【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 結(jié)井筒地壓及井壁受力實(shí)測(cè)、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)概 況 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 在整個(gè)礦井建設(shè)中，井筒工程量為礦井總工程量的 3%～ 8%，耗用的投資為礦井總投資的 10%～ 21%，施工工期即占礦井總工期的 30% ～ 55%；而凍結(jié)段對(duì)施工安全要求較高從而又是井筒施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)；因此在確保安全的前提下提高凍結(jié)段的施工速度是控制井筒施工工期乃至礦井建設(shè)總工期的關(guān)鍵。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。 我國 井壁結(jié)構(gòu)型式和凍結(jié)井壁的發(fā)展 概況 我國在不穩(wěn)定淺表土層中，現(xiàn)行井壁結(jié)構(gòu)型式主要有以下幾種： 1)素混凝土井壁； 2)鋼筋混凝土井壁； 3)內(nèi)層鋼板～鋼筋混凝土復(fù)合井壁； 4)雙層鋼板混凝土復(fù)合井壁。 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。 40 多年來，我國對(duì)凍結(jié)井壁的認(rèn)識(shí)和研究經(jīng)歷了三個(gè)階段： 第一階段 (從 1955 年我國首次在開灤礦區(qū)林西煤礦風(fēng)井采用凍結(jié)法鑿井至70 年代末 )，其特征是 ： 沿用巖石段井壁的結(jié) 構(gòu)形式和設(shè)計(jì)原則，僅是外載荷大小不同。林西煤礦風(fēng)井井筒全深 111. 95m，凈直徑 5m，穿過第四系表土層厚50. 7m，凍結(jié)深度 105m，采用 72cm厚缸磚單層井壁，工程進(jìn)展順利，但解凍后井壁漏水嚴(yán)重。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。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。邢臺(tái)煤礦主井通過表土層厚 248. 3m，凍結(jié)深度 260 m，井壁厚 ～ 不等，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C20～ C30，但工程完成后，仍有大于工程要求的淋水。為解決雙層井壁漏水問題，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)階段由于井筒通過的表土層厚度較淺，井壁的強(qiáng)度、穩(wěn)定性均可滿足工程要求，但滲漏水超 過規(guī)定量的問題一直未能解決。 第二階段 (70 年代末期到 1987 年 )，其特征是：通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究獲得雙層井壁漏水的原因和機(jī)理，并在工程實(shí)踐基礎(chǔ)上為解決井壁漏水提出了技術(shù)安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 方向和措施。 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。由于在傳統(tǒng)的對(duì)井壁認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上所提出的技術(shù)措施未能如愿，促使建井界轉(zhuǎn)向開展工程實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究，作為工程措施的基礎(chǔ)。這是我國建井技術(shù)的發(fā)展從 “經(jīng)驗(yàn)型 ”向 “科研型 ”的重大轉(zhuǎn)變。 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)正常過程中井壁熱脹而轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。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。發(fā)現(xiàn)并認(rèn)識(shí)了凍結(jié)井壁漏水機(jī)理后，為解決該問題的技術(shù)路線指出了方向：主要是消除溫度應(yīng)力，使內(nèi)壁無裂縫。 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。 第三階段， （ 1987 年 7 月以來 ） ，華東地區(qū)的淮北、大屯、徐州、充州等礦區(qū)先后有 40 多個(gè)在特厚表土層中建設(shè)的立井井壁發(fā)生橫向破裂災(zāi)害，其共同特征是：井筒裝備異常變形，排水管、罐道縱向彎曲，甚至造成卡罐事故，罐道梁向上彎曲，呈現(xiàn)井筒下沉特征，工業(yè)場(chǎng)地均有沉降，井壁均為橫向環(huán)狀破裂，內(nèi)壁混凝土呈楔形塊狀剝落，內(nèi)側(cè)縱向鋼筋向井內(nèi)外凸彎曲、環(huán)向鋼筋間距減?。黄屏褧r(shí)伴有聲響。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。 井壁破裂災(zāi)害對(duì)有厚表土覆蓋礦區(qū)的開發(fā)、開采構(gòu)成威脅，各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)專家多次研討、分析原因、探討對(duì)策，但眾說紛 紜 ，由于發(fā)生井壁破裂災(zāi)害的時(shí)間和地區(qū)相對(duì)集中，曾懷疑是地震的影響。經(jīng)調(diào)研得知：自 1985 年 以來，這些地區(qū)處于地震平靜低潮期。 1987 年除僅有幾次 2 級(jí)左右的小震外，無異?，F(xiàn)象。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。也有的專家懷疑是安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 井壁工程質(zhì)量欠佳，經(jīng)對(duì)已破裂井壁施工質(zhì)量資料分析，確有質(zhì)量差的井壁發(fā)生破裂，而質(zhì)量好的一些井壁也發(fā)生了破裂，個(gè)別質(zhì)量差的井壁還未發(fā)生破裂，因而用工程質(zhì)量難以解釋這一現(xiàn)象，但認(rèn)為質(zhì)量是一個(gè)因素。有的專家從地質(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 廬大斷層通過的開灤、東北等礦區(qū)井壁并未大量破壞呢 ?況且如何影響也無資料佐證。還有一些專家根據(jù)井壁破裂的特征，分析認(rèn)為有一個(gè)向下的豎 向 力導(dǎo)致井壁破裂，但這個(gè)力是如何產(chǎn)生的 ?有多大 ?影響因素是什么 ?不得而知。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。為攻克這一難題，建井界開展了大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)、模型試驗(yàn)研究，經(jīng)過多年的研究終于認(rèn)識(shí)到：井壁破裂主要是由于采 礦活動(dòng)或人為疏排水使含水層水位下降，土體有效應(yīng)力增加，土層固結(jié)壓縮，造成地層下沉，地層在下沉過程中給井筒外壁施加了一個(gè)方向向下的豎直附加面力，該力是導(dǎo)致井筒破裂的主要原因。從此破裂機(jī)理出發(fā)，建井界提出了一系列確保井壁破裂的方法。 國外凍結(jié)井壁發(fā)展概 況 自 50 年代后半期以來，前聯(lián)邦德國新建井筒凍結(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 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。這種井壁結(jié)構(gòu)各層從外向內(nèi)依次為：水泥砂漿充填層、混凝土預(yù)制塊加可壓縮木墊板構(gòu)成臨時(shí)外壁、瀝青層，密封防水鋼板筒 6mm～ 10mm 厚 (內(nèi)層涂薄層瀝青層 )，鋼筋混凝土內(nèi)壁為永久井壁，沿縱向可彎曲， 3m為一段高，中間涂以潤(rùn)滑 油作施工縫，這種井壁的最大優(yōu)點(diǎn)是兼有可彎曲、可滑動(dòng)和可壓縮的特 點(diǎn) 。具有很好的防水性能而且可以承受一定的動(dòng)壓，適應(yīng)無煤拄開采技術(shù)。 為了提高內(nèi)層井壁的強(qiáng)度，德國采用鋼板 (單或雙 )與鋼筋混凝土復(fù)合，英國采用鑄鐵丘賓 筒 、雙層鋼板混凝土復(fù)合并壁， 丘 賓筒井壁是前蘇聯(lián)等歐洲國家所常用的、初 期用鋼筋混凝土材料，以后發(fā)展為鑄鐵或鋼丘賓筒井壁，具有強(qiáng)度高、柔性好等優(yōu)點(diǎn)。 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。隨著井筒穿過的表土層厚度增加和地壓加大，對(duì)井壁承載力也提出了更高的要求，現(xiàn)行的井壁結(jié)構(gòu)承載力已難以滿足設(shè)計(jì)要求。因此，為了滿足對(duì)特厚表土支護(hù)的要求，必須要研究?jī)鼋Y(jié)井筒新型井壁結(jié)構(gòu)。 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。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。外層結(jié)構(gòu)受力變形，將力傳遞給內(nèi)層鋼板，而鋼板在承受外力的條件下，又以徑向力的形式，反作用于外層混凝土筒體，使其內(nèi)側(cè)產(chǎn)生徑向約束壓應(yīng)力，從而減小了混凝土內(nèi)側(cè) 徑向應(yīng)變，當(dāng)該徑向應(yīng)力達(dá)到一定值后，內(nèi)側(cè)徑向應(yīng)變小于混凝土的極限值，井壁就不會(huì)過早地發(fā)生保護(hù)層脫落和破壞。利用內(nèi)層鋼板來約束斷面內(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。 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)合井壁承載力明顯高于高強(qiáng)鋼筋混凝土井壁，因此，在深凍結(jié)井筒內(nèi)壁下部當(dāng)高強(qiáng)鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)不能滿足強(qiáng)度要求時(shí)，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)合井壁就理所當(dāng)然地成為首選。 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(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。近幾年的實(shí)踐證明，在特厚表土層中建井，要求井壁結(jié)構(gòu)具有較高的承載力，但井壁又不能太厚，提高井壁結(jié)構(gòu)中混凝土的強(qiáng)度等級(jí)是解決這一矛盾的重要途徑，在鋼板復(fù)合井壁中采用高強(qiáng)混凝土，不論從經(jīng)濟(jì)角度還是技術(shù)角度考慮都是 十 分可行的。 北京建井研究所在多年對(duì)鉆井法鑿井井壁內(nèi)外力測(cè)量基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鉆井壁后充填與井壁固結(jié)效果的研究，進(jìn)行了鉆井法井 壁與地層摩擦力模型試驗(yàn)，得出鉆井井壁豎向附加力值，同時(shí)從結(jié)構(gòu)理 論 上開展了約束混凝土井壁的機(jī)理研究，提出了在井壁的內(nèi)圈 加鋼板筒，對(duì)鋼筋混凝土產(chǎn)生約束作用，可以提高井壁抗御豎向附加力的能力。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)。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。 深井 施工 需要研究的幾 個(gè)課題 1. 深井支護(hù)技術(shù) 井深地壓大，巖石軟巖化，致使一般支護(hù)技術(shù)難于適應(yīng)，在國內(nèi)幾個(gè)超千米深井的實(shí)踐中，總結(jié)出一些富有特色的深井支護(hù)方法。但系統(tǒng)地歸納成規(guī)律性，還有待進(jìn)一步深化。對(duì)于深厚沖積層的支護(hù)問題就更為突出，深 600m左右沖積層凍結(jié)法施工凈直徑 6～ 7m的井筒，井壁總厚度一般都超過 2m，隨著深度的增加，井壁加厚不但造價(jià)高、施工困難而且結(jié)構(gòu)不合理，因?yàn)楹癖谕步Y(jié)構(gòu)的厚徑比大于一定值后，材料效率急劇下降；鉆井法鑿井由于受懸浮下沉安裝基本工藝的限制，井壁太厚浮不起來，就失去了鉆井法實(shí)施的可能性。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。 2. 通風(fēng)降溫技術(shù) 井深地溫升高，勞動(dòng)條件差，設(shè)備使用效率低，因此在深井掘砌施工中，加強(qiáng)通風(fēng)降溫技術(shù)的研究，就顯得格外突出。另一方面，地溫升高將增加了凍結(jié)法施工對(duì)凍結(jié)壁維護(hù)的困難以及鉆井法施工中造成泥漿發(fā)酵而失效等問題，都是實(shí)踐中屢次遇到的現(xiàn)象，是深井特殊施工需要解決的新課題 。 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題，成為制約施工安全和質(zhì)量管理的瓶頸。采用注漿方法，仍是深井巖石層治水 的有效方法。國內(nèi)外也有采用地層凍結(jié)的方法來解決局部水的問題，如我國山東郭屯礦