【正文】 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，來比較得到。 I 朱集礦主井凍結(jié)壁和井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) A FREEZE ON THE MAIN SHAFT AND THE SHAFT WALL STRUCTURE DESIGN OF ZHUJI COAL MINE 摘 要 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)有兩個(gè)，既朱集礦主井的凍結(jié)壁和井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。第三章是主井的凍結(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。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。 II A FREEZE ON THE MAIN SHAFT AND THE SHAFT WALL STRUCTURE DESIGN OF ZHUJI COAL MINE ABSTRACT This design has two main design task is not only the Chinese set of freeze wells mine shaft wall and the structural design. Chapter I: at home and abroad to introduce a freeze on the main shaft wall and the structural design of the development process, including: the formation of design concepts, practice, in the introduction of China39。 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對能源需求越來越大。 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) 。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。我國煤炭資源埋藏深度在 1000～ 2021m的約占總儲(chǔ)量的 %。 20 世紀(jì) 90 年代中期以來，深井建設(shè)的平均深度有加速增長的趨勢，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 。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(jì)西礦 458m、梁寶寺礦 480m、龍固礦 567. 7m，郭屯礦 587m(凍結(jié)深度 702m)，萬福礦井表土達(dá)到 700m，口孜東礦凍結(jié) 740m等等。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)。 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，先后開展了與溫度場有關(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)初阿拉斯加金礦的開采和 1942 年北美戰(zhàn)備公路的嚴(yán)重凍害的出現(xiàn)，促進(jìn)了對溫度場理論上的較全面研究。 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(guān)的其他問題的科學(xué)研究。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。 (2).探索改進(jìn)或自力更生階段 (1963～ 1988 年 )。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(qiáng)混凝土強(qiáng)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(yàn)實(shí)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(shè)計(jì)和施工難題。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)問題愈加突出，為此原煤炭部和國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 ”。 (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 )。 關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀：通過凍結(jié)壁溫度場、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、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)到國際領(lǐng)先水平。 井壁結(jié)構(gòu)是一種地下工程結(jié)構(gòu)，促進(jìn)其發(fā)展的因素很多，主要是經(jīng)濟(jì)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。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(tái)煤礦主井井壁 設(shè)計(jì)時(shí)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。 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。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。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(zāi)害，嚴(yán)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(shè)計(jì)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(gè)月，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。在 1966 年邢臺(tái) 級(jí)地震中，邢臺(tái)、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。己有的常規(guī)理論和知識(shí)、現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)均不能解釋這一災(zāi)害產(chǎn)生的原因，因而探討治理方法時(shí)技術(shù)方向不明。維克托利亞 8 號(hào)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(hù)的標(biāo)準(zhǔn)井壁。 我國現(xiàn)階段 井壁設(shè)計(jì) 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。由于內(nèi)層鋼板的強(qiáng)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(fù)合作用川。 我國自 1982 年 以來，首次在淮南礦業(yè)學(xué)院地下工程結(jié)構(gòu)研究所，針對潘三西風(fēng)井對鋼板混凝土井壁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但當(dāng)時(shí)的研究都是針對鉆井井壁普通混凝土進(jìn)行的。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(yīng)用的重大突破；并首次將 C70 混凝土成功應(yīng)用于雙向受約束鉆井井壁結(jié)構(gòu)，同時(shí)解決了鉆井井壁高強(qiáng)高性能混凝 土應(yīng)用防裂技術(shù)難題，確保了井壁施工質(zhì)量。因此， “結(jié)構(gòu)創(chuàng)新 ”將成為深厚沖積層特殊鑿井支護(hù)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。采用注漿方法，仍是深井巖石層治水的有效方法。唐口礦 3 個(gè)千米井的興建，平均月成井超百 米；僅用 建成實(shí)際生產(chǎn)能力 825 萬 t/a 礦區(qū)的 “濟(jì)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)。(2)凍土強(qiáng)度僅為試件加載條件下強(qiáng)度，沒有考慮到試件強(qiáng)度與以凍土為材料的結(jié)構(gòu)物之間的關(guān)系，即未考慮尺寸效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng) 。 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(dān) .實(shí)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(xué)計(jì)算不能簡化為平面力學(xué)問題，而是三維空間力學(xué)同題 .其后，為保障特殊地層條件下，達(dá)到井壁安全，開展井壁研究，在受載組合、井壁結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)原則等方面都取得創(chuàng)新性的進(jìn)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 11 壁結(jié)構(gòu)的力學(xué)研究還很欠缺，也缺乏實(shí)用時(shí)間的考驗(yàn) 。其表土段均采用凍結(jié)法施工，基巖段采用地面預(yù)注漿封水。 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(fù)向斜構(gòu)造盆地。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。本井田內(nèi)含水層由新生界 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。地下水以垂直運(yùn)動(dòng)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。二含砂層以中細(xì)砂 、 細(xì)砂為主，底部為中粗砂，含巨粒。二含屬?zèng)_積平原型孔隙承壓水，地下水徑流方式為側(cè)向?qū)右姀搅?，補(bǔ)給來源以側(cè)向和一含越流補(bǔ)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。見地層結(jié)構(gòu)表 23： 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?jǐn)?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(fēng)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。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(tuán)塊分布，固結(jié)良好，鈣質(zhì)富集處半巖化。松散，局部含泥質(zhì)或泥質(zhì)團(tuán)塊，偶含細(xì)礫，底部有細(xì)砂盤厚 。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。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(dá)50~70m，粒徑 10~15mm，最大 250mm，結(jié)構(gòu)疏松致半固結(jié)狀。見 井筒檢查孔四含地層結(jié)構(gòu)見下表 26： 16 表 26 井筒檢查孔四含地層結(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 8 6 45 主井 6 5 23 風(fēng)井 5 8 32 矸石井 6 4 環(huán)境地質(zhì) ⑴ 井田環(huán)境地質(zhì)特征 ① 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。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）。 HCO3Mg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(fēng)化、氧化，有害元素經(jīng)雨水淋濾后被遷移擴(kuò)散，污染附近地表水及淺層地下水，大風(fēng)天氣易引起揚(yáng)塵。 國家地震局 1979 年 10 月，在淮南地區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力普查，在 7km 的深度截面地應(yīng)力相對大小等值線圖和斷裂構(gòu)造分析，明顯地存在北西西向的地應(yīng)力高值區(qū)，存在一條東西向、一條北東向的深大斷層。 ① 煤礦開采產(chǎn)生的主要地質(zhì)災(zāi)害 煤礦正常生產(chǎn)中 ，隨著采空區(qū)的不斷擴(kuò)大，采煤后導(dǎo)致地面塌陷區(qū)是難免的，造成大片農(nóng)田積水。 （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(bǔ)給水源不足，若長期開采或超量開采地下水，將會(huì)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(huì)引起地面沉降。 為保護(hù)環(huán)境，節(jié)約資源，礦井在建設(shè)的同時(shí)應(yīng)遵循國家“三同時(shí)”制度，投資建設(shè)污水處理設(shè)施，選用國內(nèi)先進(jìn)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。 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。特別采掘出來的矸石，往往堆積如山，長期經(jīng)受風(fēng)化、氧化，有害元素經(jīng)雨水淋濾后要遷移擴(kuò)散，污染了附近地表水及淺層地下水。燃（ 41 煤） 。 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(jìn)入礦井。塌陷區(qū)形成后，礦井排出矸石可用于回填塌陷區(qū)。對工業(yè)場地和生活服務(wù)區(qū)排放生活污水，不能任意排放，應(yīng)通過污水管網(wǎng)匯集至污水處理站，污水處理達(dá)標(biāo)后排入溝河?？?慮到深井凍結(jié)井筒壁座的位置、風(fēng)化帶位置及凍結(jié)孔底無效凍結(jié)段等因素，參照招標(biāo)文件和答疑資料，確定主井凍結(jié)深度為 399m