【正文】 ........................ 32 計(jì)算原則 .......................................................................................................... 32 確定井壁厚度 ................................................................................................... 32 井壁環(huán)向穩(wěn)定性驗(yàn)算 ......................................................................................... 35 井壁圓環(huán)受均壓時(shí)的強(qiáng)度驗(yàn)算和內(nèi)外層井壁配計(jì)算 ............................................ 36 按吊掛力計(jì)算外層井壁豎向鋼筋及抗裂驗(yàn)算 ...................................................... 40 結(jié)論 ............................................................................................................................... 44 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 45 致謝 ..................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 關(guān)鍵詞： 立井、凍結(jié)壁設(shè)計(jì)、內(nèi)層井壁，外層井壁，設(shè)計(jì)。確定井壁厚度，主要是根據(jù)井筒地質(zhì)柱狀圖，把表土段土層分成三層，每一層又按內(nèi)外層井壁各自承受的力分別計(jì)算出相應(yīng)的井壁厚度。第四章是主井的井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。凍結(jié)壁厚度的計(jì)算，主要是從表土段土層中選出三段控制其厚度的土層，然后采用多姆克第三 、 第四強(qiáng)度理論和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的平均值，來(lái)比較得到。第二章主要介紹朱集礦的工程概況，水文地質(zhì)概況，和主井的主要技術(shù)參數(shù)，為而后的設(shè)計(jì)提 供必要的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。 I 朱集礦主井凍結(jié)壁和井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) A FREEZE ON THE MAIN SHAFT AND THE SHAFT WALL STRUCTURE DESIGN OF ZHUJI COAL MINE 摘 要 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)有兩個(gè)，既朱集礦主井的凍結(jié)壁和井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。設(shè)計(jì)內(nèi)容一共分為四章，分別為：第一章主要介紹國(guó)內(nèi)外凍結(jié)壁和井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程，包括：設(shè)計(jì)理念的形成 、 實(shí)踐，在我國(guó)的的引進(jìn)發(fā)展，和對(duì)更深層次設(shè)計(jì)思想的探索等。第三章是主井的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)，主要包括：凍結(jié)壁厚度的計(jì)算，凍結(jié)壁平均溫度的計(jì)算。凍結(jié)壁平均溫度的計(jì)算，主要是利用體平均溫度的計(jì)算方法，由于體平均溫度計(jì)算公式是適用在單排管凍結(jié)下的，而實(shí)際主井的凍結(jié)方案是三排管的差異凍結(jié)，因此最后的計(jì)算平均溫度與實(shí)際設(shè)計(jì)平均溫度有出入。主要設(shè)計(jì)理念是采用雙層復(fù)合井壁，內(nèi)層井壁按承受水壓力計(jì)算，外層井壁 按承受凍結(jié)壓力計(jì)算，全井筒按水土壓力校核。然后是井壁的穩(wěn)定性 、 強(qiáng)度驗(yàn)算以及配筋計(jì)算等，主要計(jì)算內(nèi)容有：井壁環(huán)向穩(wěn)定性的驗(yàn)算，內(nèi)外層井壁環(huán)向配筋的計(jì)算和按吊掛力計(jì)算的外層井壁的抗裂驗(yàn)算和豎向抗拉鋼筋的配筋計(jì)算。 II A FREEZE ON THE MAIN SHAFT AND THE SHAFT WALL STRUCTURE DESIGN OF ZHUJI COAL MINE ABSTRACT This design has two main design task is not only the Chinese set of freeze wells mine shaft wall and the structural design. Chapter I: at home and abroad to introduce a freeze on the main shaft wall and the structural design of the development process, including: the formation of design concepts, practice, in the introduction of China39。 1 引言 在 我國(guó)煤炭相對(duì)于石油、天然氣屬資源 屬于 比較豐富的能源，在一次能源結(jié)構(gòu)中占 70%左右。 隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，對(duì)能源需求越來(lái)越大。 我國(guó)煤炭 資源豐富但 煤炭生產(chǎn)的缺口很大，煤炭深部資源開(kāi)采問(wèn)題日益突出，建設(shè)一批新的大型、特大型礦井已是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的必須。 本設(shè)計(jì)的主要 研究了 建井工程中的兩大課題 —— 凍結(jié)壁和井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。凍結(jié)壁厚度的計(jì)算，主要是從表土段土層中選出三段控制其厚度的土層，然后采用多姆克第三 、 第四強(qiáng)度理論和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的平均值，來(lái)比較得到。主井的井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；主要設(shè)計(jì)理念是采 用雙層復(fù)合井壁，內(nèi)層井壁按承受水壓力計(jì)算，外層井壁按承受凍結(jié)壓力計(jì)算，全井筒按水土壓力校核。然后是穩(wěn)定性 、 強(qiáng)度的驗(yàn)算和配筋的計(jì)算等，主要有：井壁環(huán)向穩(wěn)定性的驗(yàn)算，內(nèi)外層井壁環(huán)向配筋的計(jì)算和按吊掛力計(jì)算的外層井壁的抗裂驗(yàn)算和豎向抗拉鋼筋的配筋計(jì)算。我國(guó)煤炭資源埋藏深度在 1000～ 2021m的約占總儲(chǔ)量的 %。目前，我國(guó)能源仍有 70%依賴于煤炭。 20 世紀(jì) 90 年代中期以來(lái)，深井建設(shè)的平均深度有加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，根據(jù)不同時(shí)期前 5 位深井平均的深度統(tǒng)計(jì)， 70 年代為 ， 80 年代為 ， 90年代前 5 年為 ，后 5 年為 。 但在新井建設(shè)中，首先面臨著井筒穿越深厚不穩(wěn)定表土地層的技術(shù)難題。例如淮南地區(qū)丁集礦 530m、顧北礦463m、板集礦 580m、口孜東 590m、展溝礦 620m、口孜西礦 680m；淮北的渦陽(yáng)礦區(qū)在 410m 以上；河南的薛湖礦井 410m、程村礦 430m、趙固礦 522m、趙樓礦 471m；山東的濟(jì)西礦 458m、梁寶寺礦 480m、龍固礦 567. 7m，郭屯礦 587m(凍結(jié)深度 702m)，萬(wàn)福礦井表土達(dá)到 700m，口孜東礦凍結(jié) 740m等等。由于凍結(jié)法施工適應(yīng)性廣、在施工過(guò)程中后續(xù)手段多、施工速度快，因此，在工程中得到更多的應(yīng)用。目前，我國(guó)已建成的井筒，最大凍結(jié)深度 740m口孜東礦凍結(jié)。 解決東部地區(qū) 600～ 800 m深厚沖積層凍結(jié)法、鉆井法鑿井技術(shù)以及 1000～1 500 m井筒地面預(yù)注漿技術(shù)是今后特殊鑿井領(lǐng)域要重點(diǎn)研究的課題。 20世紀(jì)中葉 (19451960年和 19611971 年 )又經(jīng)歷了兩個(gè)較快的發(fā)展時(shí)期，先后開(kāi)展了與溫度場(chǎng)有關(guān)的熱力學(xué)、熱物理學(xué)、土壤水熱改良、工程建筑地基穩(wěn)定性以及地球表面和巖石圈層的形成等方面的試驗(yàn)研究和以解析解為主的理論計(jì)算研究。真正開(kāi)始理論性研究并被公認(rèn)為這門學(xué)科理論奠基人的是前蘇聯(lián)學(xué)者 溫度場(chǎng)等熱物理研究方面以 Kypbueb 。 20 世紀(jì)初阿拉斯加金礦的開(kāi)采和 1942 年北美戰(zhàn)備公路的嚴(yán)重凍害的出現(xiàn)，促進(jìn)了對(duì)溫度場(chǎng)理論上的較全面研究。上世紀(jì) 70 年代，這些國(guó)家相繼進(jìn)入了研究的高潮。 BonaicinaC和 Fasana Ac(1973)求得了一維非線 性溫度場(chǎng)的數(shù)值解，同期，還開(kāi)展了與溫度有關(guān)的其他問(wèn)題的科學(xué)研究。 50 多年來(lái)，應(yīng)用凍結(jié)法施工了 700 多個(gè)立井井筒，累計(jì)凍結(jié)井筒 延伸 達(dá) 150 km，最大凍結(jié)深度 702 m，沖積層最大厚度 m，成為通過(guò)不穩(wěn)定沖積層及其下部基巖風(fēng)化巖層的主要特殊施工方法。凍結(jié)壁和井壁設(shè)計(jì)以及打鉆、凍結(jié)、掘砌工藝基本上套用波蘭和前蘇聯(lián)凍結(jié)鑿井的有關(guān)規(guī)程規(guī)范?？傮w水平是初步掌握了小于 200 m沖積層凍結(jié)鑿井的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。 (2).探索改進(jìn)或自力更生階段 (1963～ 1988 年 )。實(shí)踐中，認(rèn)識(shí)到波蘭和前蘇聯(lián)的原有凍結(jié)鑿井規(guī)程規(guī)范已不能適應(yīng)不小于 200 m沖積層凍結(jié)鑿井設(shè)計(jì)和施工的需要，從而邁上邊探索邊改進(jìn)的自 4 力更生道路，開(kāi)展基礎(chǔ)理論研究和工藝改革，有效地促進(jìn)了我國(guó)凍結(jié)法鑿井技術(shù)的發(fā)展。在凍結(jié)壁溫度場(chǎng)、凍結(jié)壓力、井壁溫度和壁后凍土融化回凍特性、低溫早強(qiáng)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律以及制冷凍結(jié)、鋼筋混凝土雙層井壁、液壓滑模套壁、鋼筋混凝土塑料夾層井壁等試驗(yàn)實(shí)測(cè)研究方面取得了一批重要成果，總體技術(shù)水平是初步解決了小于 300 m沖積層凍結(jié)鑿井的設(shè)計(jì)和施工難題。其主要原因是凍結(jié)壁厚度偏小且強(qiáng)度低、掘砌段高偏大與井幫裸 露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、井壁強(qiáng)度偏低與整體封水性能差、凍結(jié)管材質(zhì)的低溫韌性和接頭密封性差、井壁夾層注漿時(shí)間偏早或偏遲、施工管理水平低。隨著沖積層厚度的進(jìn)一步增大，凍結(jié)管斷裂、井壁壓壞和井壁漏水量超標(biāo)問(wèn)題愈加突出，為此原煤炭部和國(guó)家能源投資公司提出 “認(rèn)真總結(jié)已有的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，在陳四樓主、副井開(kāi)展深厚沖積層凍結(jié)鑿井技術(shù)攻關(guān)，有組織有計(jì)劃地攻克技術(shù)難題 ”。在凍結(jié)壁和井壁設(shè)計(jì)、凍結(jié)器鹽水流量、凍結(jié)壁和外層井壁位移、豎向附加力、井壁受力性能以及 C40～ C55 早強(qiáng)高強(qiáng)混凝土和防裂密實(shí)混凝土、凍結(jié)管材、短段掘砌工藝等方面取得了一批重大成果，在沖積層厚 m和凍結(jié)深度 435 m的陳四樓主、副井創(chuàng)下凍結(jié)管無(wú)斷裂、井壁無(wú)壓壞和無(wú)淋水的記錄。 (4). 600 m深厚沖積層凍結(jié)法鑿井研究和應(yīng)用探索階段 (2021 年以來(lái) )。一批沖積層厚度不小于 400 m的凍結(jié)井筒開(kāi)工建設(shè)，我國(guó)深厚沖積層凍結(jié)法鑿井又面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，進(jìn)人沖積層 600 m凍結(jié)法鑿井的理論和施工技術(shù)的研究和應(yīng)用探索階段。 關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀：通過(guò)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)、凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)、凍結(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(guó)際領(lǐng)先水平。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。 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。林西煤礦風(fēng)井井筒全深 111. 95m，凈直徑 5m，穿過(guò)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。開(kāi)灤礦區(qū)范各莊煤礦主井為解決漏水問(wèn)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。為解決雙層井壁漏水問(wèn)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(guò)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(guò)規(guī)定量的問(wèn)題一直未能解決。 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(kāi)始大規(guī)模開(kāi)發(fā)，井筒多用凍結(jié)法施工，解決井壁漏水問(wèn)題更顯緊迫。這是我國(guó)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。同理，在縱向冷縮過(guò)程中混凝土發(fā)生裂縫，致使解凍后漏水。 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。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。經(jīng)調(diào)研得知：自 1985 年以來(lái)，這些地區(qū)處于地震平靜低潮期。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(kāi)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(shuō)。有的