【正文】 ............................................................................. 45 致謝 ............................................................................................................................... 46 安徽理工大學畢業(yè)設計 1 引言 在 我國煤炭相對于石油、天然氣屬資源 屬于 比較豐富的能源，在一次能源結構中占 70%左右。 我國煤炭 資源豐富但 煤炭生產(chǎn)的缺口很大，煤炭深部資源開采問題日益突出，建設一批新的大型、特大型礦井已是我國經(jīng)濟建設和發(fā)展的必須。凍結壁厚度的計算，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 、 第四強度理論和經(jīng)驗公式計算結果的平均值，來比較得到。然后是穩(wěn)定性 、 強度的驗算和配筋的計算等，主要有：井壁環(huán)向穩(wěn)定性的驗算，內(nèi)外層井壁環(huán)向配筋的計算和按吊掛力計算的外層井壁的抗裂驗算和豎向抗拉鋼筋的配筋計算。目前，我國能源仍有 70%依賴于煤炭。 但在新井建 設中，首先面臨著井筒穿越深厚不穩(wěn)定表土地層的技術難題。由于凍結法施工適應性廣、在施工過程中后續(xù)手段多、施工速度快，因此，在工程中得到更多的應用。 解決東部地區(qū) 600～ 800 m深厚沖積層凍結法、鉆井法鑿井技術以及 1000～1 500 m井筒地面預注漿技術是今后特殊鑿井領域要重點研究的課題。真正開始理論性研究并被公認為這門學科理論奠基人的是前蘇聯(lián)學者 Kypbueb 。上世紀 70 年代，這些國家相繼進入了研究的高潮。 50 多年來，應用凍結法施工了 700 多個立井井筒，累計凍結井筒 延伸 達 150 km，最大凍結深度 702 m，沖積層最大厚度 m，成為通過不穩(wěn)定沖積層及其下部基巖風化巖層的主要特殊施工方法。總體水平是初步掌握了小于 200 m沖積層凍結鑿井的設計和施工技術。實踐中，認識到波蘭和前蘇聯(lián)的原有凍結鑿井規(guī)程規(guī)范已不能適應不小于 200 m沖積層凍結鑿井設計和施工的需要，從而邁上邊探索邊改進的自安徽理工大學畢業(yè)設計 4 力更生道路，開展基礎理論研究和工藝改革，有效地促進了我國凍結法鑿井技術的發(fā)展。其主要原因是凍結壁厚度偏小且強度低、掘砌段高偏大與井幫裸露時間過長、井壁強度偏低與整體封水性能差、凍結管材質(zhì)的低溫韌性和接頭密 封性差、井壁夾層注漿時間偏早或偏遲、施工管理水平低。在凍結壁和井壁設計、凍結器鹽水流量、凍結壁和外層井壁位移、豎 向附加力、井壁受力性能以及 C40～ C55 早強高強混凝土和防裂密實混凝土、凍結管材、短段掘砌工藝等方面取得了一批重大成果，在沖積層厚 m和凍結深度 435 m的陳四樓主、副井創(chuàng)下凍結管無斷裂、井壁無壓壞和無淋水的記錄。一批沖積層厚度不小于 400 m的凍結井筒開工建設， 我國深厚沖積層凍結法鑿井又面臨著新的挑戰(zhàn)和機遇，進人沖積層 600 m凍結法鑿井的理論和施工技術的研究和應用探索階段。井壁作為維護井筒幾何尺寸及使用功能并支撐地壓的結構物，是礦山的咽喉，根據(jù)特殊鑿井施工特點和受力特性，選擇合理的井壁結構型式，合理設計井壁，對降低建井成本，保證礦山安全生產(chǎn)有著 十分重要的意義。林西煤礦風井井筒全深 111. 95m，凈直徑 5m，穿過第四系表土層厚50. 7m，凍結深度 105m，采用 72cm厚缸磚單層井壁，工程進展順利，但解凍后井壁漏水嚴重。為解決雙層井壁漏水問題，有的科技工作者從 “加強施工管理、提高工程質(zhì)量 ”入手，如大屯礦區(qū)張雙樓煤礦主井在內(nèi)壁澆筑混凝土前將外壁混凝土面打毛、內(nèi)外壁鋼筋連在一起，結果工程質(zhì)量雖優(yōu)，但解凍后井壁仍漏水．這個階段由于井筒通過的表土層厚度較淺，井壁的強度、穩(wěn)定性均可滿足工程要求，但滲漏水超 過規(guī)定量的問題一直未能解決。這是我國建井技術的發(fā)展從 “經(jīng)驗型 ”向 “科研型 ”的重大轉(zhuǎn)變。 工程實測和實驗研究還獲得了凍結壁溫度、厚度、掘進段高及段高暴露時間與凍結壁徑向變形的關系，徑向變形對外層井壁施加的凍結壓力隨井深、凍結壁溫度和段高等參數(shù)的變化規(guī)律和數(shù)值，及對外 壁的破壞作用，這些成果為凍結井壁結構的改進、設計理論的更新創(chuàng)造了條件。經(jīng)調(diào)研得知：自 1985 年 以來，這些地區(qū)處于地震平靜低潮期。有的專家從地質(zhì)學和工程地質(zhì)學觀點進行分析，懷疑是郊廬大斷層活動的影響，或地質(zhì)構造運動的影響，但為什么 郊 廬大斷層通過的開灤、東北等礦區(qū)井壁并未大量破壞呢 ?況且如何影響也無資料佐證。從此破裂機理出發(fā)，建井界提出了一系列確保井壁破裂的方法。具有很好的防水性能而且可以承受一定的動壓，適應無煤拄開采技術。因此，為了滿足對特厚表土支護的要求，必須要研究凍結井筒新型井壁結構。利用內(nèi)層鋼板來約束斷面內(nèi)混凝土的徑向變形，使其處于三軸受壓狀態(tài)，井壁的承載能力則可明顯地提高。 北京建井研究所在多年對鉆井法鑿井井壁內(nèi)外力測量基礎上，進行了鉆井壁后充填與井壁固結效果的研究，進行了鉆井法井 壁與地層摩擦力模型試驗，得出鉆井井壁豎向附加力值，同時從結構理 論 上開展了約束混凝土井壁的機理研究，提出了在井壁的內(nèi)圈 加鋼板筒，對鋼筋混凝土產(chǎn)生約束作用，可以提高井壁抗御豎向附加力的能力。但系統(tǒng)地歸納成規(guī)律性，還有待進一步深化。另一方面，地溫升高將增加了凍結法施工對凍結壁維護的困難以及鉆井法施工中造成泥漿發(fā)酵而失效等問題，都是實踐中屢次遇到的現(xiàn)象，是深井特殊施工需要解決的新課題 。 4. 施工工藝與裝備技術 為 提高深井建設水平，除上述專項技術外，關鍵在于提高施工機械化水平。上述成績，雖然總體上還處于起步階段，尚未形成一套完整的適合我國煤礦深部礦井開發(fā)的先進理論、施工工藝和設備，在建井界的共同努力下，經(jīng)過 “十一五 ”期間的協(xié)同攻關，在 1000～ 1500m 深立井綜合防治水、井筒鑿砌施工工藝與技術裝備研究，深井支護以及深厚沖積層凍結法和鉆井法鑿井技 術等各方面再上一個新臺階，使我國深井快速建井綜合技術躍居世界 前茅 是完全可能的。 2. 對凍結法 鑿井的井壁認識也有一個過程 ,在厚表土層中，施工對井壁的要求是有足夠的強度和不滲水 .自 50 年代開始至 70 年代末，厚表土層中井壁強度尚能滿足要求，但均有淋水 .采用井壁外、井壁內(nèi)注漿堵水效果均微 .為消除井壁裂隙而淋水，加強施 工管理提高質(zhì)量，力圖達到井壁無裂縫，但均不成功 .直到70年代末 80年代初，在井壁受力實測中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)層井壁受溫度影響，產(chǎn)生較大溫度應力以至產(chǎn)生裂縫川 .這是對井壁工況認識的一次飛躍，發(fā)現(xiàn)了井壁產(chǎn)生裂縫的原因 .在吸取國外經(jīng)驗的基礎上，在內(nèi)、外層井壁間加一個薄的夾層，允許內(nèi)、外層井壁間有小量滑動，從而消除溫度應力，保證了內(nèi)壁無裂縫，而達到了無淋水的目的 。礦井設計生產(chǎn)能力 400 萬噸 /年。在礦方提供的工廠平面圖上界定自己的施工區(qū)，合理布置臨時設施和利用施工現(xiàn)場。水文地質(zhì)條件受區(qū)域構造及新構造運動的控制，深、淺層地下水存在明顯的差異。 在東南高西北低的古地貌形態(tài)基礎上，自新生界以來，區(qū)內(nèi)新構造運動表現(xiàn)為振蕩性升降運動，由于升降運動的差異性，沉積了西厚東薄的上第三系和第四系松散層，從丘陵邊緣向西增厚達 700m以上，新城口斷層以東不足 100m。 ~，上部為灰綠色 、 土黃色粘土，多氣孔 、 蟲穴 、植根，夾Φ 5mm 左右砂漿，下部為粉砂，厚度 ，銹黃色，疏松 ~松散，含粉土。一隔在工廠區(qū)內(nèi)比較穩(wěn)定，具隔水作用，但外圍局部變薄，砂層增厚，失去隔水作用。上段有厚層砂質(zhì)粘土，灰綠色雜棕黃色，致密局部 可塑，含鈣質(zhì)零星分布。 ~，層厚 ~，為單一結構的砂質(zhì)泥巖，淺灰綠色，土黃雜灰綠色，局部白色 、 致密，中上部含鈣質(zhì)呈半巖化，固結較好。上段底界埋深約 134m，層厚 28，以砂層為主，占 ％，夾砂質(zhì)粘土 3 層，單層厚~，累厚 ，砂層為中粗粒，多見礫石，礫徑 3~12mm,大者 3~5cm。下段底界埋深約 260，層厚73m，以砂層為主，占 86％， 夾薄層細砂 6 層，單層厚度 ~，一般厚，累厚 。排泄方式是水平徑流和人工開采，存儲量受區(qū)域調(diào)節(jié)。根據(jù)巖性，四含可按四段劃分：底部礫石層。 潘北礦和朱集礦四含均位于該沙礫層條帶的北緣，潘北礦四含平均厚 ，沙礫層占組厚的50％，朱集礦工業(yè)廣場四含厚 ~，沙礫層 占組厚的 23~45％，以含礫或不含礫的粘土、砂質(zhì)粘土、鈣質(zhì)粘土為主，其富水性小于潘北。黑河是流經(jīng)井田北部的最大地表水體，屬小型季節(jié)性河流，是流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉的主要水源，其水質(zhì)為 HCO3Ca Mg 綜上所述，井田環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量現(xiàn)狀良好。 自公元 294 年以來，許昌～淮南地震帶發(fā)生 級以上地震 14 次，其中 1831年淮南北部的平硪山（明龍山）發(fā)生 級地震，地震震中烈度為 8 度，公元294 年 7 月，淮南八公山發(fā)生 級地震，地震震中烈度達 7 度。 ⑶地質(zhì)災害 據(jù)目前資料，區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的新構造運動跡象，構造穩(wěn)定性較好。 生產(chǎn)礦井長期開采，第四含水層地下水沿基巖風化帶垂直入滲、補給煤系含水層，或以突水的方式進入礦井。 ⑷ 礦區(qū)水環(huán)境 由于礦井長期排放礦井水，工業(yè)場地和居民生活污水如果未經(jīng)處理就任意排至河溝，將會引起地表水和淺層地下水嚴重污染。 ⑸ 礦區(qū)有害物質(zhì)及其它環(huán)境污染 ① 煤礦主要污染源和污染物 大氣污染源和污染物主要來自煤礦鍋爐煙囪排放的煙氣，其次矸子山長期裸露堆放，風吹日曬，塵土飛揚污染大氣。 ② 煤巖石中有害元素 各主采煤層經(jīng)取樣化學分析，煤中微量元素種類繁多，雖然含量甚微，但對人體有危害的元素有：硫、磷、氯、氟和砷等，煤層夾矸主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖中，也同樣含有這些有害元素。由于井下溫度高，對井下工人工作條件不利，今后生產(chǎn)中都應采取有效地措施。燃，而 970m水平以下瓦斯含量較高。 本礦井供水水源地應是松散層內(nèi)第二含水層（組）砂層水，因第二含水層（組）補給條件差，屬于消耗型水源地，長期超量開采地下水，會引起地面不同程度的沉降，因此，控制開采量，一方面使第二含水層（組）水位保持一定高度，另一方面可減緩地面下沉速度。 c. 利用煤矸石粉碎制作磚瓦的材料。 b. 瓦斯的治理：一是可以采取在地面施工瓦斯抽排放鉆孔，把瓦斯用來做安徽理工大學畢業(yè)設計 20 燃料，變害為寶；二是加大井下排風量，降低瓦斯?jié)舛?，同時還要加強監(jiān)測監(jiān)控措施。 凍結壁厚度的計算 結合主井 井筒 地層柱狀圖和朱集礦凍土單軸瞬時抗壓強度實驗數(shù)據(jù)取： ~ 粘土層 c? = ~ 粘土層 c? = MPa ~ 礫砂質(zhì)粘土層 c? = MPa 三段土層為控制凍結壁厚度的土層 ?？?慮到深井凍結井筒壁座的位置、風化帶位置及凍結孔底無效凍結段等因素，參照招標文件和答疑資料，確定主井凍結深度為 399m。對工業(yè)場地和生活 服務區(qū)排放生活污水，不能任意排放，應通過污水管網(wǎng)匯集至污水處理站，污水處理達標后排入溝河。塌陷區(qū)形成后，礦井排出矸石可用于回填塌陷區(qū)。 ② 防止地面沉降速度 新生界松散層第四含水層（組）直接覆蓋煤系地層之上，四含水垂直入滲或突水 方式進入礦井。燃（ 41 煤） 。特別采掘出來的矸石，往往堆積如山，長期經(jīng)受風化、氧化，有害元素經(jīng)雨水淋濾后要遷移擴散，污染了附近地表水及淺層地下水。 固體廢物：主要是礦井排出的煤矸石和鍋爐灰渣，生活垃圾等。 為保護環(huán)境， 節(jié)約資源，礦井在建設的同時應遵循國家“三同時”制度，投資建設污水處理設施，選用國內(nèi)先進的水處理工藝，把井下排出的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，剩余部分排入河流。 （組）砂層水 本礦井今后供水水源可能取自第二含水層（組）砂層水，由于第二含水層（組）埋藏較深，補給水源不足，若長期開采或超量開采地下水，將會引起第二含水層（組）水位持續(xù)下降、含水層體積壓縮，從而會引起地面沉降。 ① 煤礦開采產(chǎn)生的主要地質(zhì)災害 煤礦正常生產(chǎn)中，隨著采空區(qū)的不斷擴大，采煤后導致地面塌陷區(qū)是難免的，造成大片農(nóng)田積水 。 國家地震局 1979 年 10 月，在淮南地區(qū)進行地應力普查，在 7km 的深度截面地應力相對大小等值線圖和斷裂構造分析，明顯地存在北西西向的地應力高值區(qū)，存在一條東西向、一條北東向的深大斷層。采掘出來的矸石，往往堆積如山，易產(chǎn)生崩塌，且長期經(jīng)受風化、氧化，有害元素經(jīng)雨水淋濾后被遷移擴散， 污染附近地表水及淺層地下水，大風天氣易引起揚塵。 HCO3Mg區(qū)內(nèi)的供水含水層主要為新生界松散層第一含水層（組）和第二含水層（組）。見 井筒檢查孔四含地層結構見下表 26： 安徽理工大學畢業(yè)設計 16 表 26 井筒檢查孔四含地層結構 表 檢查孔名稱 埋深 厚度 砂層 土層 砂層占百分數(shù) （ ％ ） 頂界 底界 層數(shù) 累厚 層數(shù) 累厚 副井 8 6 45 主井 6 5 23 風井 5 8 32 矸石井 6 4 環(huán)境地質(zhì) ⑴ 井田環(huán)境地質(zhì)特