁。以后凍結(jié)井壁改用單層混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的近 20 個(gè)井筒均出現(xiàn)較大漏水，雖采用壁后注漿堵水等措施，但收效甚微。 第二階段 (70 年代末期到 1987 年 )，其特征是：通過現(xiàn)場實(shí)測和實(shí)驗(yàn)研究獲得雙層井壁漏水的原因和機(jī)理，并在工程實(shí)踐基礎(chǔ)上為解決井壁漏水提出了技術(shù) 6 方向和措施。 實(shí)測結(jié)果表明：在井筒施工中，內(nèi)層井壁環(huán)向鋼筋開始受拉，當(dāng)凍結(jié)壁解凍、溫度恢復(fù)后，環(huán)向鋼筋轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌?，這是由于溫度變化使內(nèi)層并壁冷縮時(shí)受外壁所阻而產(chǎn)生拉應(yīng)力，溫度恢復(fù)正常過程中井壁熱脹而轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。 第三階段， （ 1987 年 7 月以來 ） ，華東地區(qū)的淮北、大屯、徐州、充州等礦區(qū)先后有 40 多個(gè)在特厚表土層中建設(shè)的立井井壁發(fā)生橫向破裂災(zāi)害，其共同特征是：井筒裝備異常變形，排水管、罐道縱向彎曲，甚至造成卡罐事故，罐道梁向上彎曲，呈現(xiàn)井筒下沉特征，工業(yè)場地均有沉降，井壁均為橫向環(huán)狀破裂，內(nèi)壁混凝土呈楔形塊狀剝落，內(nèi)側(cè)縱向鋼筋向井內(nèi)外凸彎曲、環(huán)向鋼筋間距減?。黄屏褧r(shí)伴有聲響。 1987 年除僅有幾次 2 級左右的小震外，無異?，F(xiàn)象。還有一些專家根據(jù)井壁破裂的特征，分析認(rèn)為有一個(gè)向下的豎 向 力導(dǎo)致井壁破裂，但這個(gè)力是如何產(chǎn)生的 ?有多大 ?影響因素是什么 ?不得而知。 國外凍結(jié)井壁發(fā)展概 況 自 50 年代后半期以來，前聯(lián)邦德國新建井筒凍結(jié)段采用滑動(dòng)復(fù)合井壁支護(hù)取代了傳統(tǒng)的丘賓筒支護(hù)方法， 1963 年又對這種復(fù)合井壁的外壁作了改進(jìn)，并用于奧 為了提高內(nèi)層井壁的強(qiáng)度，德國采用鋼板 (單或雙 )與鋼筋混凝土復(fù)合，英國采用鑄鐵丘 賓 筒 、雙層鋼板混凝土復(fù)合并壁， 丘 賓筒井壁是前蘇聯(lián)等歐洲國家所常用的、初期用鋼筋混凝土材料，以后發(fā)展為鑄鐵或鋼丘賓筒井壁，具有強(qiáng)度高、柔性好等優(yōu)點(diǎn)。 8 凍結(jié)井筒內(nèi)壁主要承受水壓力，因此從內(nèi)壁受力狀態(tài)來看，若采用現(xiàn)澆高強(qiáng)鋼筋混 凝土內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，其內(nèi)緣處于二向應(yīng)力狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度低于三軸受壓狀態(tài)值；若采用深厚表土層凍結(jié)井筒內(nèi)層鋼板高強(qiáng)鋼筋混凝土復(fù)合井壁，其內(nèi)外緣都處于三軸受壓狀態(tài)，深厚表土層凍結(jié)井筒內(nèi)層鋼板高強(qiáng)鋼筋混凝土復(fù)合井壁合理地利用約束混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，即利用內(nèi)層鋼板對混凝土筒體起了良好的約束作用，又保留了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本特性。 深厚表土層凍結(jié)井筒內(nèi)層鋼板高強(qiáng)鋼筋混凝土復(fù)合井壁承載力明顯高于高強(qiáng)鋼筋混凝土井壁，因此，在深凍結(jié)井筒內(nèi)壁下部當(dāng)高強(qiáng)鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)不能滿足強(qiáng)度要求時(shí)，深厚表土層凍結(jié)井筒內(nèi)層鋼板高強(qiáng)鋼筋混凝土復(fù)合井壁就理所當(dāng)然地成為首選。針對龍固主井 m 鉆井工程條件，首次將豎向附加力作為荷載引人鉆井井壁設(shè)計(jì)，全面考慮了井壁實(shí)際受力，設(shè)計(jì)中首次增加豎向附加力作用下危險(xiǎn)截面徑向應(yīng)變的計(jì)算，提高井壁抗豎向附加力的綜合強(qiáng)度，為防止特殊鑿井井筒使用中局部破壞提供結(jié)構(gòu)保證；首次提出了近 600 m井壁設(shè)計(jì)理論體系和計(jì)算方法，研究成功擁有知識產(chǎn)權(quán)的單內(nèi)鋼板約束混凝土井壁結(jié)構(gòu)和削球厚殼井壁底，提出用材料力學(xué)和 有限元法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析、將靜力等效轉(zhuǎn)換成截面內(nèi)力進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算、再按現(xiàn)行國家規(guī)范設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算體系，結(jié)構(gòu)合理， 9 計(jì)算先進(jìn)，安全有保證，解決了井壁承受巨大外力對強(qiáng)度要求和懸浮下沉安裝對自重限制的矛盾；井壁底成功地承受了 22300 多噸懸浮安裝荷載的考驗(yàn)；首次開發(fā)出節(jié)間處理新技術(shù)、壁后充填工藝及防止井壁懸浮下沉整休失穩(wěn)控制技術(shù)。對于深厚沖積層的支護(hù)問題就更為突出，深 600m左右沖積層凍結(jié)法施工凈直徑 6～ 7m的井筒，井壁總厚度一般都超過 2m，隨著深度的增加，井壁加厚不但造價(jià)高、施工困難而且結(jié)構(gòu)不合理，因?yàn)楹癖谕步Y(jié)構(gòu)的厚徑比大于一定值后，材料效率急劇下降；鉆井法鑿井由于受懸浮下沉安裝基本 工藝的限制，井壁太厚浮不起來，就失去了鉆井法實(shí)施的可能性。 3. 防水、治水技術(shù) 隨著井深加大，地層構(gòu)造一般比較復(fù)雜，含水層水量大、壓強(qiáng)高，水的治理往往是深井施工的大問 題，成為制約施工安全和質(zhì)量管理的瓶頸。近年來通過引進(jìn)學(xué)習(xí)國際上先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了適合我國條件的深井掘砌工藝和機(jī)械設(shè)備，取得了較大的進(jìn)步。 設(shè)計(jì)研究中存在的一些問題 1. 功凍結(jié)壁所用凍土力學(xué)參數(shù)均用地面凍土力學(xué)參數(shù)值，對深土凍土力學(xué)特性參數(shù)無論是試驗(yàn)方法，還是數(shù)值確定都有待研究 。 3. 1987 年以來，在華東地區(qū)，先后有 30 幾個(gè)厚表土層中豎井井壁發(fā)生橫向環(huán)狀破裂，嚴(yán)重影響 安全和生產(chǎn) .經(jīng)數(shù)年研究發(fā)現(xiàn)，在厚表土層中，含水層直接覆蓋在煤系地層的條件下 (常稱“特殊地層”條件 )，由于采礦活動(dòng) (或人工抽水 )造成含水層疏排水，水位下降、地層有效應(yīng)力增加而固結(jié)壓縮，地層下沉 .在地層下沉過程中對井壁外壁施加一個(gè)向下的豎直附加面力 (簡稱“豎直附加力” )是造成井壁破壞的主要原因，這是對特殊地層條件下井壁工況和受載理論和觀念上的一個(gè)突破 。主 、 副 、 風(fēng) 、 矸石井四個(gè)井筒均在同一個(gè)工業(yè)廣場內(nèi)。工廠內(nèi)的永久設(shè)備總機(jī)庫和機(jī)修車間可作為凍結(jié)站房用。 區(qū)內(nèi)現(xiàn)代地貌景觀，由東南端基巖裸露的低山、丘陵向西北過渡到厚松散層覆蓋的黃淮沖積平原，地勢呈現(xiàn)西北高而東南略低。 朱集礦井煤系地層為二疊系山西組和上 、 下石盒子組，第四系松散層厚度~，平均厚度 ，厚度變化規(guī)律隨古地形由東向西北逐漸增厚，基本沿古地形向西北傾斜，局部地段稍有起伏。一含富水性較弱，易受污染，屬農(nóng)業(yè)灌溉和居民飲用水源一含屬潛水 ~半承壓水，受大氣降水及地表水體滲入補(bǔ)給，水位變化具有季節(jié)性，與大氣降水有密切關(guān)系。詳見地層結(jié)構(gòu)表 22： 表 22 一隔地層結(jié)構(gòu)表 檢查孔 埋深 厚度 砂層 土層 土占百分?jǐn)?shù)（ ﹪ ） 頂界 底界 層數(shù) 累厚 層數(shù) 累厚 副井 1 100 主井 3 4 88 風(fēng)井 4 5 72 矸石井 1 100 左右，層厚 ~，夾土層 1~2 層，單層粘土厚度較大?？梢姸砍渑妫⒋嬖谏喜亢畬釉搅餮a(bǔ)給，為礦區(qū)供水水源。二隔土層分布比較均勻，在不破壞水力均衡條件下，具有隔水作用。呈灰綠色，灰白色，局部銹黃色松散，局部半固結(jié)。砂層多為細(xì)砂，間夾中砂，灰綠色雜銹黃色，灰白色。地層結(jié)構(gòu)見下表 24： 15 表 24 三含地層結(jié)構(gòu)表 檢查孔名稱 埋深 厚度 砂層 土層 砂層占百分?jǐn)?shù) （ ％ ） 頂界 底界 層數(shù) 累厚 層數(shù) 累厚 副井 20 17 69 主井 19 21 65 風(fēng)井 23 17 76 矸石井 20 19 70 ~，層厚 ~，基本上屬于厚層單一結(jié)構(gòu)的粘土層。詳見各孔四含分段巖性特征對照表。潘集礦區(qū)底部沙礫層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地處其北的朱集礦四含以土層為主，沙礫層比例大幅下降，上有三隔壓蓋，與三含水力聯(lián)系，下部基巖風(fēng)化帶滲透性差，因此形成以靜儲(chǔ)量為主，側(cè)向徑流微弱的承壓 條件，垂直滲透小于水平滲透，富水性局部均一，并處于停滯的特征。 Mg 型（詳見水質(zhì)分析資料匯總表）屬受輕度污染水質(zhì) 。 Ca 型個(gè)別屬 Cl ② 煤礦開采后對環(huán)境影響 煤礦生產(chǎn)開采后會(huì)對環(huán)境造成下列影響：地面沉降、噪聲污染、礦井排水和工業(yè)場地及生活服務(wù)區(qū)的生活污水會(huì)對地表水和淺層地下水造成不同程度的污染。 除此之外，淮南周圍的較大地震對淮南也曾產(chǎn)生過不同程度的破壞和震感，如：著名的 1868 年山東郯城 級大地震，波及到淮南時(shí)的最大烈度達(dá) 10 度，1971 年霍山 級地震， 1979 年固鎮(zhèn) 5 級地震， 1979 年 7 月 9 日江蘇溧陽 6級地震， 1983 年 10 月 7 日山東荷澤 級地震， 1984 年 5 月 21 日黃海 級地震等，淮南市均有不同程度的震感，但無較大破壞。不存在發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)象，但煤層開采以后存在地表沉降、地面塌陷及水資源遭受破壞等地質(zhì)災(zāi)害。由于礦井長期排水，將引起四含水位持續(xù)下降，含水層被壓縮，四含水位下降也會(huì)引起地面沉降。矸子山經(jīng)長期雨水淋濾后，一般呈酸性水流入河流或下滲到淺層地下水中，亦會(huì)造成地表水和地下水不同程度的污染，從而造成水質(zhì)變差、土壤污染， 魚 類死亡，植被萎縮，給礦區(qū)和周邊居民的生產(chǎn)生活帶來威脅。 水污染和污染物：礦井建設(shè)生產(chǎn)后，礦井排水和工業(yè)場地及生活服務(wù)區(qū)的生活污水中 COD、 BOD SS 等濃度普遍超標(biāo)，直接排入周邊地區(qū)，將會(huì)對地表水和淺層地下水造成不同程度的污染。由于煤層采掘上來，不能馬上運(yùn)走，需要堆放一定時(shí)間。 ④ 瓦斯情況 19 可采煤層瓦斯成分最高達(dá) %，瓦斯含量最高達(dá) ⑸ 礦井環(huán)境地質(zhì)問題的治理方法和措施 ① 控制大氣污染和噪音 鍋爐排放出的大氣污染物，應(yīng)該采用高效除塵器進(jìn)行消煙除塵，對產(chǎn)生噪音的污染源可安裝消聲器使 噪聲降低。 ③ 矸石山的處理和利用 煤礦長期生產(chǎn)，礦井排出的煤矸石堆面積逐漸擴(kuò)大、高度增加，容易產(chǎn)生崩塌、滑坡，還占用大量耕地，長期堆放也將污染環(huán)境，根據(jù)兩淮和外地經(jīng)驗(yàn)，可作如下利用： a. 礦井初期排出矸石可用于工業(yè)場地平整和道路路基基礎(chǔ)填料。 ④ 礦井水 的 綜合 利用 礦井水不斷排至地表，如果把這些水任意排放到河、溝里，將會(huì)造成地表水體（河流、水溝）的污染，應(yīng)該把井下出水直接排入礦井水凈化站，采 取凈化處理，處理后礦井水部分用于選煤廠洗煤用水或工業(yè)場地非生活用水，剩余部分排放入溝河。 21 第三章 朱集礦主井 凍結(jié)壁設(shè)計(jì) 基本數(shù)據(jù) ：井筒凈直徑： 凍結(jié)深度： 399m 鹽水溫度： 32℃ 表土層厚度： 主井 井筒特征 表： 表 31 主井井筒主要技術(shù)特征表 序號 項(xiàng)目 單位 主井 備注 1 井口自然標(biāo)高 m + 2 井口設(shè)計(jì)標(biāo)高 m +24 3 井筒凈直徑 m Φ 4 中心坐標(biāo) m X= Y= 5 表土層厚度 m 6 基巖風(fēng)化帶厚度 m 7 支護(hù) 厚度 凍結(jié)段 鋼筋混凝土 基巖段 素混凝土 8 凍結(jié)段最大井壁厚度 mm 1050~1600 9 井筒設(shè)計(jì)深度 m 984 表 32 主井主要凍結(jié)技術(shù)參數(shù)表 序號 參數(shù)名稱 單位 主 井 1 井筒凈直徑 m Φ 2 井壁厚度 m ~ 3 井筒最大荒徑 m Φ 4 表土層深度 m 5 凍結(jié)壁平均溫度 ℃ 15 6 積極凍結(jié)期鹽水溫度 ℃ 32 7 凍結(jié)深度 m 399 8 需要凍結(jié)壁厚度 m 9 凍結(jié)孔徑向偏徑 m 22 凍結(jié)方案的選擇 根據(jù)《礦山井巷工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》第 條規(guī)定：立井井筒的凍結(jié)深度必須穿過基巖風(fēng)化帶，伸入不透水的穩(wěn)定 巖層 10m 以上。 ⑴ 對 ~ 粘土層 c? = ① 由多姆克公式按第三強(qiáng)度理論 d ssPPEa ????? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ??? 式中： dE ：凍結(jié)壁厚度 m a：凍結(jié)壁內(nèi)半徑 m p：為地壓 取 p =，（ H 為深度， m） MPa s? ：為凍土的塑性極 限，用長時(shí)抗壓強(qiáng)度 c? 代替 本式中： a= p= = MPa s? 取 c? = MPa 帶入上式可得： 23 . 5 7 3 7 3 . 5 7 3 73 . 8 0 . 2 9 2 . 34 . 1 4 4 . 1 4dE??? ? ? ?? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ??? = ② 由多姆克公式按第四強(qiáng)度理論 d ssPPEa ????? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ??? 23 = 23 . 5 7 3 7 3 . 5 7 3 73 . 8 0 . 5 6 1 . 3 34 . 1 4 4 . 1 4??? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ??? =