【正文】 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(chēng) 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(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 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?chē)妮^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(jiàn)下表 24： 15 表 24 三含地層結(jié)構(gòu)表 檢查孔名稱(chēng) 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?jiàn)二含水量充沛，并存在上部含水層越流補(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， 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(kāi)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)。 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(kāi)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(kāi)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(kāi)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 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(kāi)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(kāi)采，新建礦井的煤層都處于深厚表土地層的覆蓋之下。 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)。 關(guān)鍵詞： 立井、凍結(jié)壁設(shè)計(jì)、內(nèi)層井壁，外層井壁，設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)提 供必要的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。凍結(jié)壁平均溫度的計(jì)算，主要是利用體平均溫度的計(jì)算方法，由于體平均溫度計(jì)算公式是適用在單排管凍結(jié)下的，而實(shí)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(jì)算平均溫度與實(shí)際設(shè)計(jì)平均溫度有出入。 1 引言 在 我國(guó)煤炭相對(duì)于石油、天然氣屬資源 屬于 比較豐富的能源，在一次能源結(jié)構(gòu)中占 70%左右。凍結(jié)壁厚度的計(jì)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(qiáng)度理論和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的平均值，來(lái)比較得到。目前，我國(guó)能源仍有 70%依賴(lài)于煤炭。由于凍結(jié)法施工適應(yīng)性廣、在施工過(guò)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(yīng)用。真正開(kāi)始理論性研究并被公認(rèn)為這門(mén)學(xué)科理論奠基人的是前蘇聯(lián)學(xué)者 溫度場(chǎng)等熱物理研究方面以 Kypbueb 。 50 多年來(lái)，應(yīng)用凍結(jié)法施工了 700 多個(gè)立井井筒，累計(jì)凍結(jié)井筒 延伸 達(dá) 150 km，最大凍結(jié)深度 702 m，沖積層最大厚度 m，成為通過(guò)不穩(wěn)定沖積層及其下部基巖風(fēng)化巖層的主要特殊施工方法。實(shí)踐中，認(rèn)識(shí)到波蘭和前蘇聯(lián)的原有凍結(jié)鑿井規(guī)程規(guī)范已不能適應(yīng)不小于 200 m沖積層凍結(jié)鑿井設(shè)計(jì)和施工的需要，從而邁上邊探索邊改進(jìn)的自 4 力更生道路，開(kāi)展基礎(chǔ)理論研究和工藝改革，有效地促進(jìn)了我國(guó)凍結(jié)法鑿井技術(shù)的發(fā)展。在凍結(jié)壁和井壁設(shè)計(jì)、凍結(jié)器鹽水流量、凍結(jié)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(qiáng)高強(qiáng)混凝土和防裂密實(shí)混凝土、凍結(jié)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(jié)深度 435 m的陳四樓主、副井創(chuàng)下凍結(jié)管無(wú)斷裂、井壁無(wú)壓壞和無(wú)淋水的記錄。井壁作為維護(hù)井筒幾何尺寸及使用功能并支撐地壓的結(jié)構(gòu)物，是礦山的咽喉，根據(jù)特殊鑿井施工特點(diǎn)和受力特性，選擇 合理的井壁結(jié)構(gòu)型式，合理設(shè)計(jì)井壁，對(duì)降低建井成本，保證礦山安全生產(chǎn)有著十分重要的意義。為解決雙層井壁漏水問(wèn)題，有的科技工作者從 “加強(qiáng)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(jié)果工程質(zhì)量雖優(yōu)，但解凍后井壁仍漏水．這個(gè)階段由于井 筒通過(guò)的表土層厚度較淺，井壁的強(qiáng)度、穩(wěn)定性均可滿(mǎn)足工程要求，但滲漏水超過(guò)規(guī)定量的問(wèn)題一直未能解決。 工程實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究還獲得了凍結(jié)壁溫度、厚度、掘進(jìn)段高及段高暴露時(shí)間與凍結(jié)壁徑向變形的關(guān)系，徑向變形對(duì)外層井 壁施加的凍結(jié)壓力隨井深、凍結(jié)壁溫度和段高等參數(shù)的變化規(guī)律和數(shù)值，及對(duì)外壁的破壞作用，這些成果為凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、設(shè)計(jì)理論的更新創(chuàng)造了條件。有的專(zhuān)家從地質(zhì)學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)觀點(diǎn)進(jìn)行分析，懷疑是郊廬大斷層活動(dòng)的影響，或地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，但為什么 郊 廬大斷層通過(guò)的開(kāi)灤、東北等礦區(qū)井壁并未大量破壞呢 ?況且如何影響也無(wú)資料佐證。具有很好的防水性能而且可以承受一定的動(dòng)壓，適應(yīng)無(wú)煤拄開(kāi)采技術(shù)。利用內(nèi)層鋼板來(lái)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。但系統(tǒng)地歸納成規(guī)律性，還有待進(jìn)一步深化。 4. 施工工藝與裝備技術(shù) 為 提高深井建設(shè)水平，除上述專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)外，關(guān)鍵在于提高施工機(jī)械化水平。 2. 對(duì)凍結(jié)法 鑿井的井壁認(rèn)識(shí)也有一個(gè)過(guò)程 ,在厚表土層中，施工對(duì)井壁的要求是有足夠的強(qiáng)度和不滲水 .自 50 年代開(kāi)始至 70 年代末，厚表土層中井壁強(qiáng)度尚能滿(mǎn)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(qiáng)施工管理提高質(zhì)量，力圖達(dá)到井壁無(wú)裂縫，但均不成功 .直到70年代末 80 年代初，在井壁受力實(shí)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)層井壁受溫度影響，產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力以至產(chǎn)生裂縫川 .這是對(duì)井壁工況認(rèn)識(shí)的一次飛躍，發(fā)現(xiàn)了井壁產(chǎn)生裂縫的原因 .在吸取國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在內(nèi)、外層井壁間加一個(gè)薄的夾層，允許內(nèi)、外層井壁間有小量滑動(dòng)，從而消除溫度應(yīng)力，保證了內(nèi)壁無(wú)裂縫，而達(dá)到了無(wú)淋水的目的 。在礦方提供的工廠(chǎng)平面圖 上界定自己的施工區(qū)，合理布置臨時(shí)設(shè)施和利用施工現(xiàn)場(chǎng)。 在東南高西北低的古地貌形態(tài)基礎(chǔ)上，自新生界以來(lái)，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為振蕩性升降運(yùn)動(dòng)，由于升降運(yùn)動(dòng)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(dá) 700m以上，新城口斷層以東不足 100m。一隔在工廠(chǎng)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。 ~，層厚 ~，為單一結(jié)構(gòu)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(jié)較好。下段底界埋深約 260，層厚73m，以砂層為主，占 86％， 夾薄層細(xì)砂 6 層，單層厚度 ~，一般厚，累厚 。根據(jù)巖性，四含可按四段劃分：底部礫石層。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 綜上所述，井田環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量現(xiàn)狀良好。 ⑶地質(zhì)災(zāi)害 據(jù)目前資料，區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)跡象，構(gòu)造穩(wěn)定性較好。 ⑷ 礦區(qū)水環(huán)境 由于礦井長(zhǎng)期排放礦井水，工業(yè)場(chǎng)地和居民生活污水如果未經(jīng)處理就任意排至河溝，將會(huì)引起地表水和淺層地下水嚴(yán)重污染。 ② 煤巖石中有害元素 各主采煤層經(jīng)取樣化學(xué)分析，煤中微量元素種類(lèi)繁多，雖然含量甚微 ，但對(duì)人體有危害的元素有：硫、磷、氯