【正文】 環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀 本井田位于淮北平原的南部，地勢平坦，交通便利，村莊和人口稠密，土地肥沃，屬以農(nóng)業(yè)為主的區(qū)域，目前尚無大型 的工礦企業(yè)，亦無其它大型的污染源。潘集礦區(qū)下部砂礫含水層呈南東 ~北西向條帶分布，以潘集背斜南翼最厚，呈凹槽狀向兩側(cè)及古地形凸起處變薄或尖滅，在凹槽處砂礫層厚達50~70m，粒徑 10~15mm，最大 250mm，結(jié)構(gòu)疏松致半固結(jié)狀。粘土層厚度大，結(jié)構(gòu)單一，分布穩(wěn)定，具有良好的隔水性能。松散，局部含泥質(zhì)或泥質(zhì)團塊，偶含細礫，底部有細砂盤厚 。中斷底界埋深約 187m，層厚 53 米，以砂質(zhì)粘土為主，累厚 31m，占中斷總厚的 58％，土層單層厚 ~，一般厚 3~5，呈灰綠色銹黃色，致密，含砂不均，普遍含鈣質(zhì)，呈零星分布或團塊分布，固結(jié)良好，鈣質(zhì)富集處半巖化。 見地層結(jié)構(gòu)表 23： 安徽理工大學畢業(yè)設計 14 表 23 二含地層結(jié)構(gòu)表 檢查孔 名稱 埋深 厚度 砂層 土層 砂層占百分數(shù)（ ﹪ ） 頂界 底界 層數(shù) 累厚 層數(shù) 累厚 副井 4 1 58 主井 4 2 66 風井 3 1 56 矸石井 4 2 52 5. 三含頂界埋深 ~, 底界埋深 ~，層組厚~ 19~23 層，累厚 ~，占層組厚度的 65~76％ ，夾土層 17~21 層，累厚 ~，土層單層厚度在 ~ 之間，一般厚 1~5。二含屬沖積平原型孔隙承壓水，地下水徑流方式為側(cè)向?qū)右姀搅鳎a給來源以側(cè)向和一含越流補給為主，水位隨一含按季節(jié)變化，與三含上段砂層有水力聯(lián)系。二含砂層以中細砂 、 細砂為主，底部為中粗砂，含巨粒。地下水以垂直運動為主，層間徑流微弱，排泄方式主要是人工開采 、 地面蒸發(fā) 、 植物蒸騰 、 和地表河流。本井田內(nèi)含水層由新生界安徽理工大學畢業(yè)設計 13 松散層砂層孔隙水 、 煤系地層砂巖裂隙水和石炭系太原組及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙 水三部分組成。地表水系發(fā)育，淮河流經(jīng)煤田的東南緣，其支流主要有潁河、西淝河，自西北流向東南，最后注入淮河。 地質(zhì)概況 水文地質(zhì) 淮南煤田位于華北平原南緣，為近東西向的復向斜構(gòu)造盆地。其表土段均采 用凍結(jié)法施工，基巖段采用地面預注漿封水。 統(tǒng)的理論和觀念是 :表土段井壁和巖石段井壁一樣主要承受水平地壓，僅地壓值大小不同，井壁自重等豎向力大部分由地層承擔 .實際上，在特殊地層條件下井壁在豎向不只承受自重，還要承受豎直附加力 .對井壁的力學計算不能簡化為平面力學問題，而 是三維空間力學同題 .其后，為保障特殊地層條件下，達到井壁安全，開展井壁研究，在受載組合、井壁結(jié)構(gòu)與設計原則等方面都取得創(chuàng)新性的進展 .但對井壁結(jié)構(gòu)與介傳質(zhì)間藕合作用的研究還剛剛開始，對新型井安徽理工大學畢業(yè)設計 11 壁結(jié)構(gòu)的力學研究還很欠缺，也缺乏實用時間的考驗 。(2)凍土強度僅為試件加載條件下強度，沒有考慮到試件強度與以凍土為材料的結(jié)構(gòu)物之間的關系，即未考慮尺寸效應和結(jié)構(gòu)效應 。唐口礦 3 個千米井的興建，平均月成井超百米；僅用 建成實際生產(chǎn)能力 825 萬 t/a 礦區(qū)的 “濟北模式 ” ；山 東龍固、郭屯，安徽丁集、板集的深厚沖積層特殊鑿井技術(shù)。采用注漿方法，仍是深井巖石層治水 的有效方法。因此， “結(jié)構(gòu) 創(chuàng)新 ”將成為深厚沖積層特殊鑿井支護技術(shù)發(fā)展的關鍵。使近 200 層樓高的井壁，軸線偏斜僅 134 mm和 137 mm，是鉆井法鑿井在深主、副井應用的重大突破；并首次將 C70 混凝土成功應用于雙向受約束鉆井井壁結(jié)構(gòu)，同時解決了鉆井井壁高強高性能混凝土應用防裂技術(shù)難題，確保了井壁施工質(zhì)量。 我國自 1982 年以來，首次在淮南礦業(yè)學院地下工程結(jié)構(gòu)研究所，針對潘三西風井對鋼板混凝土 井壁進行了試驗研究，但當時的研究都是針對鉆井井壁普通混凝土進行的。由于內(nèi)層鋼板的強度和彈性模量均大于外層鋼筋混凝土，兩層材料在交接面上通過錨卡連接，始終保持變形協(xié)調(diào)和良好的復合作用川。 我國現(xiàn)階段 井壁設計 方法 及工藝 目前，我國凍結(jié)井筒常用的內(nèi)層井壁結(jié)構(gòu)形式有素混凝土井壁和鋼筋混凝土井壁。維克托利亞 8 號井，此后這種井壁就以該礦縮寫字母字頭命名為 “AV井壁，并成為 400 m深度以內(nèi)的凍結(jié)段井筒 支護的標準井壁。己有的常規(guī)理論和知識、現(xiàn)有的工程經(jīng)驗均不能解釋這一災害產(chǎn)生的原因，因而探討治理方法時技術(shù)方向不明。在 1966 年邢臺 級地震中，邢臺、邯鄲、峰峰礦區(qū)井筒均未發(fā)生破裂； 1975年唐山大地震，開灤礦區(qū)井筒破裂部位在地面以下 20m 范圍內(nèi)，其破裂特征與華東地區(qū)井壁破裂特征完全不同，因而基本排除地震主因說。破裂高度 1～ 10m左右不等；破裂處多集中在表土與基巖交界處附近，距地面 100m～ 250m；破裂帶漏水，甚至水中帶砂；建井后含水層水位下降 30m～ 90m 不等，這一突發(fā)性災害，嚴重影響了礦井的生產(chǎn)，危及礦井的安全，迫使一些礦井停產(chǎn)，如張雙樓煤礦 (設計年產(chǎn)量 1. 2Mt)、淮北海孜煤礦 (核定年產(chǎn)量 0. 9Mt)、臨渙煤礦 (核定年產(chǎn)量 )等先后停產(chǎn) 2～ 8 個月，造成重大的經(jīng)濟損失。同理，在縱向冷縮過程中混凝土發(fā)生裂縫，致使解凍后漏水。 70 年代，華東地區(qū)的充州、大屯、徐州、淮南、淮北等礦區(qū)先后開始大規(guī)模開發(fā)，井筒多用凍結(jié)法施工，解決井壁漏水問題更顯緊迫。開灤礦區(qū)范各莊煤礦主井為解決漏水問題，在原井筒內(nèi)又加套一層 200 mm厚的井壁，效果很好，因此在 1 964 年邢臺煤礦主井井壁設計時首次采用雙層鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)，外層井壁自上而下分段掘砌，內(nèi)層井 壁自下而上連續(xù)砌筑，減少接茬而減少了淋水，又可克服厚井壁一次澆筑的困難。 井壁結(jié)構(gòu)是一種地下工程結(jié)構(gòu)，促進其發(fā)展的因素很多，主要是經(jīng)濟的發(fā)展，特別是采礦工業(yè)的發(fā)展，使得井壁結(jié)構(gòu)不斷的發(fā)展。 關鍵技術(shù)現(xiàn)狀：通過凍結(jié)壁溫度場、凍土物理力學性能試驗、凍結(jié)井筒地壓及井壁受力實測、豎向附加力、混凝土井壁的養(yǎng)護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、井壁設計等關 鍵技術(shù)，研究成果達到國際領先水平。 (4). 600 m深厚沖積層凍結(jié)法鑿井研究和應用探索階段 (20xx 年以來 )。隨著沖積層厚度的進一步增大，凍結(jié)管斷裂、井壁壓壞和井壁漏水量超標問題愈加突出，為此原煤炭部和國家能源投資公司提出 “認真總結(jié)已有的經(jīng)驗與教訓，在陳四樓主、副井開展深厚沖積層凍結(jié)鑿井技術(shù)攻關，有組織有計劃地攻克技術(shù)難題 ”。在凍結(jié)壁溫度場、凍結(jié)壓力、井壁溫度和壁后凍土融化回凍特性 、低溫早強混凝土強度增長規(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實測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)鑿井的設計和施工難題。 (2).探索改進或自力更生階段 (1963～ 1988 年 )。凍結(jié)壁和井壁設計以及打鉆、凍結(jié)、掘砌工藝基本上套用波蘭和前蘇聯(lián)凍結(jié)鑿井的有關規(guī)程規(guī)范。 BonaicinaC和 Fasana Ac(1973)求得了一維非線 性溫度場的數(shù)值解，同期，還 開展了與溫度有關的其他問題的科學研究。 20 世紀初阿拉斯加金礦的開采和 1942 年北美戰(zhàn)備公路的嚴重凍害的出現(xiàn)，促進了對溫度場理論上的較全面研究。 20 世紀中葉 (19451960年和 19611971 年 )又經(jīng)歷了兩個較快的發(fā)展時期，先后開展了與溫度場有關的熱力學、熱物理學、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研究和以解析解為主的理論計算研究。目前，我國已建成的井筒 ，最大凍結(jié)深度 740m口孜東礦凍結(jié)。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；山東的濟西礦 458m、梁寶寺礦 480m、龍固礦 567. 7m，郭屯礦 587m(凍結(jié)深度 702m)，萬福礦井表土達到 700m，口孜東礦凍結(jié) 740m等等。 20 世紀 90 年代中期以來，深井建設的平均深度有加速增長的趨勢，根據(jù)不同時期前 5 位深井平均的深度統(tǒng)計， 70 年代為 ， 80 年代為 ， 90年代前 5 年為 ，后 5 年為 。我國煤炭資源埋藏深度在 1000～ 20xxm的約占總儲量的 %。主井的井壁結(jié)構(gòu)設計；主要設計理念是采用雙層復合井壁，內(nèi)層井壁按承受水壓力計算，外層井壁按承受凍結(jié)壓力計算， 全井筒按水土壓力校核。 本設計的主要 研究了 建井工程中的兩大課題 —— 凍結(jié)壁和井壁結(jié)構(gòu)設計 。 隨著我國國民經(jīng)濟建設的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對能源需求越來越大。 關鍵詞： 立井、凍結(jié)壁設計、內(nèi)層井壁，外層井壁，設計。第四章是主井的井壁結(jié)構(gòu)設計。第二章主要介紹朱集礦的工程概況，水文地質(zhì)概況，和主井的主要技術(shù)參數(shù)，為而后的設計提供必要的數(shù)據(jù)儲備。設計內(nèi)容一共分為四章，分別為：第一章主要介紹國內(nèi)外凍結(jié)壁和井壁結(jié)構(gòu)設計的發(fā)展歷程，包括：設計理念的形成 、 實踐，在我國的的引進發(fā)展，和對更深層次設計思想的探索等。凍結(jié)壁平均溫度的計算，主要是利用體平均 溫度的計算方法，由于體平均溫度計算公式是適用在單排管凍結(jié)下的，而實際主井的凍結(jié)方案是三排管的差異凍結(jié)，因此最后的計算平均溫度與實際設計平均溫度有出入。然后是井壁的穩(wěn)定性 、 強度驗算以及配筋計算等，主要計算內(nèi)容有：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。我國煤炭資源埋藏深度在 1000～ 20xxm 的約占總儲量的%。 因而凍結(jié)鉆井等鑿井法成為我國建井發(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。凍結(jié)壁平均溫度的計算，主要是利用體平均溫度的計算方法。 安徽理工大學畢業(yè)設計 2 第一章 國內(nèi)外凍結(jié)壁和井壁設計現(xiàn)狀 概述 我國建井發(fā)展概況 我國煤炭相對于石油、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。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。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)開采，新建礦井的煤層都處于深厚表土地層的覆蓋之下。對煤礦井筒施工來說，穿越表土地層深度的大小是反映井筒施工技術(shù)水平高低的一個重要標志，凍結(jié)表土地層深度的大小又是反映凍結(jié)技術(shù)水平高低的一個重要標志，目前各主要使用凍結(jié)法鑿井國家的最大凍結(jié)深度如下：英國為 930m，加拿大 915m，波蘭 725m，中國 740m，比利時 638m，德國 628m，前蘇聯(lián) 620m，法國 550m，荷蘭 338m。 國外凍結(jié)法鑿井的研究現(xiàn)狀 國外對凍土溫度場的研究己有 160 多年的歷史，但早期由于測試手段的限安徽理工大學畢業(yè)設計 3 制，對凍土溫度場的認識只是處于一種表面的和感知狀態(tài) .直至 20 世紀早期，俄國成立了凍土研究委員會后，才開展了較為廣泛的研究。 北美西北歐 的一些國家和地區(qū)，與前蘇聯(lián)一樣，出 于自然資源的開發(fā)需要，也推動了凍土溫度場及其相關學科的研究進展。除自然資源的開發(fā)需要外，現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)和計算機技術(shù)在凍土研究領域中的應用也加速了該學科的發(fā)展。 50 多年的凍結(jié)法鑿井發(fā)展過程如下： (1).引進推廣階段 (1955～ 1962 年 )。主要問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。共施工了 281 個立井井筒，累計凍結(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。 (3).組織攻關或完善提高階段 (1989～ 1999 年 )。至此，深厚沖積層凍結(jié)法鑿井的整體技術(shù)達到國際先進水平。通過科研、設計、院校、施工、建設單位攻關，在近 600 m沖積層凍結(jié)壁和井壁設計、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～鋼筋混凝土復合井壁； 4)雙層鋼板混凝土復合井壁。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)場實測和實驗研究獲得雙層井壁漏水的原因和機理，并在工程實踐基礎上為解決井壁漏水提出了技術(shù)安徽理工大學畢業(yè)設計 6 方向和措施。 實測結(jié)果表明：在井 筒施工中，內(nèi)層井壁環(huán)向鋼筋開始受拉，當凍結(jié)壁解凍、溫度恢復后，環(huán)向鋼筋轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌?，這是由于溫度變化使內(nèi)層并壁冷縮時受外壁所阻而產(chǎn)生拉