【正文】 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(hào) 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(hào) 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 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(guò)基巖風(fēng)化帶，伸入不透水的穩(wěn)定 巖層 10m 以上。 ③ 矸石山的處理和利用 煤礦長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)地平整和道路路基基礎(chǔ)填料。 ④ 瓦斯 情況 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 可采煤層瓦斯成分最高達(dá) %，瓦斯含量最高達(dá) 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(chǎng)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(duì)地表水和淺層地下水造成不同程度的污染。由于礦井長(zhǎng)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。 除此之外，淮南周圍的較大地震對(duì)淮南也曾產(chǎn)生過(guò)不同程度的 破壞和震感，如：著名的 1868 年山東郯城 級(jí)大地震，波及到淮南時(shí)的最大烈度達(dá) 10 度，1971 年霍山 級(jí)地震， 1979 年固鎮(zhèn) 5 級(jí)地震， 1979 年 7 月 9 日江蘇溧陽(yáng) 6級(jí)地震， 1983 年 10 月 7 日山東荷澤 級(jí)地震， 1984 年 5 月 21 日黃海 級(jí)地震等，淮南市均有不同程度的震感，但無(wú)較大破壞。 Ca 型個(gè)別屬 Cl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。地層結(jié)構(gòu)見下表 24： 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。呈灰綠色 ，灰白色，局部銹黃色松散，局部半固結(jié)?？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。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。 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(guò)渡到厚松散層覆蓋的黃淮沖積平原，地勢(shì)呈現(xiàn)西北高而東南略低。主 、 副 、 風(fēng) 、 矸石井四個(gè)井筒均在同一個(gè)工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)。 設(shè)計(jì)研究中存在的一些問(wèn)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(duì)深土凍土力學(xué)特性參數(shù)無(wú)論是試驗(yàn)方法，還是數(shù)值確定都有待研究 。 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(wèn)題，成為制約施工安全和質(zhì)量管理的瓶頸。針對(duì)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(shí)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(duì)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(guó)家規(guī)范設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)計(jì)算體系，結(jié)構(gòu)合理，安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 計(jì)算先進(jìn)，安全有保證，解決了井壁承受巨大外力對(duì)強(qiáng)度要求和懸浮下沉安裝對(duì)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)。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(lái)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(duì)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。 國(guó)外凍結(jié)井壁發(fā)展概 況 自 50 年代后半期以來(lái)，前聯(lián)邦德國(guó)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(duì)這種復(fù)合井壁的外壁作了改進(jìn)，并用于奧 1987 年除僅有幾次 2 級(jí)左右的小震外，無(wú)異?，F(xiàn)象。 實(shí)測(cè)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(guò)程中井壁熱脹而轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。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。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展。 (3).組織攻關(guān)或完善提高階段 (1989～ 1999 年 )。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。除自然資源的開發(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。 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)試手段的限安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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，才開展了較為廣泛的研究。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。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。 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)。然后是井壁的穩(wěn)定性 、 強(qiáng)度驗(yàn)算以及配筋計(jì)算等，主要計(jì)算內(nèi)容有：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。設(shè)計(jì)內(nèi)容一共分為四章，分別為：第一章主要介紹國(guó)內(nèi)外凍結(jié)壁和井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程，包括：設(shè)計(jì)理念的形成 、 實(shí)踐，在我國(guó)的的引進(jìn)發(fā)展，和對(duì)更深層次設(shè)計(jì)思想的探索等。第四章是主井的井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 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。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。 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 。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)。 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(duì)溫度場(chǎng)理論上的較全面研究。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。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。 (4). 600 m深厚沖積層凍結(jié)法鑿井研究和應(yīng)用探索階段 (20xx 年以來(lái) )。 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。 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(wèn)題更顯緊迫。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。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。 我國(guó)現(xiàn)階段 井壁設(shè)計(jì) 方法 及工藝 目前，我國(guó)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。 我國(guó)自 1982 年以來(lái)，首次在淮南礦業(yè)學(xué)院地下工程結(jié)構(gòu)研究所，針對(duì)潘三西風(fēng)井對(duì)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(duì)鉆井井壁普通混凝土進(jìn)行的。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。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(wàn) 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)。 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(duì)井壁的力學(xué)計(jì)算不能簡(jiǎn)化為平面力學(xué)問(wèn)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(duì)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(duì)新型井安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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) 。 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。本井田內(nèi)含水層由新生界安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。二含砂層以中細(xì)砂 、 細(xì)砂為主，底部為中粗砂，含巨粒。 見地層結(jié)構(gòu)表 23： 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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，