【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 張雙樓南風(fēng)井 49 鮑店南風(fēng)井 74 金橋副井 99 25 三河尖主井 50 興隆莊主井 75 葛店主井 100 2 井壁破裂機(jī)理 通過(guò)大型模擬試驗(yàn)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和大屯煤電公司于 1989 年首次證實(shí)了特殊地層含水層疏排水時(shí)井壁豎直附加力的存在，提出了井壁破裂機(jī)理：表土含水層疏水，造成水位下降，含水層的有效應(yīng)力增大，產(chǎn)生固結(jié)壓縮，引起上覆土體下沉。土體在沉降過(guò)程中施加于井壁外表面一個(gè)以往從未認(rèn)識(shí)到的豎直附加力。豎直附加力增長(zhǎng)到一定值時(shí)，混凝土井壁不能承受巨大的豎直應(yīng)力而破壞。豎直附加力是導(dǎo)致井壁破裂的主要因素。 傳統(tǒng)的表土層井壁結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)視井壁受力為靜態(tài)、平面問(wèn)題。 在設(shè)計(jì)井壁時(shí)，認(rèn)為井壁自重的 3/4 由地層圍抱力所抵消 。但當(dāng)表土含水層失水時(shí) ,地層不但不能承擔(dān)一部分井壁自重 ,反而對(duì)井壁作用有向下的、隨時(shí)間增長(zhǎng)的豎直附加力。這 說(shuō)明此種情況下井壁受力問(wèn)題是一個(gè)動(dòng)態(tài)、空間問(wèn)題，而不是靜態(tài)、平面問(wèn)題。這一觀念是對(duì)井壁受力工況認(rèn)識(shí)上的一次飛躍。在此認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，提出了新的井壁設(shè)計(jì)原則和方法，開(kāi)發(fā)出了新的井壁結(jié)構(gòu)型式以及井壁破裂災(zāi)害的防、治技術(shù)。 3 預(yù)防新建井發(fā)生井壁破裂災(zāi)害技術(shù) 根據(jù)井壁破裂機(jī)理，豎直附加力主要與以下兩組參數(shù)有關(guān)： 1) 井壁結(jié)構(gòu)及其幾何、物理、力學(xué)參數(shù)； 6 2) 地層的幾何、物理、力學(xué)參數(shù)。 相應(yīng)地，應(yīng)建立新的井壁設(shè)計(jì)原則，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)預(yù)防井壁破裂的 技術(shù) 。 在新的井壁設(shè)計(jì)中，應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)井壁 —— 地層的相互作用；充分考慮特殊地層對(duì)井壁所造成的豎直附加荷載；考慮全部井壁自重、井筒裝備重量和井塔重量 ?？紤]溫度變化可能造成的附加荷載，按空間問(wèn)題理論進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。 增大井壁厚度，提高井壁材料強(qiáng)度，承受附加力 從理論上講，采用這種“硬抗”的辦法預(yù)防新建井井壁破裂是可能的，但是由于工況條件限制，要在凍結(jié)井筒施工中采用 C70 以上的混凝土材料是很困難的。在表土層厚達(dá) 250m 的雙層井壁設(shè)計(jì)中，若考慮附加力、井壁自重和井塔重量，即使采用如此高標(biāo)號(hào)的 混凝土材料，井壁厚度仍需 ，甚至更大。顯然，當(dāng)表土層較厚時(shí)，僅靠加大井壁厚度、采用超高強(qiáng)混凝土材料在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上都是不盡合理的。因此，此種方案只宜在表土較淺時(shí)采用。 采用新型井壁結(jié)構(gòu)，適應(yīng)附加力 基于多年來(lái)對(duì)深厚表土層中井壁受力、井壁結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的研究，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)出了適用于凍結(jié)井筒的“滑動(dòng)可縮井壁 ”（ 1991 年）和“雙層整體可縮井壁”（ 1996）結(jié)構(gòu)形式，以及適用于鉆井井筒的“單層整體可縮井壁”（ 1993）結(jié)構(gòu)形式。 滑動(dòng)可縮井壁 滑動(dòng)可縮井壁結(jié)構(gòu)形式如圖 所示。根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，在外壁中設(shè)一層或多層可壓縮層，以適應(yīng)于附加力的作用，可縮層采用 PVC 板、木質(zhì)墊板或薄鋼板盒；內(nèi)外壁間設(shè)瀝青滑動(dòng)層，以消除內(nèi)外壁間的剛性約束，減少附加力對(duì)內(nèi)壁的影響并使內(nèi)壁受力均勻、可知；內(nèi)壁采用普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其外載是由瀝青滑動(dòng)層傳遞的豎向和水平荷載。這種井壁結(jié)構(gòu)各部分功能比較明確、防水性能好、井內(nèi)裝備 無(wú)需可縮，但井壁施工工藝 圖 滑動(dòng)可縮井壁結(jié)構(gòu)示意 1外壁 2泡沫塑料夾層 3瀝青滑動(dòng)層 4可壓縮層 5內(nèi)壁 6表土層 7基巖 8井筒中心線 7 較復(fù)雜，造價(jià)較高。 雙層整體可縮井壁 圖 是根據(jù)凍結(jié)井壁受力和施工的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的雙層整體可縮井壁示意。在靠近表土與基巖交界面附近隔水層中的內(nèi)層井壁和外層井壁內(nèi)各設(shè)置一個(gè)可縮接頭。瀝青夾層起密封和滑動(dòng)作用。這樣改變了原來(lái)普通凍結(jié)井壁的豎向抗壓剛度，使井壁在受有較大豎向力時(shí)能與地層一起下沉，以免遭破壞。采用這種井壁結(jié)構(gòu)使得井壁豎向變形部位及其位移量可知，但同時(shí)要求井筒裝備可縮。該種井壁的大部分是與普通復(fù)合井壁一樣的，只將局部井壁替換為可縮接頭，其施工工藝基本上與普通凍結(jié)井壁相同，比滑 動(dòng)可縮井壁要簡(jiǎn)單得多，故造價(jià)也較低。 192345678 圖 雙層整體可縮井壁結(jié)構(gòu)示意 1內(nèi)壁 2夾層 3外壁 4表土層 5內(nèi)壁可縮層 6瀝青縮層 7外壁可縮層 8基巖 9井筒中心線 內(nèi)壁塑料夾層外壁內(nèi)壁可壓縮層井筒中心線沖積層基巖 圖 雙層內(nèi)層可縮井壁結(jié)構(gòu)示意 雙層內(nèi)層可縮井壁 圖 是根據(jù)凍結(jié)井壁受力和施工的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的雙層內(nèi)層可縮井壁結(jié)構(gòu)示意。在靠近表土與基巖交界面附近隔水層中的內(nèi)層井壁設(shè)置一個(gè)可縮接頭。通過(guò)改變了原來(lái)普通凍結(jié)井壁的豎向抗壓剛度，使井壁在受有較大豎向力時(shí)在可縮接 頭位置能與地層一起下沉，以免內(nèi)壁遭受破壞。采用這種井壁結(jié)構(gòu)使得井壁豎向變形部位及其位移量可知，但同時(shí)要求井筒裝備可縮。該種井壁的大部分是與普通復(fù)合井壁一樣的，只將局部井壁替換為可縮接頭，其施工工藝基本上與普通凍結(jié)井壁相同，比雙層滑動(dòng)可縮井壁更加簡(jiǎn)單，故造價(jià)也最低。 綜上所述，在深厚表土層的新井井壁設(shè)計(jì)中，采用加大井壁厚度、選用高強(qiáng)材料的方法來(lái)承受附加力、防止井壁破壞從理論上講是可能的，但在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是不盡合 8 理的，應(yīng)采用新型井壁結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)附加力的作用。新型的滑動(dòng)可縮井壁結(jié)構(gòu)、單層整體可縮井壁結(jié)構(gòu)、雙層整體 可縮井壁結(jié)構(gòu)、雙層內(nèi)層可縮井壁結(jié)構(gòu)均可以適應(yīng)由于地層沉降對(duì)井筒產(chǎn)生的豎向附加力，而其中尤以雙層內(nèi)層可縮井壁結(jié)構(gòu)施工最簡(jiǎn)單，造價(jià)最低，因此目前雙層內(nèi)層可縮井壁在永夏礦區(qū)新橋煤礦主副井、城郊煤礦東風(fēng)井、魯能荷澤煤電集團(tuán)郭屯煤礦主副風(fēng)井、河南吳桂橋煤礦有限公司主副井、淮南礦業(yè)集團(tuán)丁集煤礦主副風(fēng)井等礦井 均 得到了推廣應(yīng)用。 4 管板組合式井壁可縮 裝置