朱集矿主井冻结壁和井壁结构设计_土木建筑学院毕业设计(土木-矿井)_毕业论文(编辑修改稿)

朱集矿主井冻结壁和井壁结构设计_土木建筑学院毕业设计(土木-矿井)_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

结井筒地压及井壁受力实测、竖向附加力、混凝土井壁的养护温度及壁后冻土融化与回冻特性、外层井壁整体受力性能试验等一系列研究，解决了近 600 m冲积层深井冻结的冻结壁、井壁设计等关 键技术，研究成果达到国际领先水平。 井壁结构概 况 安徽理工大学毕业设计 5 在整个矿井建设中，井筒工程量为矿井总工程量的 3%～ 8%，耗用的投资为矿井总投资的 10%～ 21%，施工工期即占矿井总工期的 30% ～ 55%；而冻结段对施工安全要求较高从而又是井筒施工的难点和重点；因此在确保安全的前提下提高冻结段的施工速度是控制井筒施工工期乃至矿井建设总工期的关键。 井壁作为维护井筒几何尺寸及使用功能并支撑地压的结构物，是矿山的咽喉，根据特殊凿井施工特点和受力特性，选择合理的井壁结构型式，合理设计井壁，对降低建井成本，保证矿山安全生产有着 十分重要的意义。 我国 井壁结构型式和冻结井壁的发展 概况 我国在不稳定浅表土层中，现行井壁结构型式主要有以下几种： 1)素混凝土井壁； 2)钢筋混凝土井壁； 3)内层钢板～钢筋混凝土复合井壁； 4)双层钢板混凝土复合井壁。 井壁结构是一种地下工程结构，促进其发展的因素很多，主要是经济的发展，特别是采矿工业的发展，使得井壁结构不断的发展。 40 多年来，我国对冻结井壁的认识和研究经历了三个阶段： 第一阶段 (从 1955 年我国首次在开滦矿区林西煤矿风井采用冻结法凿井至70 年代末 )，其特征是 ： 沿用岩石段井壁的结 构形式和设计原则，仅是外载荷大小不同。 林西煤矿风井井筒全深 111. 95m，净直径 5m，穿过第四系表土层厚50. 7m，冻结深度 105m，采用 72cm厚缸砖单层井壁，工程进展顺利，但解冻后井壁漏水严重。 以后冻结井壁改用单层混凝土或钢筋混凝土结构的近 20 个井筒均出现较大漏水，虽采用壁后注浆堵水等措施，但收效甚微。 开滦矿区范各庄煤矿主井为解决漏水问题，在原井筒内又加套一层 200 mm厚的井壁，效果很好，因此在 1 964 年邢台煤矿主井井壁设计时首次采用双层钢筋混凝土井壁结构，外层井壁自上而下分段掘砌，内层井 壁自下而上连续砌筑，减少接茬而减少了淋水，又可克服厚井壁一次浇筑的困难。 邢台煤矿主井通过表土层厚 248. 3m，冻结深度 260 m，井壁厚 ～ 不等，混凝土强度等级为 C20～ C30，但工程完成后，仍有大于工程要求的淋水。 为解决双层井壁漏水问题，有的科技工作者从 “加强施工管理、提高工程质量 ”入手，如大屯矿区张双楼煤矿主井在内壁浇筑混凝土前将外壁混凝土面打毛、内外壁钢筋连在一起，结果工程质量虽优，但解冻后井壁仍漏水．这个阶段由于井筒通过的表土层厚度较浅，井壁的强度、稳定性均可满足工程要求，但渗漏水超 过规定量的问题一直未能解决。 第二阶段 (70 年代末期到 1987 年 )，其特征是：通过现场实测和实验研究获得双层井壁漏水的原因和机理，并在工程实践基础上为解决井壁漏水提出了技术安徽理工大学毕业设计 6 方向和措施。 70 年代，华东地区的充州、大屯、徐州、淮南、淮北等矿区先后开始大规模开发，井筒多用冻结法施工，解决井壁漏水问题更显紧迫。 由于在传统的对井壁认识和经验基础上所提出的技术措施未能如愿，促使建井界转向开展工程实测和实验室试验研究，作为工程措施的基础。 这是我国建井技术的发展从 “经验型 ”向 “科研型 ”的重大转变。 实测结果表明：在井 筒施工中，内层井壁环向钢筋开始受拉，当冻结壁解冻、温度恢复后，环向钢筋转变为受压，这是由于温度变化使内层并壁冷缩时受外壁所阻而产生拉应力，温度恢复正常过程中井壁热胀而转变为压应力。 同理，在纵向冷缩过程中混凝土发生裂缝，致使解冻后漏水。 发现并认识了冻结井壁漏水机理后，为解决该问题的技术路线指出了方向：主要是消除温度应力，使内壁无裂缝。 工程实测和实验研究还获得了冻结壁温度、厚度、掘进段高及段高暴露时间与冻结壁径向变形的关系，径向变形对外层井壁施加的冻结压力随井深、冻结壁温度和段高等参数的变化规律和数值，及对外 壁的破坏作用，这些成果为冻结井壁结构的改进、设计理论的更新创造了条件。 第三阶段， （ 1987 年 7 月以来 ） ，华东地区的淮北、大屯、徐州、充州等矿区先后有 40 多个在特厚表土层中建设的立井井壁发生横向破裂灾害，其共同特征是：井筒装备异常变形，排水管、罐道纵向弯曲，甚至造成卡罐事故，罐道梁向上弯曲，呈现井筒下沉特征，工业场地均有沉降，井壁均为横向环状破裂，内壁混凝土呈楔形块状剥落，内侧纵向钢筋向井内外凸弯曲、环向钢筋间距减小；破裂时伴有声响。 破裂高度 1～ 10m左右不等；破裂处多集中在表土与基岩交界处附近，距地面 100m～ 250m；破裂带漏水，甚至水中带砂；建井后含水层水位下降 30m～ 90m 不等，这一突发性灾害，严重影响了矿井的生产，危及矿井的安全，迫使一些矿井停产，如张双楼煤矿 (设计年产量 1. 2Mt)、淮北海孜煤矿 (核定年产量 0. 9Mt)、临涣煤矿 (核定年产量 )等先后停产 2～ 8 个月，造成重大的经济损失。 井壁破裂灾害对有厚表土覆盖矿区的开发、开采构成威胁，各级领导和有关专家多次研讨、分析原因、探讨对策，但众说纷 纭 ，由于发生井壁破裂灾害的时间和地区相对集中，曾怀疑是地震的影响。 经调研得知：自 1985 年 以来，这些地区处于地震平静低潮期。 1987 年除仅有几次 2 级左右的小震外，无异常现象。 在 1966 年邢台 级地震中，邢台、邯郸、峰峰矿区井筒均未发生破裂； 1975年唐山大地震，开滦矿区井筒破裂部位在地面以下 20m 范围内，其破裂特征与华东地区井壁破裂特征完全不同，因而基本排除地震主因说。 也有的专家怀疑是安徽理工大学毕业设计 7 井壁工程质量欠佳，经对已破裂井壁施工质量资料分析，确有质量差的井壁发生破裂，而质量好的一些井壁也发生了破裂，个别质量差的井壁还未发生破裂，因而用工程质量难以解释这一现象，但认为质量是一个因素。 有的专家从地质学和工程地质学观点进行分析，怀疑是郊庐大断层活动的影响，或地质构造运动的影响，但为什么 郊 庐大断层通过的开滦、东北等矿区井壁并未大量破坏呢 ?况且如何影响也无资料佐证。 还有一些专家根据井壁破裂的特征，分析认为有一个向下的竖 向 力导致井壁破裂，但这个力是如何产生的 ?有多大 ?影响因素是什么 ?不得而知。 己有的常规理论和知识、现有的工程经验均不能解释这一灾害产生的原因，因而探讨治理方法时技术方向不明。 为攻克这一难题，建井界开展了大规模的现场工程实测和实验室模拟试验、模型试验研究，经过多年的研究终于认识到：井壁破裂主要是由于采 矿活动或人为疏排水使含水层水位下降，土体有效应力增加，土层固结压缩，造成地层下沉，地层在下沉过程中给井筒外壁施加了一个方向向下的竖直附加面力，该力是导致井筒破裂的主要原因。 从此破裂机理出发，建井界提出了一系列确保井壁破裂的方法。 国外冻结井壁发展概 况 自 50 年代后半期以来，前联邦德国新建井筒冻结段采用滑动复合井壁支护取代了传统的丘宾筒支护方法， 1963 年又对这种复合井壁的外壁作了改进，并用于奥 维克托利亚 8 号井，此后这种井壁就以该矿缩写字母字头命名为 “AV井壁，并成为 400 m深度以内的冻结段井筒 支护的标准井壁。 这种井壁结构各层从外向内依次为：水泥砂浆充填层、混凝土预制块加可压缩木垫板构成临时外壁、沥青层，密封防水钢板筒 6mm～ 10mm 厚 (内层涂薄层沥青层 )，钢筋混凝土内壁为永久井壁，沿纵向可弯曲， 3m为一段高，中间涂以润滑 油作施工缝，这种井壁的最大优点是兼有可弯曲、可滑动和可压缩的特 点。 具有很好的防水性能而且可以承受一定的动压，适应无煤拄开采技术。 为了提高内层井壁的强度，德国采用钢板 (单或双 )与钢筋混凝土复合，英国采用铸铁丘宾 筒 、双层钢板混凝土复合并壁， 丘 宾筒井壁是前苏联等欧洲国家所常用的、初 期用钢筋混凝土材料，以后发展为铸铁或钢丘宾筒井壁，具有强度高、柔性好等优点。 我国现阶段 井壁设计 方法 及工艺 目前，我国冻结井筒常用的内层井壁结构形式有素混凝土井壁和钢筋混凝土井壁。 随着井筒穿过的表土层厚度增加和地压加大，对井壁承载力也提出了更高的要求，现行的井壁结构承载力已难以满足设计要求。 因此，为了满足对特厚表土支护的要求，必须要研究冻结井筒新型井壁结构。 安徽理工大学毕业设计 8 冻结井筒内壁主要承受水压力，因此从内壁受力状态来看，若采用现浇高强钢筋混凝土内壁结构，其内缘处于二向应力状态，抗压强度低于三轴受压状态值；若采 用深厚表土层冻结井筒内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁，其内外缘都处于三轴受压状态，深厚表土层冻结井筒内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁合理地利用约束混凝土结构的特点，即利用内层钢板对混凝土筒体起了良好的约束作用，又保留了钢筋混凝土结构的基本特性。 由于内层钢板的强度和弹性模量均大于外层钢筋混凝土，两层材料在交接面上通过锚卡连接，始终保持变形协调和良好的复合作用川。 外层结构受力变形，将力传递给内层钢板，而钢板在承受外力的条件下，又以径向力的形式，反作用于外层混凝土筒体，使其内侧产生径向约束压应力，从而减小了混凝土内侧 径向应变，当该径向应力达到一定值后，内侧径向应变小于混凝土的极限值，井壁就不会过早地发生保护层脱落和破坏。 利用内层钢板来约束断面内混凝土的径向变形，使其处于三轴受压状态，井壁的承载能力则可明显地提高。 深厚表土层冻结井筒内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁承载力明显高于高强钢筋混凝土井壁，因此，在深冻结井筒内壁下部当高强钢筋混凝土井壁结构不能满足强度要求时，深厚表土层冻结井筒内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁就理所当然地成为首选。 我国自 1982 年以来，首次在淮南矿业学院地下工程结构研究所，针对潘三西风井对钢板混凝土 井壁进行了试验研究，但当时的研究都是针对钻井井壁普通混凝土进行的。 近几年的实践证明，在特厚表土层中建井，要求井壁结构具有较高的承载力，但井壁又不能太厚，提高井壁结构中混凝土的强度等级是解决这一矛盾的重要途径，在钢板复合井壁中采用高强混凝土，不论从经济角度还是技术角度考虑都是 十 分可行的。 北京建井研究所在多年对钻井法凿井井壁内外力测量基础上，进行了钻井壁后充填与井壁固结效果的研究，进行了钻井法井 壁与地层摩擦力模型试验，得出钻井井壁竖向附加力值，同时从结构理 论 上开展了约束混凝土井壁的机理研究，提出了在井壁的内圈 加钢板筒，对钢筋混凝土产生约束作用，可以提高井壁抗御竖向附加力的能力。 针对龙固主井 m 钻井工程条件，首次将竖向附加力作为荷载引人钻井井壁设计，全面考虑了井壁实际受力，设计中首次增加竖向附加力作用下危险截面径向应变的计算，提高井壁抗竖向附加力的综合强度，为防止特殊凿井井筒使用中局部破坏提供结构保证；首次提出了近 600 m井壁设计理论体系和计算方法，研究成功拥有知识产权的单内钢板约束混凝土井壁结构和削球厚壳井壁底，提出用材料力学和有限元法对结构进行应力分析、将静力等效转换成截面内力进行内力计算、再按 现行国家规范设计的设计计算体系，结构合理，安徽理工大学毕业设计 9 计算先进，安全有保证，解决了井壁承受巨大外力对强度要求和悬浮下沉安装对自重限制的矛盾；井壁底成功地承受了 22300 多吨悬浮安装荷载的考验；首次开发出节间处理新技术、壁后充填工艺及防止井壁悬浮下沉整休失稳控制技术。 使近 200 层楼高的井壁，轴线偏斜仅 134 mm和 137 mm，是钻井法凿井在深主、副井应用的重大突破；并首次将 C70 混凝土成功应用于双向受约束钻井井壁结构，同时解决了钻井井壁高强高性能混凝土应用防裂技术难题，确保了井壁施工质量。 深井 施工 需要研究的几 个课题 1. 深井支护技术 井深地压大，岩石软岩化，致使一般支护技术难于适应，在国内几个超千米深井的实践中，总结出一些富有特色的深井支护方法。 但系统地归纳成规律性，还有待进一步深化。 对于深厚冲积层的支护问题就更为突出，深 600m左右冲积层冻结法施工净直径 6～ 7m的井筒，井壁总厚度一般都超过 2m，随着深度的增加，井壁加厚不但造价高、施工困难而且结构不合理，因为厚壁筒结构的厚径比大于一定值后，材料效率急剧下降；钻井法凿井由于受悬浮下沉安装基本工艺的限制，井壁太厚浮不起来，就失去了钻井法实施的可能性。 因此， “结构 创新 ”将成为深厚冲积层特殊凿井支护技术发展的关键。 2. 通风降温技术 井深地温升高，劳动条件差，设备使用效率低，因此在深井掘砌施工中，加强通风降温技术的研究，就显得格外突出。 另一方面，地温升高将增加了冻结法施工对冻结壁维护的困难以及钻井法施工中造成泥浆发酵而失效等问题，都是实践中屡次遇到的现象，是深井特殊施工需要解决的新课题。 3. 防水、治水技术 随着井深加大，地层构造一般比较复杂，含水层水量大、压强高，水的治理往往是深井施工的大问题，成为制约施工安全和质量管理的瓶颈。 采用注浆方法，仍是深井岩石层治水 的有效方法。 国内外也有采用地层冻结的方法来解决局部水的问题，如我国山东郭屯矿。