【文章內容簡介】 結井筒地壓及井壁受力實測、豎向附加力、混凝土井壁的養(yǎng)護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等一系列研究，解決了近 600 m沖積層深井凍結的凍結壁、井壁設計等關 鍵技術，研究成果達到國際領先水平。 井壁結構概 況 安徽理工大學畢業(yè)設計 5 在整個礦井建設中，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%；而凍結段對施工安全要求較高從而又是井筒施工的難點和重點；因此在確保安全的前提下提高凍結段的施工速度是控制井筒施工工期乃至礦井建設總工期的關鍵。井壁作為維護井筒幾何尺寸及使用功能并支撐地壓的結構物，是礦山的咽喉，根據(jù)特殊鑿井施工特點和受力特性，選擇合理的井壁結構型式，合理設計井壁，對降低建井成本，保證礦山安全生產(chǎn)有著 十分重要的意義。 我國 井壁結構型式和凍結井壁的發(fā)展 概況 我國在不穩(wěn)定淺表土層中，現(xiàn)行井壁結構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)內層鋼板～鋼筋混凝土復合井壁； 4)雙層鋼板混凝土復合井壁。 井壁結構是一種地下工程結構，促進其發(fā)展的因素很多，主要是經(jīng)濟的發(fā)展，特別是采礦工業(yè)的發(fā)展，使得井壁結構不斷的發(fā)展。 40 多年來，我國對凍結井壁的認識和研究經(jīng)歷了三個階段： 第一階段 (從 1955 年我國首次在開灤礦區(qū)林西煤礦風井采用凍結法鑿井至70 年代末 )，其特征是 ： 沿用巖石段井壁的結 構形式和設計原則，僅是外載荷大小不同。林西煤礦風井井筒全深 111. 95m，凈直徑 5m，穿過第四系表土層厚50. 7m，凍結深度 105m，采用 72cm厚缸磚單層井壁，工程進展順利，但解凍后井壁漏水嚴重。以后凍結井壁改用單層混凝土或鋼筋混凝土結構的近 20 個井筒均出現(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，在原井筒內又加套一層 200 mm厚的井壁，效果很好，因此在 1 964 年邢臺煤礦主井井壁設計時首次采用雙層鋼筋混凝土井壁結構，外層井壁自上而下分段掘砌，內層井 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。邢臺煤礦主井通過表土層厚 248. 3m，凍結深度 260 m，井壁厚 ～ 不等，混凝土強度等級為 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 “加強施工管理、提高工程質量 ”入手，如大屯礦區(qū)張雙樓煤礦主井在內壁澆筑混凝土前將外壁混凝土面打毛、內外壁鋼筋連在一起，結果工程質量雖優(yōu)，但解凍后井壁仍漏水．這個階段由于井筒通過的表土層厚度較淺，井壁的強度、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)場實測和實驗研究獲得雙層井壁漏水的原因和機理，并在工程實踐基礎上為解決井壁漏水提出了技術安徽理工大學畢業(yè)設計 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)，井筒多用凍結法施工，解決井壁漏水問題更顯緊迫。由于在傳統(tǒng)的對井壁認識和經(jīng)驗基礎上所提出的技術措施未能如愿，促使建井界轉向開展工程實測和實驗室試驗研究，作為工程措施的基礎。這是我國建井技術的發(fā)展從 “經(jīng)驗型 ”向 “科研型 ”的重大轉變。 實測結果表明：在井 筒施工中，內層井壁環(huán)向鋼筋開始受拉，當凍結壁解凍、溫度恢復后，環(huán)向鋼筋轉變?yōu)槭軌?，這是由于溫度變化使內層并壁冷縮時受外壁所阻而產(chǎn)生拉應力，溫度恢復正常過程中井壁熱脹而轉變?yōu)閴簯?。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)并認識了凍結井壁漏水機理后，為解決該問題的技術路線指出了方向：主要是消除溫度應力，使內壁無裂縫。 工程實測和實驗研究還獲得了凍結壁溫度、厚度、掘進段高及段高暴露時間與凍結壁徑向變形的關系，徑向變形對外層井壁施加的凍結壓力隨井深、凍結壁溫度和段高等參數(shù)的變化規(guī)律和數(shù)值，及對外 壁的破壞作用，這些成果為凍結井壁結構的改進、設計理論的更新創(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 多個在特厚表土層中建設的立井井壁發(fā)生橫向破裂災害，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)場地均有沉降，井壁均為橫向環(huán)狀破裂，內壁混凝土呈楔形塊狀剝落，內側縱向鋼筋向井內外凸彎曲、環(huán)向鋼筋間距減??；破裂時伴有聲響。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)性災害，嚴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 (設計年產(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 個月，造成重大的經(jīng)濟損失。 井壁破裂災害對有厚表土覆蓋礦區(qū)的開發(fā)、開采構成威脅，各級領導和有關專家多次研討、分析原因、探討對策，但眾說紛 紜 ，由于發(fā)生井壁破裂災害的時間和地區(qū)相對集中，曾懷疑是地震的影響。經(jīng)調研得知：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 級左右的小震外，無異?，F(xiàn)象。在 1966 年邢臺 級地震中，邢臺、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，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畢業(yè)設計 7 井壁工程質量欠佳，經(jīng)對已破裂井壁施工質量資料分析，確有質量差的井壁發(fā)生破裂，而質量好的一些井壁也發(fā)生了破裂，個別質量差的井壁還未發(fā)生破裂，因而用工程質量難以解釋這一現(xiàn)象，但認為質量是一個因素。有的專家從地質學和工程地質學觀點進行分析，懷疑是郊廬大斷層活動的影響，或地質構造運動的影響，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，分析認為有一個向下的豎 向 力導致井壁破裂，但這個力是如何產(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、現(xiàn)有的工程經(jīng)驗均不能解釋這一災害產(chǎn)生的原因，因而探討治理方法時技術方向不明。為攻克這一難題，建井界開展了大規(guī)模的現(xiàn)場工程實測和實驗室模擬試驗、模型試驗研究，經(jīng)過多年的研究終于認識到：井壁破裂主要是由于采 礦活動或人為疏排水使含水層水位下降，土體有效應力增加，土層固結壓縮，造成地層下沉，地層在下沉過程中給井筒外壁施加了一個方向向下的豎直附加面力，該力是導致井筒破裂的主要原因。從此破裂機理出發(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段采用滑動復合井壁支護取代了傳統(tǒng)的丘賓筒支護方法， 1963 年又對這種復合井壁的外壁作了改進，并用于奧 維克托利亞 8 號井，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深度以內的凍結段井筒 支護的標準井壁。這種井壁結構各層從外向內依次為：水泥砂漿充填層、混凝土預制塊加可壓縮木墊板構成臨時外壁、瀝青層，密封防水鋼板筒 6mm～ 10mm 厚 (內層涂薄層瀝青層 )，鋼筋混凝土內壁為永久井壁，沿縱向可彎曲， 3m為一段高，中間涂以潤滑 油作施工縫，這種井壁的最大優(yōu)點是兼有可彎曲、可滑動和可壓縮的特 點 。具有很好的防水性能而且可以承受一定的動壓，適應無煤拄開采技術。 為了提高內層井壁的強度，德國采用鋼板 (單或雙 )與鋼筋混凝土復合，英國采用鑄鐵丘賓 筒 、雙層鋼板混凝土復合并壁， 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，具有強度高、柔性好等優(yōu)點。 我國現(xiàn)階段 井壁設計 方法 及工藝 目前，我國凍結井筒常用的內層井壁結構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，對井壁承載力也提出了更高的要求，現(xiàn)行的井壁結構承載力已難以滿足設計要求。因此，為了滿足對特厚表土支護的要求，必須要研究凍結井筒新型井壁結構。 安徽理工大學畢業(yè)設計 8 凍結井筒內壁主要承受水壓力，因此從內壁受力狀態(tài)來看，若采用現(xiàn)澆高強鋼筋混凝土內壁結構，其內緣處于二向應力狀態(tài)，抗壓強度低于三軸受壓狀態(tài)值；若采 用深厚表土層凍結井筒內層鋼板高強鋼筋混凝土復合井壁，其內外緣都處于三軸受壓狀態(tài)，深厚表土層凍結井筒內層鋼板高強鋼筋混凝土復合井壁合理地利用約束混凝土結構的特點，即利用內層鋼板對混凝土筒體起了良好的約束作用，又保留了鋼筋混凝土結構的基本特性。由于內層鋼板的強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)調和良好的復合作用川。外層結構受力變形，將力傳遞給內層鋼板，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，使其內側產(chǎn)生徑向約束壓應力，從而減小了混凝土內側 徑向應變，當該徑向應力達到一定值后，內側徑向應變小于混凝土的極限值，井壁就不會過早地發(fā)生保護層脫落和破壞。利用內層鋼板來約束斷面內混凝土的徑向變形，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。 深厚表土層凍結井筒內層鋼板高強鋼筋混凝土復合井壁承載力明顯高于高強鋼筋混凝土井壁，因此，在深凍結井筒內壁下部當高強鋼筋混凝土井壁結構不能滿足強度要求時，深厚表土層凍結井筒內層鋼板高強鋼筋混凝土復合井壁就理所當然地成為首選。 我國自 1982 年以來，首次在淮南礦業(yè)學院地下工程結構研究所，針對潘三西風井對鋼板混凝土 井壁進行了試驗研究，但當時的研究都是針對鉆井井壁普通混凝土進行的。近幾年的實踐證明，在特厚表土層中建井，要求井壁結構具有較高的承載力，但井壁又不能太厚，提高井壁結構中混凝土的強度等級是解決這一矛盾的重要途徑，在鋼板復合井壁中采用高強混凝土，不論從經(jīng)濟角度還是技術角度考慮都是 十 分可行的。 北京建井研究所在多年對鉆井法鑿井井壁內外力測量基礎上，進行了鉆井壁后充填與井壁固結效果的研究，進行了鉆井法井 壁與地層摩擦力模型試驗，得出鉆井井壁豎向附加力值，同時從結構理 論 上開展了約束混凝土井壁的機理研究，提出了在井壁的內圈 加鋼板筒，對鋼筋混凝土產(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計，全面考慮了井壁實際受力，設計中首次增加豎向附加力作用下危險截面徑向應變的計算，提高井壁抗豎向附加力的綜合強度，為防止特殊鑿井井筒使用中局部破壞提供結構保證；首次提出了近 600 m井壁設計理論體系和計算方法，研究成功擁有知識產(chǎn)權的單內鋼板約束混凝土井壁結構和削球厚殼井壁底，提出用材料力學和有限元法對結構進行應力分析、將靜力等效轉換成截面內力進行內力計算、再按 現(xiàn)行國家規(guī)范設計的設計計算體系，結構合理，安徽理工大學畢業(yè)設計 9 計算先進，安全有保證，解決了井壁承受巨大外力對強度要求和懸浮下沉安裝對自重限制的矛盾；井壁底成功地承受了 22300 多噸懸浮安裝荷載的考驗；首次開發(fā)出節(jié)間處理新技術、壁后充填工藝及防止井壁懸浮下沉整休失穩(wěn)控制技術。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、副井應用的重大突破；并首次將 C70 混凝土成功應用于雙向受約束鉆井井壁結構，同時解決了鉆井井壁高強高性能混凝土應用防裂技術難題，確保了井壁施工質量。 深井 施工 需要研究的幾 個課題 1. 深井支護技術 井深地壓大，巖石軟巖化，致使一般支護技術難于適應，在國內幾個超千米深井的實踐中，總結出一些富有特色的深井支護方法。但系統(tǒng)地歸納成規(guī)律性，還有待進一步深化。對于深厚沖積層的支護問題就更為突出，深 600m左右沖積層凍結法施工凈直徑 6～ 7m的井筒，井壁總厚度一般都超過 2m，隨著深度的增加，井壁加厚不但造價高、施工困難而且結構不合理，因為厚壁筒結構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，就失去了鉆井法實施的可能性。因此， “結構 創(chuàng)新 ”將成為深厚沖積層特殊鑿井支護技術發(fā)展的關鍵。 2. 通風降溫技術 井深地溫升高，勞動條件差，設備使用效率低，因此在深井掘砌施工中，加強通風降溫技術的研究，就顯得格外突出。另一方面，地溫升高將增加了凍結法施工對凍結壁維護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 隨著井深加大，地層構造一般比較復雜，含水層水量大、壓強高，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。國內外也有采用地層凍結的方法來解決局部水的問題，如我國山東郭屯礦