【文章內(nèi)容簡介】 張雙樓南風井 49 鮑店南風井 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 井壁破裂機理 通過大型模擬試驗，中國礦業(yè)大學和大屯煤電公司于 1989 年首次證實了特殊地層含水層疏排水時井壁豎直附加力的存在，提出了井壁破裂機理：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。土體在沉降過程中施加于井壁外表面一個以往從未認識到的豎直附加力。豎直附加力增長到一定值時，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)計視井壁受力為靜態(tài)、平面問題。 在設(shè)計井壁時，認為井壁自重的 3/4 由地層圍抱力所抵消 。但當表土含水層失水時 ,地層不但不能承擔一部分井壁自重 ,反而對井壁作用有向下的、隨時間增長的豎直附加力。這 說明此種情況下井壁受力問題是一個動態(tài)、空間問題，而不是靜態(tài)、平面問題。這一觀念是對井壁受力工況認識上的一次飛躍。在此認識的基礎(chǔ)上，提出了新的井壁設(shè)計原則和方法，開發(fā)出了新的井壁結(jié)構(gòu)型式以及井壁破裂災害的防、治技術(shù)。 3 預防新建井發(fā)生井壁破裂災害技術(shù) 根據(jù)井壁破裂機理，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、力學參數(shù)； 6 2) 地層的幾何、物理、力學參數(shù)。 相應(yīng)地，應(yīng)建立新的井壁設(shè)計原則，在此基礎(chǔ)上開發(fā)預防井壁破裂的 技術(shù) 。 在新的井壁設(shè)計中，應(yīng)該充分認識井壁 —— 地層的相互作用；充分考慮特殊地層對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，按空間問題理論進行設(shè)計計算，用第四強度理論進行強度驗算。 增大井壁厚度，提高井壁材料強度，承受附加力 從理論上講，采用這種“硬抗”的辦法預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 250m 的雙層井壁設(shè)計中，若考慮附加力、井壁自重和井塔重量，即使采用如此高標號的 混凝土材料，井壁厚度仍需 ，甚至更大。顯然，當表土層較厚時，僅靠加大井壁厚度、采用超高強混凝土材料在技術(shù)上、經(jīng)濟上都是不盡合理的。因此，此種方案只宜在表土較淺時采用。 采用新型井壁結(jié)構(gòu)，適應(yīng)附加力 基于多年來對深厚表土層中井壁受力、井壁結(jié)構(gòu)與設(shè)計的研究，中國礦業(yè)大學開發(fā)出了適用于凍結(jié)井筒的“滑動可縮井壁 ”（ 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。 滑動可縮井壁 滑動可縮井壁結(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)瀝青滑動層，以消除內(nèi)外壁間的剛性約束，減少附加力對內(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 無需可縮，但井壁施工工藝 圖 滑動可縮井壁結(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 較復雜，造價較高。 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而設(shè)計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)置一個可縮接頭。瀝青夾層起密封和滑動作用。這樣改變了原來普通凍結(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，但同時要求井筒裝備可縮。該種井壁的大部分是與普通復合井壁一樣的，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 動可縮井壁要簡單得多，故造價也較低。 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而設(shè)計的雙層內(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)置一個可縮接頭。通過改變了原來普通凍結(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，但同時要求井筒裝備可縮。該種井壁的大部分是與普通復合井壁一樣的，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，比雙層滑動可縮井壁更加簡單，故造價也最低。 綜上所述，在深厚表土層的新井井壁設(shè)計中，采用加大井壁厚度、選用高強材料的方法來承受附加力、防止井壁破壞從理論上講是可能的，但在技術(shù)和經(jīng)濟上都是不盡合 8 理的，應(yīng)采用新型井壁結(jié)構(gòu)來適應(yīng)附加力的作用。新型的滑動可縮井壁結(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)施工最簡單，造價最低，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、城郊煤礦東風井、魯能荷澤煤電集團郭屯煤礦主副風井、河南吳桂橋煤礦有限公司主副井、淮南礦業(yè)集團丁集煤礦主副風井等礦井 均 得到了推廣應(yīng)用。 4 管板組合式井壁可縮 裝置