【正文】 3~4 層薄層粘土質(zhì)砂和細砂，土層占層組厚度的 72~100﹪，一隔為厚層粘土、砂質(zhì)粘土，灰綠色雜銹黃色，密實 ~致密，含砂質(zhì)不均，性韌，可塑上中部有 Φ 3~5mm 砂礓，大者 8~15mm。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給，水位變化具有季節(jié)性，與大氣降水有密切關(guān)系。根據(jù)巖性組合特征和含水層的富水性，可劃分為四個含水層和三個隔水層。 朱集礦井煤系地層為二疊系山西組和上 、 下石盒子組，第四系松散層厚度~，平均厚度 ，厚度變化規(guī)律隨古地形由東向西北逐漸增厚，基本沿古地形向西北傾斜，局部地段稍有起伏。流量受季節(jié)控制，起排洪蓄水兼顧，對淺層地下水起補給作用。 區(qū)內(nèi)現(xiàn)代地貌景觀，由東南端基巖裸露的低山、丘陵向西北過渡到厚松散層覆蓋的黃淮沖積平原，地勢呈現(xiàn)西北高而東南略低。東接郯廬斷裂，西連周口坳陷，北靠蚌埠隆起，南鄰合肥坳陷。工廠內(nèi)的永久設(shè)備總機庫和機修車間可作為凍結(jié)站房用。井筒主要技術(shù)特征見下表： 表 21 井筒直徑與沖積層厚度 序號 項目名稱 單位 主井 副井 回風井 矸石井 1 井筒凈直徑 m 2 沖積層厚度 m (2) 施工條件 礦方提供 6KV 電源接口，進場臨時道路已經(jīng)具備，水源由礦方提供，其他現(xiàn)場施工條件施工單位自行考慮，礦方予以協(xié)調(diào)。主 、 副 、 風 、 矸石井四個井筒均在同一個工業(yè)廣場內(nèi)。 12 第二章 朱集礦主井設(shè)計概況 井筒概況 （ 1）基本 概況 朱集礦位于安徽省淮南市潘集區(qū)境內(nèi)，距洞山約 38km，井筒位于礦井工業(yè)廣場內(nèi)，場地內(nèi)地勢平坦，多為農(nóng)田，無障礙物。 3. 1987 年以來，在華東地區(qū)，先后有 30 幾個厚表土層中豎井井壁發(fā)生橫向環(huán)狀破裂，嚴重影響 安全和生產(chǎn) .經(jīng)數(shù)年研究發(fā)現(xiàn)，在厚表土層中，含水層直接覆蓋在煤系地層的條件下 (常稱“特殊地層”條件 )，由于采礦活動 (或人工抽水 )造成含水層疏排水，水位下降、地層有效應(yīng)力增加而固結(jié)壓縮，地層下沉 .在地層下沉過程中對井壁外壁施加一個向下的豎直附加面力 (簡稱“豎直附加力” )是造成井壁破壞的主要原因，這是對特殊地層條件下井壁工況和受載理論和觀念上的一個突破 。(3)對凍土單試件強度研究較多，對凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)整體的強度和穩(wěn)定性的研究有待深入 。 設(shè)計研究中存在的一些問題 1. 功凍結(jié)壁所用凍土力學參數(shù)均用地面凍土力學參數(shù)值，對深土凍土力學特性參數(shù)無論是試驗方法，還是數(shù)值確定都有待研究 。都取得了一定的經(jīng)驗，并有 10 所突破和創(chuàng)新。近年來通過引進學習國際上先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了適合我國條件的深井掘砌工藝和機械設(shè)備，取得了較大的進步。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，如我國山東郭屯礦沖積層厚 583～ 587m，井深 853～ 884m，由于靠近沖積層的巖層水大，采取加大凍結(jié)深度到 702m的方法來解決該層水的問題。 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。 2. 通風降溫技術(shù) 井深地溫升高，勞動條件差，設(shè)備使用效率低，因此在深井掘砌施工中，加強通風降溫技術(shù)的研究，就顯得格外突出。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(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，井壁加厚不但造價高、施工困難而且結(jié)構(gòu)不合理，因為厚壁筒結(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，就失去了鉆井法實施的可能性。 深井 施工 需要研究的幾個課題 1. 深井支護技術(shù) 井深地壓大，巖石軟巖化，致使一般支護技術(shù)難于適應(yīng)，在國內(nèi)幾個超千米深井的實踐中，總結(jié)出一些富有特色的深井支護方法。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(shè)計，全面考慮了井壁實際受力，設(shè)計中首次增加豎向附加力作用下危險截面徑向應(yīng)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(jié)構(gòu)保證；首次提出了近 600 m井壁設(shè)計理論體系和計算方法，研究成功擁有知識產(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，提出用材料力學和 有限元法對結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析、將靜力等效轉(zhuǎn)換成截面內(nèi)力進行內(nèi)力計算、再按現(xiàn)行國家規(guī)范設(shè)計的設(shè)計計算體系，結(jié)構(gòu)合理， 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(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)。近幾年的實踐證明，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)中混凝土的強度等級是解決這一矛盾的重要途徑，在鋼板復(fù)合井壁中采用高強混凝土，不論從經(jīng)濟角度還是技術(shù)角度考慮都是 十 分可行的。 深厚表土層凍結(jié)井筒內(nèi)層鋼板高強鋼筋混凝土復(fù)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(jié)井筒內(nèi)壁下部當高強鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)不能滿足強度要求時，深厚表土層凍結(jié)井筒內(nèi)層鋼板高強鋼筋混凝土復(fù)合井壁就理所當然地成為首選。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，當該徑向應(yīng)力達到一定值后，內(nèi)側(cè)徑向應(yīng)變小于混凝土的極限值，井壁就不會過早地發(fā)生保護層脫落和破壞。 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，即利用內(nèi)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(jié)構(gòu)的基本特性。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(jié)構(gòu)承載力已難以滿足設(shè)計要求。 為了提高內(nèi)層井壁的強度，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，具有強度高、柔性好等優(yōu)點。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 。 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)段采用滑動復(fù)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(fù)合井壁的外壁作了改進，并用于奧 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(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。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。也有的專家懷疑是 7 井壁工程質(zhì)量欠佳，經(jīng)對已破裂井壁施工質(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，但認為質(zhì)量是一個因素。 1987 年除僅有幾次 2 級左右的小震外，無異?，F(xiàn)象。 井壁破裂災(zāi)害對有厚表土覆蓋礦區(qū)的開發(fā)、開采構(gòu)成威脅，各級領(lǐng)導和有關(guān)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(zāi)害的時間和地區(qū)相對集中，曾懷疑是地震的影響。 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(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伴有聲響。發(fā)現(xiàn)并認識了凍結(jié)井壁漏水機理后，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。 實測結(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。由于在傳統(tǒng)的對井壁認識和經(jīng)驗基礎(chǔ)上所提出的技術(shù)措施未能如愿，促使建井界轉(zhuǎn)向開展工程實測和實驗室試驗研究，作為工程措施的基礎(chǔ)。 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(chǔ)上為解決井壁漏水提出了技術(shù) 6 方向和措施。邢臺煤礦主井通過表土層厚 248. 3m，凍結(jié)深度 260 m，井壁厚 ～ ，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。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。 40 多年來，我國對凍結(jié)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(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)計原則，僅是外載荷大小不同。 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)概 況 5 在整個礦井建設(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(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。通過科研、設(shè)計、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、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展。剛跨人 21 世紀，我國煤炭基本建設(shè)又出現(xiàn)了一個新高潮，立井穿過的沖積層厚度和凍結(jié)深度 達到一個新的增長點。至此，深厚沖積層凍結(jié)法鑿井的整體技術(shù)達到國際先進水平。這一階段共施工了110 個立井井筒，累計凍結(jié)井筒延米超過 20210 m，最大沖積層厚度為 383 m，凍結(jié)深度為 435 m。 (3).組織攻關(guān)或完善提高階段 (1989～ 1999 年 )。這期間經(jīng)驗與教訓并存，隨著沖積層厚度不斷增大，地壓、水壓、施工難度增大，凍結(jié)管斷裂、井壁壓壞、井壁漏水仍然突出，雖在防治措施上取得了不少經(jīng)驗，但未得到有效的根治，所以工程事故較多。共施工了 281 個立井井筒，累計凍結(jié)井筒延米近 50 000m，沖積層最大厚度為 m，凍結(jié)最大深 度 415 m。隨著沖積層厚度和凍結(jié)深度較快增長，凍結(jié)管斷裂、井壁壓壞和井壁漏水量超標現(xiàn)象不斷發(fā)生，輕則延長工期和提高工程造價，重則導致凍結(jié)壁或井壁破裂透水淹井，危及施工安全，造成重大經(jīng)濟損失。主要問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。共施工 39 個立井井筒，累計凍結(jié)井筒 3 582 m，沖積層最大厚度 154. 8 m，凍結(jié)最大深度 162 m。 50 多年的 凍結(jié)法鑿井發(fā)展過程如下： (1).引進推廣階段 (1955～ 1962 年 )。 我國 凍結(jié)法立井施工技術(shù)發(fā)展歷程 自 1955 年從波蘭引進凍結(jié)鑿井技術(shù)并開鑿了開灤煤礦林西風井首次應(yīng)用成功后，很快在河北、安徽、江蘇、山東、河南、山西、遼寧、黑龍江、內(nèi)蒙占、吉林等省區(qū)推廣應(yīng)用。除自然資源的開發(fā)需要外，現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)和計算機技術(shù)在凍土研究領(lǐng)域中的應(yīng)用也加速了該學科的發(fā)展。在加拿大，這項研究的蓬勃發(fā)展主要起源于對極地多年凍土區(qū)石油、天然氣等資源的開發(fā)。 北美西北歐 的一些國家和地區(qū)，與前蘇聯(lián)一樣，出 于自然資源的開發(fā)需要，也推動了凍土溫度場及其相關(guān)學科的研究進展。 20世紀 70年代后，計算機和數(shù)值方法在前蘇聯(lián)凍土領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，使以前許多難以解決的具有復(fù)雜幾何形狀和地質(zhì)條件、考慮熱質(zhì)交換的非線性問題在深