【正文】 形成一套完整的適合我國(guó)煤礦深部礦井開(kāi)發(fā)的先進(jìn)理論、施工工藝和設(shè)備，在建井界的共同努力下，經(jīng)過(guò) “十一五 ”期間的協(xié)同攻關(guān)，在 1000～ 1500m 深立井綜合防治水、井筒鑿砌施工工藝與技術(shù)裝備研究，深井支護(hù)以及深厚沖積層凍結(jié)法和鉆井法鑿井技 術(shù)等各方面再上一個(gè)新臺(tái)階，使我國(guó)深井快速建井綜合技術(shù)躍居世界 前茅 是完全可能的。 設(shè)計(jì)研究中存在的一些問(wèn)題 1. 功凍結(jié)壁所用凍土力學(xué)參數(shù)均用地面凍土力學(xué)參數(shù)值，對(duì)深土凍土力學(xué)特性參數(shù)無(wú)論是試驗(yàn)方法，還是數(shù)值確定都有待研究 。(2)凍土強(qiáng)度僅為試件加載條件下強(qiáng)度，沒(méi)有考慮到試件強(qiáng)度與以?xún)鐾翞椴牧系慕Y(jié)構(gòu)物之間的關(guān)系，即未考慮尺寸效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng) 。(3)對(duì)凍土單試件強(qiáng)度研究較多，對(duì)凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的研究有待深入 。 2. 對(duì)凍結(jié)法 鑿井的井壁認(rèn)識(shí)也有一個(gè)過(guò)程 ,在厚表土層中，施工對(duì)井壁的要求是有足夠的強(qiáng)度和不滲水 .自 50 年代開(kāi)始至 70 年代末，厚表土層中井壁強(qiáng)度尚能滿(mǎn)足要求，但均有 淋水 .采用井壁外、井壁內(nèi)注漿堵水效果均微 .為消除井壁裂隙而淋水，加強(qiáng)施工管理提高質(zhì)量，力圖達(dá)到井壁無(wú)裂縫，但均不成功 .直到70年代末 80 年代初，在井壁受力實(shí)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)層井壁受溫度影響，產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力以至產(chǎn)生裂縫川 .這是對(duì)井壁工況認(rèn)識(shí)的一次飛躍，發(fā)現(xiàn)了井壁產(chǎn)生裂縫的原因 .在吸取國(guó)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在內(nèi)、外層井壁間加一個(gè)薄的夾層，允許內(nèi)、外層井壁間有小量滑動(dòng)，從而消除溫度應(yīng)力，保證了內(nèi)壁無(wú)裂縫，而達(dá)到了無(wú)淋水的目的 。 3. 1987 年以來(lái)，在華東地區(qū)，先后有 30 幾個(gè)厚表土層中豎井井壁發(fā)生橫向環(huán)狀破裂，嚴(yán)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(chēng)“特殊地層”條件 )，由于采礦活動(dòng) (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(guò)程中對(duì)井壁外壁施加一個(gè)向下的豎直附加面力 (簡(jiǎn)稱(chēng)“豎直附加力” )是造成井壁破壞的主要原因，這是對(duì)特殊地層條件下井壁工況和受載理論和觀念上的一個(gè)突破 。 統(tǒng)的理論和觀念是 :表土段井壁和巖石段井壁一樣主要承受水平地壓，僅地壓值大小不同，井壁自重等豎向力大部分由地層承擔(dān) .實(shí)際上，在特殊地層條件下井壁在豎向不只承 受自重，還要承受豎直附加力 .對(duì)井壁的力學(xué)計(jì)算不能簡(jiǎn)化為平面力學(xué)問(wèn)題，而是三維空間力學(xué)同題 .其后，為保障特殊地層條件下，達(dá)到井壁安全，開(kāi)展井壁研究，在受載組合、井壁結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)原則等方面都取得創(chuàng)新性的進(jìn)展 .但對(duì)井壁結(jié)構(gòu)與介傳質(zhì)間藕合作用的研究還剛剛開(kāi)始，對(duì)新型井 11 壁結(jié)構(gòu)的力學(xué)研究還很欠缺，也缺乏實(shí)用時(shí)間的考驗(yàn) 。 12 第二章 朱集礦主井設(shè)計(jì)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(chǎng)內(nèi)，場(chǎng)地內(nèi)地勢(shì)平坦，多為農(nóng)田，無(wú)障礙物。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力 400 萬(wàn)噸 /年。主 、 副 、 風(fēng) 、 矸石井四個(gè)井筒均在同一個(gè)工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)。其表土段均采用凍結(jié)法施工，基巖段采用地面預(yù)注漿封水。井筒主要技術(shù)特征見(jiàn)下表： 表 21 井筒直徑與沖積層厚度 序號(hào) 項(xiàng)目名稱(chēng) 單位 主井 副井 回風(fēng)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(jìn)場(chǎng)臨時(shí)道路已經(jīng)具備，水源由礦方提供，其他現(xiàn)場(chǎng)施工條件施工單位自行考慮，礦方予以協(xié)調(diào)。在礦方提供的工廠平面圖 上界定自己的施工區(qū)，合理布置臨時(shí)設(shè)施和利用施工現(xiàn)場(chǎng)。工廠內(nèi)的永久設(shè)備總機(jī)庫(kù)和機(jī)修車(chē)間可作為凍結(jié)站房用。 地質(zhì)概況 水文地質(zhì) 淮南煤田位于華北平原南緣，為近東西向的復(fù)向斜構(gòu)造盆地。東接郯廬斷裂，西連周口坳陷，北靠蚌埠隆起，南鄰合肥坳陷。水文地質(zhì)條件受區(qū)域構(gòu)造及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，深、淺層地下水存在明顯的差異。 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(guò)渡到厚松散層覆蓋的黃淮沖積平原，地勢(shì)呈現(xiàn)西北高而東南略低。地表水系發(fā)育，淮河流經(jīng)煤田的東南緣，其支流主要有潁河、西淝河，自西北流向東 南，最后注入淮河。流量受季節(jié)控制，起排洪蓄水兼顧，對(duì)淺層地下水起補(bǔ)給作用。 在東南高西北低的古地貌形態(tài)基礎(chǔ)上，自新生界以來(lái)，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為振蕩性升降運(yùn)動(dòng)，由于升降運(yùn)動(dòng)的差異性，沉積了西厚東薄的上第三系和第四系松散層，從丘陵邊緣向西增厚達(dá) 700m以上，新城口斷層以東不足 100m。 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。本井田內(nèi)含水層由新生界 13 松 散層砂層孔隙水 、 煤系地層砂巖裂隙水和石炭系太原組及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水三部分組成。根據(jù)巖性組合特征和含水層的富水性，可劃分為四個(gè)含水層和三個(gè)隔水層。 ~，上部為灰綠色 、 土黃色粘土，多氣孔 、 蟲(chóng)穴 、植根，夾Φ 5mm 左右砂漿，下部為粉砂，厚度 ，銹黃色，疏松 ~松散，含粉土。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(bǔ)給，水位變化具有季節(jié)性，與大氣降水有密切關(guān)系。地下水以垂直運(yùn)動(dòng)為主，層間徑流微弱，排泄方式 主要是人工開(kāi)采 、 地面蒸發(fā) 、 植物蒸騰 、 和地表河流。 ~，厚度 ~，副井 、 矸石井為單一土層，主井 、 回風(fēng)井夾 3~4 層薄層粘土質(zhì)砂和細(xì)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(shí) ~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。一隔在工廠區(qū)內(nèi)比較穩(wěn)定，具隔水作用，但外圍局部變薄，砂層增厚，失去隔水作用。詳見(jiàn)地層結(jié)構(gòu)表 22： 表 22 一隔地層結(jié)構(gòu)表 檢查孔 埋深 厚度 砂層 土層 土占百分?jǐn)?shù)（ ﹪ ） 頂界 底界 層數(shù) 累厚 層數(shù) 累厚 副井 1 100 主井 3 4 88 風(fēng)井 4 5 72 矸石井 1 100 左右，層厚 ~，夾土層 1~2 層，單層粘土厚度較大。二含砂層以中細(xì)砂 、 細(xì)砂為主，底部為中粗砂，含巨粒。土 黃雜灰色，松散含泥質(zhì)團(tuán)塊。上段有厚層砂質(zhì)粘土，灰綠色雜棕黃色，致密局部可塑，含鈣質(zhì)零星分布。可見(jiàn)二含水量充沛，并存在上部含水層越流補(bǔ)給，為礦區(qū)供水水源。二含屬?zèng)_積平原型孔隙承壓水，地下水徑流方式為側(cè)向?qū)右?jiàn)徑流，補(bǔ)給來(lái)源以側(cè)向和一含越流補(bǔ)給為主，水位隨一含按季節(jié)變化，與三含上段砂層有水力聯(lián)系。排泄方式主要是人工開(kāi)采 、 側(cè)向水平徑流以及向中上層段砂層的越流補(bǔ)給。 ~，層厚 ~，為單一結(jié)構(gòu)的砂質(zhì)泥巖，淺灰綠色，土黃雜灰綠色，局部白色 、 致密，中上部含鈣質(zhì)呈半巖化， 固結(jié)較好。二隔土層分布比較均勻，在不破壞水力均衡條件下，具有隔水作用。見(jiàn)地層結(jié)構(gòu)表 23： 14 表 23 二含地層結(jié)構(gòu)表 檢查孔 名稱(chēng) 埋深 厚度 砂層 土層 砂層占百分?jǐn)?shù)（ ﹪ ） 頂界 底界 層數(shù) 累厚 層數(shù) 累厚 副井 4 1 58 主井 4 2 66 風(fēng)井 3 1 56 矸石井 4 2 52 5. 三含頂界埋深 ~, 底界埋深 ~，層組厚~ 19~23 層，累厚 ~，占層組厚度的 65~76％ ，夾土層 17~21 層，累厚 ~，土層單層厚度在 ~ 之間，一般厚 1~5。三含總厚 160 余米，按地層結(jié)構(gòu)和巖性可分為上 、 中 、 下三段。上段底界埋深約 134m，層厚 28，以砂層為主，占 ％，夾砂質(zhì)粘土 3 層，單層厚~，累厚 ，砂層為中粗粒，多見(jiàn)礫石，礫徑 3~12mm,大者 3~5cm。呈灰綠色，灰白色，局部銹黃色松散，局部半固結(jié)。中斷底界埋深約 187m，層厚 53 米，以砂質(zhì)粘土為主，累厚 31m，占中斷總厚的 58％，土層單層厚 ~，一般厚 3~5，呈灰綠色銹黃色，致密，含砂不均，普遍含鈣質(zhì)，呈零星分布或團(tuán)塊分布，固結(jié)良好，鈣質(zhì)富集處半巖化。砂層多為細(xì)砂，銹黃色雜灰綠色，一般呈松散狀，局部密實(shí)，夾薄層細(xì)砂盤(pán)，厚 ~。下段底界埋深約 260，層厚73m，以砂層為主，占 86％， 夾薄層細(xì)砂 6 層，單層厚度 ~，一般厚，累厚 。砂層多為細(xì)砂，間夾中砂，灰綠色雜銹黃色，灰白色。松散，局部含泥質(zhì)或泥質(zhì)團(tuán)塊，偶含細(xì)礫，底部有細(xì)砂盤(pán)厚 。 三含屬?zèng)_積平原型孔隙承壓水，上部二隔土層厚度較小，在區(qū)域范圍內(nèi)三含與二含存在水力聯(lián)系，三含補(bǔ)給來(lái)源以二含的越流補(bǔ)給為主，次為水平徑流補(bǔ)給。排泄方式是水平徑流和人工開(kāi)采，存儲(chǔ)量受區(qū)域調(diào)節(jié)。地層結(jié)構(gòu)見(jiàn)下表 24： 15 表 24 三含地層結(jié)構(gòu)表 檢查孔名稱(chēng) 埋深 厚度 砂層 土層 砂層占百分?jǐn)?shù) （ ％ ） 頂界 底界 層數(shù) 累厚 層數(shù) 累厚 副井 20 17 69 主井 19 21 65 風(fēng)井 23 17 76 矸石井 20 19 70 ~，層厚 ~，基本上屬于厚層單一結(jié)構(gòu)的粘土層。粘土層厚度大，結(jié)構(gòu)單一，分布穩(wěn)定，具有良好 的隔水性能。見(jiàn)地層結(jié)構(gòu)表 25： 表 25 三隔地層結(jié)構(gòu)表 檢查孔名 稱(chēng) 埋深 厚度 砂層 土層 砂層占百分?jǐn)?shù) （ ％ ） 頂界 底界 層數(shù) 累厚 層數(shù) 累厚 副井 ＼ ＼ 1 100 主井 1 2 89 風(fēng)井 ＼ ＼ 3 100 矸石井 ＼ ＼ 1 100 ~，底界埋深 ~，層組厚~。根據(jù)巖性，四含可按四段劃分：底部礫石層。詳見(jiàn)各孔四含分段巖性特征對(duì)照表。潘集礦區(qū)下部砂礫含水層呈南東 ~北西向條帶分布，以潘集背斜南翼最厚，呈凹槽狀向兩側(cè)及古地形凸起處變薄或尖滅，在凹槽處砂礫層厚達(dá)50~70m，粒徑 10~15mm，最大 250mm，結(jié)構(gòu)疏松致半固結(jié)狀。富水性隨沙礫層厚度與含泥量的多少變化，凹槽內(nèi)左右，兩側(cè)一般小于 1L∕ sm。 潘北礦和朱集礦四含均位于該沙礫層條帶的北緣，潘北礦四含平均厚 ，沙礫 層占組厚的50％，朱集礦工業(yè)廣場(chǎng)四含厚 ~，沙礫層占組厚的 23~45％，以含礫或不含礫的粘土、砂質(zhì)粘土、鈣質(zhì)粘土為主，其富水性小于潘北。潘集礦區(qū)底部沙礫層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地處其北的朱集礦四含以土層為主，沙礫層比例大幅下降，上有三隔壓蓋，與三含水力聯(lián)系，下部基巖風(fēng)化帶滲透性差，因此形成以靜儲(chǔ)量為主，側(cè)向徑流微弱的承壓 條件，垂直滲透小于水平滲透，富水性局部均一，并處于停滯的特征。見(jiàn) 井筒檢查孔四含地層結(jié)構(gòu)見(jiàn)下表 26： 16 表 26 井筒檢查孔四含地層結(jié)構(gòu) 表 檢查孔名稱(chēng) 埋深 厚度 砂層 土層 砂層占百分?jǐn)?shù) （ ％ ） 頂界 底界 層數(shù) 累厚 層數(shù) 累厚 副井 8 6 45 主井 6 5 23 風(fēng)井 5 8 32 矸石井 6 4 環(huán)境地質(zhì) ⑴ 井田環(huán)境地質(zhì)特征 ① 環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀 本井田位于淮北平原的南部，地勢(shì)平坦 ，交通便利，村莊和人口稠密，土地肥沃，屬以農(nóng)業(yè)為主的區(qū)域，目前尚無(wú)大型的工礦企業(yè)，亦無(wú)其它大型的污染源。在井田南部有潘一、潘二、潘三等生產(chǎn)礦井，區(qū)內(nèi)的主要污染源來(lái)自于鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民的生活垃圾、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的農(nóng)藥、化肥及空氣中的污染主要來(lái)自周邊生產(chǎn)礦井煤矸石山風(fēng)化揚(yáng)塵。黑河是流經(jīng)井田北部的最大地表水體，屬小型季節(jié)性河流，是流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉的主要水源，其水質(zhì)為 HCO3Ca Mg 型（詳見(jiàn)水質(zhì)分析資料匯總表）屬受輕度污染水質(zhì) 。區(qū)內(nèi)的供水含水層主要為新生界松散層第一含水層（組）和第二含水層（組）。目前鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民主要以開(kāi)采淺 部的第一含水層（組）地下水作為生活和農(nóng)業(yè)用水，因其埋藏淺而易受污染，據(jù)所采小井水樣化驗(yàn)資料分析，水質(zhì)多數(shù)屬 HCO3Na Mg Ca 型個(gè)別屬 Cl HCO3Mg Ca 型，第一含水層（組）淺部地下水已受到人們生產(chǎn)生活的輕度影響，但污染程度低，水質(zhì)大多數(shù)比較好，但是局部地段受污染嚴(yán)重 。 綜上所述，井田環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量現(xiàn)狀良好。 ② 煤礦開(kāi)采后對(duì)環(huán)境影響 煤礦生產(chǎn)開(kāi)采后會(huì)對(duì)環(huán)境造成下列影響：地面沉降、噪聲污染、礦井排水和工業(yè)場(chǎng)地及生活服務(wù)區(qū)的生活污水會(huì)對(duì)地表水和淺層地下水造成不同程度的污染。采掘出來(lái)的矸石，往往堆積如 山，易產(chǎn)生崩塌，且長(zhǎng)期經(jīng)受風(fēng)化、氧化，有害元素經(jīng)雨水淋濾后被遷移擴(kuò)散，污染附近地表水及淺層地下水，大風(fēng)天氣易引起揚(yáng)塵。 ⑵ 地震與礦區(qū)穩(wěn)定性 根據(jù)已掌握的地震歷史資料，淮南市屬于許昌～淮南地震帶，從地震活動(dòng)性、斷裂構(gòu)造、地形變化及第四紀(jì)地質(zhì)、地貌等方面的情況來(lái)看，許昌～淮南地震帶