1、花園煤礦主副井內層可縮井壁井壁可縮裝置方案初步設計目 錄1工程背景21.1井壁豎向壓裂31.2破裂時間集中31.3破裂位置集中41.4地質條件相近41.5地表明顯下沉42井壁破裂機理53預防新建井發(fā)生井壁破裂災害技術53.1增大井壁厚度，提高井壁材料強度，承受附加力63.2采用新型井壁結構，適應附加力63.2.1滑動可縮井壁63.2.2雙層整體可縮井壁63.2.3雙層內層可縮井壁74管板組合式井壁可縮裝置84.1管板組合式井壁可縮裝置簡介84.2管板組合式井壁可縮裝置的設計104.3管板組合式井壁可縮裝置的現場應用情況115井壁可縮裝置的設計115.1主、副井壁結構與井筒地質情況115.2主、

2、副井井壁可縮裝置的設計145.2.1可縮結構的位置與數量145.2.2可縮裝置的寬度145.2.3可縮裝置的可縮量145.2.4可縮裝置內外殼厚度145.2.5可縮裝置其余部件及尺寸156現場安裝照片157內層可縮井壁裝置費用概算171 工程背景自一九八七年以來，淮北、大屯、徐州、永夏和兗州等礦區(qū)已有90多個立井井筒相繼發(fā)生了井壁破裂災害(見表1.1)，造成了巨大的經濟損失，嚴重地威脅著礦井的安全與生產。立井井壁破裂現象具有如下共同特征。1.1 井壁豎向壓裂圖 1.1 典型井壁破裂展開圖深厚表土層中的立井井壁發(fā)生破裂時，內壁混凝土成塊剝落，縱筋向內彎曲，橫向裂紋、裂縫在水平方向交圈（圖1.1、

3、圖1.2），破裂處漏水、甚至涌沙，嚴重時，混凝土掉塊砸壞設備和井筒裝備。此外，罐梁向上彎曲，罐道、排水管、壓風管等發(fā)生縱向彎曲，嚴重時會扭曲變形，造成卡罐事故?？梢?，井壁破裂災害對人生安全和煤礦的安全生產都構成了嚴重威脅。圖1.2 典型井壁破裂實物圖1.2 破裂時間集中均發(fā)生于每年的410月份，大多集中于68月份。1.3 破裂位置集中多在第四系深厚表土層與基巖交界面附近，伴隨之有地表沉降（圖1.3）。1.4 地質條件相近圖 1.3 井壁破壞位置與地質條件示意1-基巖 2-含水層 3-井壁破壞區(qū) 4-外凸豎筋 5-粘土隔水層 6-井壁 7-深厚表土層破壞井筒都穿過較厚的第四系表土層，層厚大多在1

4、00m以上，表土層含水層的水位均有下降,下降量30m-150m不等,下降速率多在0.03-0.12mpa/a之間。1.5 地表明顯下沉伴隨著下部含水層水位下降，破壞礦井工業(yè)廣場地表均有不同程度的下沉，下沉幅度達100mm500mm；沉降速率在10-50mm/a左右；沉降率（地表下沉量與表土層厚度之比）為1.52左右。這種立井井壁破裂災害影響范圍之大，造成的后果之嚴重，在國內外都是前所未有的。因井壁破裂而停產進行搶險加固所造成的直接和間接經濟損失就達數億元；而且臨時加固使得井筒凈直徑減小,限制了礦井的提升能力，影響礦井的正常生產；然而更重要的是搶險加固后的井壁埋藏著隱患，井壁時有繼續(xù)破壞的可能，

5、必須得以徹底根治。表 1.1 部分已破壞井筒序號井筒名稱序號井筒名稱序號井筒名稱序號井筒名稱1海孜主井26三河尖副井51興隆莊副井76葛店副井2海孜副井27三河尖風井52興隆莊西風井77車集主井3海孜中央風井28張集主井徐州53興隆莊東風井78車集副井4海孜西風井29張集副井徐州54楊村主井79車集南風井5臨渙副井30沛城主井55楊村副井80車集北風井6臨渙東風井31沛城副井56楊村南風井81陳四樓主井7臨渙西風井32龍固副井徐州57楊村北風井82陳四樓副井8童亭主井33龍固主井徐州58南屯風井83東榮一礦主井9童亭副井34龍東主井59濟寧三號礦風井84東榮一礦副井10童亭中央風井35龍東副井

6、60濟寧三號礦副井85東榮一礦風井11蘆嶺主井36龍東東風井61泗河主井86東榮二礦主井12蘆嶺副井37孔莊主井62泗河副井87東榮二礦副井13桃園主井38孔莊副井63橫河主井88東榮二礦風井14桃園副井39孔莊南風井64橫河副井89東榮三礦主井15桃園風井40姚橋主井65太平副井濟寧90東榮三礦副井16任樓主井41姚橋副井66太平主井濟寧91東榮三礦風井17任樓副井42徐莊主井67鹿洼主井92小茅山銅礦主井18任樓風井43徐莊副井68鹿洼副井93小茅山銅礦風井19前嶺北風井44徐莊風井69楊莊主井濟寧9420前嶺中風井45付村主井70楊莊副井濟寧9521祁南副井46鮑店主井71楊莊風井濟寧9

7、622張雙樓主井47鮑店副井72田莊主井9723張雙樓副井48鮑店北風井73田莊副井9824張雙樓南風井49鮑店南風井74金橋副井9925三河尖主井50興隆莊主井75葛店主井1002 井壁破裂機理通過大型模擬試驗，中國礦業(yè)大學和大屯煤電公司于1989年首次證實了特殊地層含水層疏排水時井壁豎直附加力的存在，提出了井壁破裂機理：表土含水層疏水，造成水位下降，含水層的有效應力增大，產生固結壓縮，引起上覆土體下沉。土體在沉降過程中施加于井壁外表面一個以往從未認識到的豎直附加力。豎直附加力增長到一定值時，混凝土井壁不能承受巨大的豎直應力而破壞。豎直附加力是導致井壁破裂的主要因素。傳統的表土層井壁結構與設

8、計視井壁受力為靜態(tài)、平面問題。在設計井壁時，認為井壁自重的3/4由地層圍抱力所抵消;但當表土含水層失水時,地層不但不能承擔一部分井壁自重,反而對井壁作用有向下的、隨時間增長的豎直附加力。這說明此種情況下井壁受力問題是一個動態(tài)、空間問題，而不是靜態(tài)、平面問題。這一觀念是對井壁受力工況認識上的一次飛躍。在此認識的基礎上，提出了新的井壁設計原則和方法，開發(fā)出了新的井壁結構型式以及井壁破裂災害的防、治技術。3 預防新建井發(fā)生井壁破裂災害技術根據井壁破裂機理，豎直附加力主要與以下兩組參數有關：1) 井壁結構及其幾何、物理、力學參數；2) 地層的幾何、物理、力學參數。相應地，應建立新的井壁設計原則，在此基

9、礎上開發(fā)預防井壁破裂的技術。在新的井壁設計中，應該充分認識井壁地層的相互作用；充分考慮特殊地層對井壁所造成的豎直附加荷載；考慮全部井壁自重、井筒裝備重量和井塔重量;考慮溫度變化可能造成的附加荷載，按空間問題理論進行設計計算，用第四強度理論進行強度驗算。3.1 增大井壁厚度，提高井壁材料強度，承受附加力從理論上講，采用這種“硬抗”的辦法預防新建井井壁破裂是可能的，但是由于工況條件限制，要在凍結井筒施工中采用c70以上的混凝土材料是很困難的。在表土層厚達250m的雙層井壁設計中，若考慮附加力、井壁自重和井塔重量，即使采用如此高標號的混凝土材料，井壁厚度仍需1.4-2.0m，甚至更大。顯然，當表土層

10、較厚時，僅靠加大井壁厚度、采用超高強混凝土材料在技術上、經濟上都是不盡合理的。因此，此種方案只宜在表土較淺時采用。3.2 采用新型井壁結構，適應附加力圖 3.1 滑動可縮井壁結構示意1-外壁 2-泡沫塑料夾層 3-瀝青滑動層 4-可壓縮層5-內壁 6-表土層 7-基巖 8-井筒中心線基于多年來對深厚表土層中井壁受力、井壁結構與設計的研究，中國礦業(yè)大學開發(fā)出了適用于凍結井筒的“滑動可縮井壁”（1991年）和“雙層整體可縮井壁”（1996）結構形式，以及適用于鉆井井筒的“單層整體可縮井壁”（1993）結構形式。3.2.1 滑動可縮井壁滑動可縮井壁結構形式如圖3.1所示。根據工程地質、水文地質條件，

11、在外壁中設一層或多層可壓縮層，以適應于附加力的作用，可縮層采用pvc板、木質墊板或薄鋼板盒；內外壁間設瀝青滑動層，以消除內外壁間的剛性約束，減少附加力對內壁的影響并使內壁受力均勻、可知；內壁采用普通的鋼筋混凝土結構，其外載是由瀝青滑動層傳遞的豎向和水平荷載。這種井壁結構各部分功能比較明確、防水性能好、井內裝備無需可縮，但井壁施工工藝較復雜，造價較高。3.2.2 雙層整體可縮井壁圖3.2是根據凍結井壁受力和施工的特點而設計的雙層整體可縮井壁示意。在靠近表土與基巖交界面附近隔水層中的內層井壁和外層井壁內各設置一個可縮接頭。瀝青夾層起密封和滑動作用。這樣改變了原來普通凍結井壁的豎向抗壓剛度，使井壁在

12、受有較大豎向力時能與地層一起下沉，以免遭破壞。采用這種井壁結構使得井壁豎向變形部位及其位移量可知，但同時要求井筒裝備可縮。該種井壁的大部分是與普通復合井壁一樣的，只將局部井壁替換為可縮接頭，其施工工藝基本上與普通凍結井壁相同，比滑動可縮井壁要簡單得多，故造價也較低。圖3.2 雙層整體可縮井壁結構示意1-內壁 2-夾層 3-外壁 4-表土層 5-內壁可縮層6-瀝青縮層 7-外壁可縮層 8-基巖 9-井筒中心線圖3.3 雙層內層可縮井壁結構示意3.2.3 雙層內層可縮井壁圖3.3是根據凍結井壁受力和施工的特點而設計的雙層內層可縮井壁結構示意。在靠近表土與基巖交界面附近隔水層中的內層井壁設置一個可縮

13、接頭。通過改變了原來普通凍結井壁的豎向抗壓剛度，使井壁在受有較大豎向力時在可縮接頭位置能與地層一起下沉，以免內壁遭受破壞。采用這種井壁結構使得井壁豎向變形部位及其位移量可知，但同時要求井筒裝備可縮。該種井壁的大部分是與普通復合井壁一樣的，只將局部井壁替換為可縮接頭，其施工工藝基本上與普通凍結井壁相同，比雙層滑動可縮井壁更加簡單，故造價也最低。綜上所述，在深厚表土層的新井井壁設計中，采用加大井壁厚度、選用高強材料的方法來承受附加力、防止井壁破壞從理論上講是可能的，但在技術和經濟上都是不盡合理的，應采用新型井壁結構來適應附加力的作用。新型的滑動可縮井壁結構、單層整體可縮井壁結構、雙層整體可縮井壁結

14、構、雙層內層可縮井壁結構均可以適應由于地層沉降對井筒產生的豎向附加力，而其中尤以雙層內層可縮井壁結構施工最簡單，造價最低，因此目前雙層內層可縮井壁在永夏礦區(qū)新橋煤礦主副井、城郊煤礦東風井、魯能荷澤煤電集團郭屯煤礦主副風井、河南吳桂橋煤礦有限公司主副井、淮南礦業(yè)集團丁集煤礦主副風井等礦井均得到了推廣應用。4 管板組合式井壁可縮裝置4.1 管板組合式井壁可縮裝置簡介管板組合式井壁可縮裝置（圖4.1圖4.4）是中國礦業(yè)大學的一項專利（專利名稱：一種井壁可縮裝置，專利證書號：586735，專利證書見圖4.1）技術，由中間鋼管1、內殼體2、外殼體3、上下面板4組成。中間鋼管1和上下面板4焊接在一起，構成

15、封閉環(huán)形結構；內殼體3、外殼體2和上下面板4垂直焊接在一起，構成封閉腔環(huán)形結構，使結構的受力和變形均勻對稱。圖4.1雙層內層可縮井壁可縮裝置專利證書以前的鋼結構可縮裝置存在壓縮量較小，可縮裝置焊縫易開裂以及成本較高的不足。該型可縮接頭具有如下優(yōu)點：（1）壓縮量大。主要利用鋼管和立板的曲屈變形實現可縮，壓縮率可達70%以上，為木質可縮裝置的2倍以上。（2）防水性能好。裝置本身的密封主要靠上下面板與中間鋼管間的焊接實現，由于鋼管與面板間的焊縫始終受壓，不會炸縫，因此在可縮裝置曲屈變形過程中可縮裝置的密封性能可得到保證。圖4.2可縮裝置俯視圖圖4.3可縮裝置a-a剖面圖1中間鋼管2內殼體3外殼體4上

16、下面板圖4.4 可縮裝置局部放大圖圖4.5管板組合式可縮裝置幾何尺寸示意圖4.2 管板組合式井壁可縮裝置的設計可縮裝置的幾何尺寸（圖4.5）是其設計的主要內容，需按其能承受的豎向極限荷載確定。根據中國礦業(yè)大學的研究，可縮結構豎向承載力可按式(4-1)估算。 (4-1)式中pcr可縮結構豎向承載力，mpa；h可縮結構凈高，m；t內外殼體厚度，m；w可縮裝置的寬度，m。由此得到： (4-2)設計時可根據可縮量要求定出凈高h，根據井壁厚度與施工要求確定可縮裝置的寬度w。然后根據可縮結構豎向設計承載力pcr計算出內外殼體厚度t。上下面板厚度tu可取與內外殼體同厚或略大，中間管子厚度tp應等于或略小于內

17、外殼體厚度t。4.3 管板組合式井壁可縮裝置的現場應用情況管板組合式井壁可縮裝置自提出以來，已在華東地區(qū)數個新建井筒以及已建井筒的破裂災害治理中應用。具體應用礦井有：河南永夏礦區(qū)車集煤礦主副井及南北風井（災害治理、已安裝）、新橋煤礦主副井（新建、已安裝）、城郊煤礦東風井（新建，已安裝）陳四樓煤礦南風井（新建、鉆井井壁、已安裝）、河南駐馬店吳桂橋煤礦主副井（新建、已安裝）山東巨野礦區(qū)郭屯煤礦主副風井（新建，未安裝）。5 井壁可縮裝置的設計5.1 主、副井壁結構與井筒地質情況花園煤礦主、副井基巖與表土交接面相對標高均為-479.100m。表土段井壁結構參數見表5.1和表5.2，表土段地質情況條件見

18、表5.3和表5.4。表5.1花園煤礦主井表土段井壁結構設計參數標高 /m結構參數-1.859-160.00-160.000-210.000-210.000-290.000-290.000-350.000-350.000-410.000-410.000-450.000-450.000-480.000井筒凈直徑/mm4500450045004500450045004500內壁厚度/mm400400600600750750750外壁厚度/mm400400600600800800800內壁砼標號c30c40c40c50c50c55c60外壁砼標號c30c40c40c50c50c55c60表5.2花園煤

19、礦副井表土段井壁結構設計參數標高 /m結構參數-1.859-160.000-160.000-210.000-210.000-290.000-290.000-340.000-340.000-400.000-400.000-440.000-440.000-480.000井筒凈直徑/mm5000500050005000500050005000內壁厚度/mm450450650650850850850外壁厚度/mm450450650650850850850內壁砼標號c30c40c40c50c50c55c60外壁砼標號c30c40c40c50c50c55c60表5.3花園煤礦主井表土段地質情況巖石名稱層厚

20、（m）累厚（m）巖石名稱層厚（m）累厚（m）無芯9.109.10粉土1.32179.09粉質粘土4.7313.83細砂2.40191.64粉砂3.1717.00粘土3.68195.32粘土4.6421.64粉砂9.68205.00粉質粘土0.9922.63粘土15.94220.94粉砂2.3725.00粉質粘土16.56237.50粘土1.5026.50粗砂4.90242.40粉質粘土32.5059.00粘土29.60272.00細砂4.9963.99細砂6.91278.91中砂1.6065.59粘土8.59287.50粉土6.5672.15粉土1.80289.30細砂2.3074.45粘土2

21、.90292.50粘土7.2281.67粉土1.30293.50粉質粘土9.9891.65粉質粘土1.75295.25中砂3.3895.03粉土0.90296.15含礫粉質粘土6.90101.93粉質粘土0.85297.00粘土7.07109.00粉土2.62299.62粉砂0.90109.90細砂1.98301.60粘土2.70112.60粘土8.90310.50粉質粘土1.87114.47鈣質粘土12.50323.00細砂3.33117.80粘土18.00341.00粉質粘土0.60118.40鈣質粘土21.70362.70粉土2.60121.00粉土4.20366.90含礫泥質粗砂0.6

22、9121.69粗砂3.10370.00粘土3.31125.00粘土51.50421.50鈣質粘土1.14126.14粉土9.00430.50細砂5.86132.00細砂5.60436.10含礫鈣質層2.80134.80粉質粘土2.00438.10粗砂5.70140.50鈣質層4.90443.00鈣質層3.25143.75粉質粘土1.00444.00細砂3.85147.60含礫中砂1.30445.30粗砂4.85152.45鈣質層7.70453.00鈣質粘土4.23156.68含礫粗砂2.78455.78粘土2.32159.00鈣質粘土2.80458.58粉砂1.00160.00細砂2.3846

23、0.96細砂1.50161.50粉質粘土5.04466.00含礫中砂2.78164.28粘土13.10479.10粉砂5.69169.97泥巖1.90481.00粗砂2.09172.06中砂巖1.50482.50粘土2.80174.86泥巖2.00484.50粉質粘土2.91177.77表5.4花園煤礦副井表土段地質情況巖石名稱層厚（m）累厚（m）巖石名稱層厚（m）累厚（m）無芯9.109.10粉土1.32179.09粉質粘土4.7313.83細砂6.61185.70粉砂3.1717.00粉質粘土3.54189.24粘土4.6421.64細砂2.40191.64粉質粘土0.9922.63粘土3

24、.68195.32粉砂2.3725.00粉砂9.68205.00粘土1.5026.50粘土15.94220.94粉質粘土32.5059.00粉質粘土16.56237.50細砂4.9963.99粗砂4.90242.40中砂1.6065.59粘土29.60272.00粉土6.5672.15細砂6.91278.91細砂2.3074.45粘土8.59287.50粘土7.2281.67粉土1.80289.30粉質粘土9.9891.65粘土2.90292.20中砂3.3895.03粉土1.30293.50含礫粉質粘土6.90101.93粉質粘土1.75295.25粘土7.07109.00粉土0.90296

25、.15粉砂0.90109.90粉質粘土0.85297.00粘土2.70112.60粉土2.62299.62粉質粘土1.87114.47細砂1.98301.60細砂3.33117.80粘土8.90310.50粉質粘土0.60118.40鈣質粘土12.50323.00粉土2.60121.00粘土18.00341.00含礫泥質粗砂0.69121.69鈣質粘土21.70362.70粘土3.31125.00粉土4.20366.90鈣質粘土1.14126.14細砂3.10370.00細砂5.86132.00粘土51.50421.50含礫鈣質層2.80134.80粉土9.00430.50粗砂5.70140.

26、50細砂5.60436.10鈣質層3.25143.75粉質粘土2.00438.10細砂3.85147.60鈣質層4.90443.00粗砂4.85152.45粉質粘土1.00444.00砂質粘土4.23156.68含礫中砂1.30445.30粘土2.32159.00鈣質層7.70453.00粉砂1.00160.00含礫粗砂2.78455.78細砂1.50161.50鈣質粘土2.80458.58含礫中砂2.78164.28細砂2.38460.96粉砂5.69169.97粉質粘土5.04466.00粗砂2.09172.06粘土13.10479.10粘土2.80174.86泥巖1.90481.00粉質

27、粘土2.91177.77中砂巖1.50482.505.2 主、副井井壁可縮裝置的設計5.2.1 可縮結構的位置與數量根據主副井的地質情況，兩井在表土層下部地質條件相差不大，初步選定井筒可縮裝置的埋設位置為-470m(對應地層為粘土)。主井和副井均在-470m埋設一層可縮裝置。5.2.2 可縮裝置的寬度按主副井井壁結構的設計，可縮裝置埋設處井壁厚度為：主井內壁750mm，外壁800mm；副井內壁850mm，外壁850mm?？紤]到施工誤差，確定主副井可縮裝置的內緣直徑分別為：4550mm和5050mm，外緣直徑分別為：5970mm和6670mm?？煽s裝置寬度w分別為710mm和810mm。5.2.3 可縮裝置的可縮量根據可縮裝置的幾