（岩土工程专业论文）型钢骨架钢板混凝土复合井壁的研究.pdf

型钢骨架钢板混凝土复合井壁的研究 摘要 随着我国经济建设的迅猛发展，能源需求越来越大，能源短缺问题愈益严重， 新能源要全面代替传统能源还需时曰。就我国现阶段能源的构成来看，煤炭能源 仍然占据主要地位。因此新建一批大型煤矿是目前紧迫的任务。但是，随着浅部 煤炭资源的枯竭，向深部开挖，在深厚表土地层中建设新矿井将是煤矿建设所急 待解决的重要问题。随着表土厚度的增加，出现了井壁设计难以解决的问题，无 论是外层井壁或是内层井壁的设计，在考虑冻胀压力和全水压设计中都将出现井 壁厚度太大或混凝土强度等级过高。采用冻结法施工时，井壁厚度增大大大加大 了冻结层半径，施工难度大，延长工期，造成工程造价大幅度提高。 为了解决深厚表土地层井壁结构和井壁设计问题，首次提出了型钢骨架钢板 混凝土支护井壁。本文主要从以下几个方面，对型钢骨架钢板混凝土支护井壁进 行研究。 ( 1 ) 以常规井壁施工方法与型钢骨架钢板混凝土支护井壁施工方法做比较，阐 述了新支护方式的在施工方面的优越之处，以及新方法使用过程中可能带来的一 些施工中的问题和应对方法。 ( 2 ) 利用有限差分法分两种情况对井壁受力进行模拟。得出了在两种井壁厚度 相同时，型钢骨架钢板混凝土井壁的耗钢量是钢筋混凝土井壁的1 4 9 倍，承载 能力提高1 4 3 倍；在承受同等地应力的情况下，型钢骨架钢板混凝土复合井壁 比钢筋混凝土井壁厚度减小2 3 5 的结论。 ( 3 ) 阐述了型钢骨架钢板混凝土复合井壁，在冻结、掘进、支护等方面的独特 优势。 本文以井壁最下端1 0 米为研究对象，土的分层比较简单，要得出更具针对 性的研究结果，应该考虑的更宏观些，更详细些。 关键词：数值模拟深厚表土层承载能力井壁结构 s t u d yo nc o m p o s i t es h a f tl i n i n gw i t hs t e e l s k e l e t o na n ds t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e a b s t r a e t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m i cc o n s t r u c t i o n , e n e r g yd e m a n d g r o w i n g , t h eg r o w i n gp r o b l e mo fe n e r g ys h o r t a g e ，n e we n e r g y , t h ee n e r g yn e e d e dt o f h l l yr e p l a c et h et r a d i t i o n a lt i m e o nt h ec o m p o s i t i o no fo u rp r e s e n tv i e wo fe n e r g y , c o a le n e r g yi ss t i l lam a j o rp l a y e r t h e r e f o r e ，an u m b e ro fl a r g en e wc o a lm i n ei st h e u r g e n tt a s k h o w e v e r , w i t hm ed e p l e t i o no fs h a l l o wc o a lr e s o u r c e s ，t ot h ed e e p e x c a v a t i o ni nt h ed e e pl a y e ro ft h et a b l el a n dm i n e si nt h ec o n s t r u c t i o no ft h en e w b u i l d i n gw i l lb em i n ei m p o r t a n ti s s u e sn e e dt ob es o l v e d w i t ht h ei n c r e a s eo fs u r f a c e s o i lt h i c k n e s s w a l ld e s i g na p p e a r e dd i f f i c u l tt os o l v et h ep r o b l e m , e i t h e rt h ei n n e ro r o u t e rs h a f tw a l ld e s i g n i nc o n s i d e r i n gt h ep r e s s u r ea n df r o s th e a v ei n 廿l ef i l l l p r e s s u r ed e s i g nw a l l t h i c k n e s sw o u l da p p e a rt o o l a r g eo r t o oh i 曲c o n c r e t es t r e n g t h b yf r e e z i n g c o n s t r u c t i o n , w a l lt h i c k n e s so ft h ef r o z e nl a y e ri n c r e a s e sg r e a t l yi n c r e a s e dt h er a d i u s o ft h ec o n s t r u c t i o ni st oe x t e n dt l l ed u r a t i o n , r e s u l t i n gi ns u b s t a n t i a li n c r e a s ei np r o j e c t c o s t i no r d e rt os o l v et h ed e e po v e r b u r d e nw a l ll i n i n gs t r u c t u r ea n dd e s i g n ，f i r s t p r o p o s e ds t e e lr e i n f o r c i n gp l a t ec o n c r e t es u p p o r tw a l l t h i sa r t i c l ef r o mt h ef o l l o w i n g a s p e c t s t ot h es t e e ls k e l e t o nc o n c r e t er e t a i n i n gw a l lp l a t es t u d y ( 1 ) w a l lc o n s t r u c t i o nm e t h o dt oc o n v e n t i o n a ls t e e lf r a m ew i t hs t e e lr e i n f o r e e d c o n c r e t er e t a i n i n gw a l lc o n s t r u c t i o nm e t h o d sa r ec o m p a r e dt oe x p l a i nt h en e ws u p p o r t m e t h o d sa d v a n t a g e si nc o n s t r u c t i o n , a n dn e ww a y st ou s et h ep r o c e s sm a yb r i n g s o m eo ft h ec o n s t r u c t i o nq u e s t i o n sa n dr e s p o n s e s ( 2 ) f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da r et w oc a s e st os i m u l a t et h ef o r c eo nt h ew a l l o b t a i n e dt h es a m ei nt h et w ow a l lt h i c k n e s s s t e e lr e i n f o r e e dc o n c r e t ew a l ls t e e l s k e l e t o no fs t e e lc o n s u m p t i o ni sar e i n f o r c e dc o n c r e t ew a l lo f1 4 9t i m e s 1 4 3t i m e s t h ec a r r y i n g c a p a c i t yi n c r e a s e d ；t ob e a rt h es a m es t r e s ss i t u a t i o n ，c o n c r e t es t e e l r e i n f o r c i n gp l a t ec o m p o s i t ew a l lo fr e i n f o r c e dc o n c r e t es h a f tw a l lt h i c k n e s si sr e d u c e d m o r et h a n2 3 5 o ft h ec o n c l u s i o n s ( 3 ) d e s c r i b e ds t e e lf l a m i n gs t e e lc o n c r e t ec o m p o s i t ew a l l ，i nt h ef r e e z i n g ，d r i v i n g ， s u p p o r tt h eu n i q u ea d v a n t a g e ss u c h a s i nt h i sp a p e r , t h eb o t t o mw a l l l0m e t e r sf o rt h es t u d y , s o i ll a y e ri sr e l a t i v e l ys i m p l e t oc o m eu pw i t hm o r et a r g e t e dr e s u l t s s h o u l db ec o n s i d e r e di nab r o a d e rm o r ea n d m o r ee l a b o r a t e k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o nd e e pa l l u v i u mb e a r i n gc a p a c i t y s h a f tw a l l s t r u c t u r e 插图清单 2 1钢板及横向槽钢之间的连接5 2 2 钢板及纵向槽钢之间的连接5 2 3钢板及横向槽钢连接模型图5 3 1水结冰过程曲1 4 3 2 冻土蠕变过程曲线1 4 3 3井筒圆环截面应力图1 6 3 4井壁受均匀侧压力作用1 9 4 1混凝士的c 、妒确定示意图3 0 4 2 井筒模型图3 2 4 3最大不平衡力采样记录图3 2 4 4采样记录节点( 001 0 ) z 方向位移3 3 4 5开挖前井筒应力云图3 3 4 6采样记录点( 001 0 ) 处单元格竖向应力3 4 4 7底段1 0 米顶面垂直应力图。3 4 4 8采样记录最大不平衡力3 5 4 9点( 001 0 ) z 向位移图3 5 4 10 竖向应力7 m p a 时塑性区图3 6 4 11 竖向应力7 5 m p a 时塑性区图3 6 4 1 2竖向应力8 m p a 时塑性区3 6 4 1 3 井壁x 方向位移底视图3 7 4 1 4井擘径向位移散点图3 7 4 1 5竖向应力- 7 m p a 时塑性区3 8 4 1 6 竖向应力1 0 m p a 时塑性区图3 8 4 17 竖向应力1o 5 m p a 时塑性区图3 8 4 1 8 井壁x 方向位移底视图3 9 4 1 9井壁径向位移散点图3 9 4 2 0竖向应力6 5 m p a 时塑性区图4 0 4 2 1 竖向应力7 o m p a 时塑性区图4 0 4 2 2 竖向应力7 5 m p a 时塑性区图。4 0 4 2 3 井壁x 方向位移底视图4 1 4 2 4井壁x 方向位移散点图4 1 4 2 5 钢筋混凝土井壁截面图4 2 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表3 1 表3 2 表3 3 表格清单 冻结压力统计( m p a ) 1 2 混凝土的标准强度( m p a ) 1 8 钢筋混凝士构件纵向受力钢筋的最小配筋率( 以混凝土计算 面积计算) 1 9 井壁分段厚度( 某矿主井) 1 9 c 与y 的关系2 0 f l a c 3 d 基本的本构模型2 7 模型中k 、g 取值2 9 混凝土轴心抗压强度标准值( m p a ) 2 9 混凝土抗拉强度设计值( m p a ) 3 0 混凝土的c 、驴3 0 钢筋混凝土折算参数3 l 模型参数取值3 l 4 5 1 2 3 4 5 6 7弘孓缸舢弘舢缸舢舢表表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒8 垦王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：片盈噜 签字日期：和咖 年中月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金壁王些盔 三l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向：辛足 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：和f 年u 月彳日 电话：，窄，争f y r 厂穷 邮编： 辱枷 勾 目 亿彳 中 一 ： 年 名 静 罄 研 者 ： 更 鼽 论 日 僦 引 学 签 致谢 本文是在导师臧德胜教授的悉心指导下完成的。论文从选题到最后定稿，每一个 环节，导师都给予了耐心的指导和宝贵的建议。导师渊博的学识、严谨的治学作风、 积极的工作态度，给我树立了学习的榜样，使我受益终生。在此我要对我的导师臧德 胜教授说声：老师谢谢您! 感谢合肥工业大学土木与水利工程学院及合肥工业大学研究生院的各位领导和 老师，正是他们无私的帮助和指导，本文才得以j i f 如f u 进行。 感谢汪明武教授在论文建模过程中给予的耐心指导；也感谢李井超、陈光怡、谢 小龙、张海骄、程苏雷等同学给予的热情帮助。 另外，我要感谢我的家人，十几年学习生涯，正是他们无私的奉献和默默的支持 本人才能取得今天的成绩。 最后，我要感谢评阅本文论文和出席学位论文答辩会的各位专家。他( 她) 们的 审核与评定是对我这几年学习的最好检验。 牛正军 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 随着我国经济建设的迅猛发展，能源需求越来越大，能源短缺问题愈益严 重，就目前我国能源结构来看，煤炭能源仍然占据主要地位，因此，新建一批 大型煤矿矿井是目前紧迫任务。但在我国工业发达的华东地区，浅部煤炭资源 已日益枯竭，向深部开挖，在深厚表土地层【lj 中建设新矿井将是煤矿建设所面 临的长期任务。目前，淮南新建矿井表土层厚度均在3 0 0 m 以上，如淮南丁集 矿井表土层厚度达到5 3 0 m 、板集5 8 0 m ；在山东建设表土层厚度在7 6 0 m 的井 筒已提到议事日程上。随着表土地层厚度的增加，出现了井壁设计难以解决的 问题，无论是外层井壁或是内层井壁的设计，在考虑冻胀压力t 2 幂t l 全水压设计 中都会出现井壁厚度太大或砼强度等级过高的问题。特别是在采用冻结法施工 时，随着井壁厚度增大，势必大大加大冻结圈半径【3 】，从而造成工期延长，工 程造价大幅度提高。为了解决深厚表土地层井壁结构和井壁设计问题，目前我 国许多专家和设计院人员进行了深入的研究，也提出了一些办法。其中有钢板 井壁结构1 4 5 ，6 】、高强砼井壁结构【7 】等，这些井壁结构确实可以提高井壁的强度， 保证井壁的安全，但也出现了一些新的、难以克服的问题：如钢板井壁结构， 由于冻结法施工现场的具体条件，钢板在井下的焊接工艺问题，高强砼弧板井 壁t s ，在井下施工中的搬运，连接等。只有研究出新的更为合理的井筒结构， 才能最终解除制约深厚表土煤矿建设的瓶颈。 1 2 煤矿深井井壁结构研究现状 至今我国煤矿矿井井壁主要有单层井壁、双层井壁、塑料夹层双层混凝土 复合井壁p j 、沥青板夹层双层混凝土复合井壁f l 们、砌块沥青钢板混凝土复合井 壁( 既柔性滑动井壁i l l j ) 等。 1 ) 单层井壁：单层井壁主要指单层混凝土和单层钢筋混凝土井壁。在上世 纪5 0 年代冻结法凿井采用早期，井简穿过表土层大都较浅，此阶段采用冻结法 施工的井壁，最大冻结深度1 6 2 o m ，穿过表土层1 5 4 o m 。采用此种方法施工 的井壁相当大一部分在井壁段高间接茬位置和施工留置梁窝位置产生较严重的 漏水。针对井壁漏水的情况，矿井的设计者和建设者采用了套内壁、在段高问 设置塑料止水带、壁间注浆i l2 j 等方法，加强了井擘的质量。 2 ) 双层井壁：双层井壁一般指双层混凝土或钢筋混凝土井壁【1 3 , 1 4 】。在处 理单层井壁漏水的过程中启发了矿井的设计人员，把单层井壁升级为双层井壁。 设计双层井壁时冻结压力设定为外壁承担，以此来计算外壁的厚度；假设内外 层井壁为一个整体，一并承担永久地压，以此来计算矿井井壁的总厚度。内壁 的厚度为井擘的总厚度减去外壁的厚度，其厚度般为o 4 m 至o 5 m ，随着表 土层加深，壁厚一般也相应增大。双层井壁的采用，使井壁漏水现象有了一定 程度的缓解，但是并没有从根本上解决漏水的问题，尤其是在穿过土层厚度大 于2 0 0 m 的矿井中，井壁漏水现象依然十分严重。 3 ) 塑料夹层双层混凝土复合井壁：上世纪7 0 年代，在淮南和淮北矿区针 对井壁在较厚表土层( 大于2 0 0 m ) 漏水十分严重的问题采取了有针对性的解决 办法，主要有以下几方面的内容：井筒内壁采用较高标号的混凝土，提高其 强度。井筒滑模套壁结束后，要及时进行壁间注浆。按照静水压由内壁负 担，冻结压力由外壁负担分别计算井壁的内层和外层厚度。在井壁的内层和 外层之间铺厚度为1 5 m m 的薄塑料板，这样可以在一定程度上缓解外壁对内壁 的约束，使内壁不至因为温度的降低产生裂隙而漏水。外层井壁采用高强和 早强混凝土以适应冻结土压力变化规律，采用短段掘砌快速支护的施工方法。 采用这些方法后，从根本上解决了两淮矿区井壁的漏水的现象。如今，在深厚 表土层中建井，已广泛采用塑料夹层双层混凝土井壁。 4 ) 沥青板夹层双层混凝土复合井壁i l5 j ：在上世纪8 0 年代后期，有许多 煤矿因为矿井排水引起地下水位下降，使矿井周围的土层相对矿井下降，对井 壁产生负摩擦力，导致了井壁的破坏。针对这种情况，在某些特殊的地质条件 下，采用了沥青板夹层双层混凝土复合井壁。这种井壁的主要特点是在井壁的 内层和外层之间铺沥青板( 7 0 m m ) ，井壁外层与冻结壁之间铺2 5 m m 到5 0 m m 厚的塑料泡沫板。外井壁按设计沿着竖直方向分水平面并设置可压缩层。此种 井壁在减少负摩擦力、减少外壁对内壁的影响等方面都很具优越性，但在设计 和施工两个方面还需进一步改善。 5 ) 砌块沥青钢板混凝土复合井肇：此种井壁又常常被人们称作为滑动井 壁、全能井壁，主要用于井筒煤柱需回采的井筒，也可以用来防止井壁周边地 层下沉对井壁造成破坏的冲击地层中。在淮南孔集西风井和开滦东欢坨矿副井 曾采用过，至今使用情况反应良好。 煤矿竖井井壁结构按材料来分，可分成素混凝土井壁、钢筋混凝土井壁、 钢板混凝土复合井壁、预制钢筋混凝土弧形板井壁等等。素混凝土井壁一般只 能用在深度较小、承受压力较小的井筒中，在深表土地区多采用钢筋混凝土井 壁、钢板混凝土复合井壁或预制钢筋混凝土弧形板井壁。众所周知，混凝土的 强度越高，脆性越显著。复合井壁内侧或内外侧使用钢板后，改变了井壁混凝 土的受力条件，使其由二向受力状态转化为三向受力状态【l 酬，明显提高了混凝 土的强度。据研究，采用双层钢板复合井壁结构时，混凝土的强度提高系数达 2 o p j 左右。井壁内外钢板的约束作用，发挥了混凝土井壁抗压强度高的优点， 同时也发挥了钢板韧性高的优点，因而，钢板混凝土复合井壁是深厚表土层理 想井壁形式之- _ 。目前，双层钢板高强混凝土复合井壁研究成果，已经先后在 永夏矿区陈四楼矿风井和淮北矿区许疃矿的主井、副井和风井中得到成功应用， 取得了显著的经济效益。其中，许疃矿副井穿过表土层厚3 4 3n l ，井筒设计净 直径为6 8m ，在井筒下部采用了双层钢板高强混凝土复合井壁有6 0m 。井壁 设计厚度为7 0 0m m ，设计混凝土强度等级c 6 5 ，内层钢板厚度为2 0 一2 5m m ， 外层钢板厚度为1o 一2 5 m m ，井筒施工于2 0 0 1 年底圆满结束，运行良好。 国外主要采煤国家，深厚表土冻结井外壁结构形式除上述几种外，还有丘 宾块加混凝土结构( 德国、英国、俄罗斯等国应用较多) 和弧形大砌块结构= 1 ”( 主 要在波兰采用) 。 新型型钢骨架钢板砼复合井壁，是臧德胜教授在综合考虑国内外煤矿矿井 的各种支护方法，从方便施工、节约成本，缩短工期、提高井壁的受力性能出 2 发，提出的一种新型的矿井支护方式，目前，对这种支护方式的理论研究正在 逐步完善。通过研究后我们坚信，一旦此种支护方式应用于实践，必将成为在 深厚表土层建井的首选方法。 1 3问题的提出以及意义 新型型钢骨架钢板混凝土复合井壁，是一种新型的井壁，圆形井壁内侧为钢 板，将型钢弯曲成圆形作为支撑骨架，内部填充高强混凝土，混凝土处于三向 受压状态，大大改善了井壁的力学性能。型钢骨架钢板混凝土在轴向压力作用 下，钢板处于轴向和切向受压，混凝土则处于三向应力状态。三向受压的混凝 土抗压强度大大提高，塑性增大阳0 1 ，混凝土材料表现出较好的延性，有效的抑 制了混凝土井壁的脆性破坏。本文在数值模拟的基础上，就型钢骨架钢板混凝 土井壁的优越性进行了阐述，并对其在施工应用中的步骤及可能遇到的情况进 行了探讨。 研究矿井井筒新型支护结构，是解决深厚表土地区煤矿建设的关键环节之 一，只有研究出新的更为合理的井筒结构，才能最终解除制约在深厚表土层中 建设矿井的瓶颈。 本项目除了在较深矿井井壁结构中有良好的应用前景外，同时，对于也可 以应用于其它复杂地下结构中，尤其对于松软膨胀围岩条件，具有很好的实用 价值。 1 4本文研究的主要内容 本文在已有研究成果的基础上，与工程实际密切结合，综合使用以下方法 进行研究：1 ) 理论分析。在确定材料参数并取定地层参数的前提下，根据土层 的力学特性建立受力模型，通过f l a c3 d 数值模拟得出结果，对型钢骨架钢板 混凝土复合并壁与钢筋混凝土井壁两种支护方式消耗钢材的情况及受力情况做 比较。2 ) 利用计算机对结构物进行数值模拟。计算机对结构物的模拟能够计入 各种影响结构物的因素、反应几何非线性和材料非线性等优点和特性。经典弹 塑性理论中，假定介质是连续、均质、小变形和各向同性的，数值模拟分析则 不受其限制，分析的手段和结果更加与工程实际接近。 本文通过数值模拟手段，结合已有成熟理论，分析冻土对井壁的压力、型 钢骨架钢板混凝土复合井壁的受力情况、钢板与型钢的受力情况。利用上述结 果，分析同一段高内和相临段高问型钢和钢板的连接方法，型钢之间的连接方 式。从方便施工的角度，合理选择型钢、钢板的尺寸等。在施工工艺上主要解 决型钢骨架钢板混凝土复合井壁，在具体应用中钢板、型钢如何连接，钢板的 选形，段高间防水处理等可能遇到的问题。 第二章井筒的结构形式及施工工艺 由于型钢骨架钢板混凝土复合井壁指的是双层井壁、冻结段的外壁结构， 内壁的施工同已有的施工方法。现结合某一矿井实例，找出钢板混凝土在施工 中与钢筋混凝土井壁的异同点和需要注意的地方，为以后该法在施工中的应用 做参考。 某矿进风井井筒设计净直径为9 7 r n ，井筒全深9 9 9 6 m ，风化带厚度 2 9 6 m ，表土层厚度4 0 0 m ，设计冻结段支护深度4 4 5 m 。 2 1 井筒的结构形式 2 1 1钢筋混凝土井壁的结构形式 冻结段设计为内外双层钢筋砼井壁，+ 2 5 6 1 4 4 4 m 内外层井壁支护厚度 分别为5 0 0 m m 、5 5 0 m m ，内外井壁之间铺设1 5 m m 厚的聚乙烯塑料板，外壁 与井帮之间铺设2 5 m m 厚聚苯乙烯泡沫塑料，内、外层井壁混凝士标号为c 3 0 。 内外层三排环向钢筋l8 2 5 0 ，三排竖向钢筋1 6 2 5 0 ，钢筋保护层厚度为 5 0 m m 。- 1 4 4 4m 一2 4 9 4 m 内外层井壁支护厚度分别为6 5 0 m m 、8 0 0 m m ，内外 井壁之间铺设1 5 m m 厚的聚乙烯塑料板，外壁与井帮之间铺设2 5 r a m 厚聚苯乙 烯泡沫塑料，内、外层井壁混凝土标号为c 5 0 。内外层三排环向钢筋多2 2 2 5 0 ， 三排竖向钢筋多2 0 2 5 0 ，钢筋保护层厚度为5 0 r a m 。2 4 9 4 m - - - 4 0 0 m 内外层井 壁支护厚度分别为8 5 0 m m 、1 0 5 0 r a m ，内外井壁之间铺设1 5 m m 厚的聚乙烯塑 料板，外壁与井帮之间铺设2 2 5 m m 厚聚苯乙烯泡沫塑料，外层井壁混凝土标 号为c 5 0 ，内层井壁混凝士标号为c 6 0 。内外层三排环向钢筋多2 5 2 5 0 ，三排 竖向钢筋矽2 2 2 5 0 ，钢筋保护层厚度为5 0 t u r n 。4 0 0 m - - 4 3 9 m 为井筒壁座。 4 3 9 m - - - 6 5 5 m 为井简基岩段，混凝土采用c 3 0 ，井壁厚度为5 0 0 r a m 。 外层井壁与掘进荒径之间铺设的泡沫板，采用o6 5 m m 圆钢制作的t 型钢 钉，按1 m x l m 间排距固定在井帮上，并用宽胶带将泡沫板粘连成一个整体。 内外层井壁之间铺设的1 5 m m 厚塑料板，采用射钉枪射钉固定，固定点间距 l m l m 。 2 1 2型钢骨架钢板混凝土复合井壁的结构形式 本部分仅介绍与钢筋混凝土井壁结构不同的地方。 型钢骨架钢板混凝土井壁，以型钢支撑钢板取代钢筋混凝土井壁中的环向 钢筋，型钢与钢板之间以螺栓连接( 如图2 1 、2 2 、2 3 ) 。 2 2 井筒的施工工艺 2 2 1钢筋混凝土的施工工艺 根据井筒的技术特征及工程、水文地质，为加快井简施工速度，井筒施工 采用短段掘砌，四班制滚班作业。采用“四大一深”工艺进行施工，即“大绞车”、 “大吊桶”、“大抓岩机”、“大模板”和“中深孔爆破”。井筒穿过表土风化带、含 水层、断层破碎带、揭煤前进行工作面预注浆，保证施工安全。 冻结段采用在井筒中布置一台凯斯无尾挖掘机c x 5 5 b 、h z 6 中心回转抓 岩机挖土装罐，配以人工用铁锹、高效风铲、风镐掘进刷帮、两套单钩提升、 4 金属整体模板砌筑外壁。内畦施工采用液压滑模砌筑，底卸式吊椭f 放混凝上。 ： 图2 - 】铜板及横向蜡锕z 问的连接 囤2 - 2钢板及纵向槽钢之问的连接 笋鎏 罔2 - 3 钢板j 5 乏横向槽钢连接模型图 1 ) 冻结段施工工艺 井筒冻结段为双层钢筋砼复合井壁结构。为加快施工速度，保证工程质量， 冻结段外壁采用短段掘砌，段高为2 6 , - 一3 5 m ；内壁采用金属液压滑升模板， 自下而上一次套壁成井。 ( 1 ) 外壁施工 井筒表土段及风化基岩段采用冻结法施工，井筒冻结深度4 4 5 m 。冻结段掘 进采用人工风镐、风铲和铁锨挖掘，中心回转抓岩机装岩并辅助挖掘。 砌壁采用液压伸缩整体下行式大模板，正常段3 5 m 。即当掘够一个3 5 m 的段高后： 找平工作面，高度符合要求。 铺设泡沫板：按照设计要求，沿井筒荒径周圈铺设泡沫板，使用6 5 m m 圆钢制成的t 字型钢钉，按照l m x l m 间排距把泡沫板钉在井帮上，用宽胶带 将泡沫板粘连成一个整体。 绑扎钢筋- 先将竖筋与上个段高预留竖筋铅垂找正，竖筋采用直螺纹 套筒连接，再将环筋绑扎在竖筋上。钢筋连接要求横平、竖直，间距、搭接长 度符合设计要求。 下放模板：液压伸缩整体下行式模板，由钢丝绳利用底面3 台稳车悬 吊。下放模板时要力求平稳下放，下方到目标位置时撑开模板并以井筒中心线 为基础进行校正，达到施工规范要求。 混凝土的浇筑：开始浇注混凝土前，把分灰器落在喇叭口上，接着下落 吊盘至入灰口大约6 o m 的位置。使用底卸式吊桶装灰，放至分灰器上方，经 分灰器的6 根溜管对称入模，并用插入式电动振捣器充分振捣。 掘进段高应根据井筒所处土层性质、冻结壁的强度以及掘进速度等因素综 合确定。大模板可调节成2 6 m 、3 5 m 两节装，根据具体情况调整段高。 ( 2 ) 深厚膨胀粘土【1 8 j 层施工 该井筒穿过地层复杂，在深厚和具有膨胀性的粘土层施工时，必须加强井 帮温度观测并注意井帮位移变形，对变形过快或膨胀量大于5 0 m m d 的粘土层， 保证井帮温度不得高于8 。因此在施工中要采取综合性技术安全措施，保证 施工安全。 按照煤矿安全规程要求，粘土层中井帮温度必须达到8 以下才能进 行掘砌施工； 严格控制掘砌段高，冻结壁暴露时间不宜超过1 8 小时： 在深厚粘土层和膨胀粘土层施工时，采取铺设泡沫塑料板和挖释放槽的方 法，当井帮位移过快或膨胀量大于5 0 m m d ，将掘砌段高减小为2 6 m ，实行快 速掘砌； 提高砼质量。在配制砼时，加入适量的复合早强减水剂，c 5 0 以上的砼要 6 加入硅粉，配制高强砼，使砼的早期强度在2 4 小时内达到设计值的5 0 以上， 7 2 小时强度达到8 0 ； 加强对冻结段的井帮温度、位移和冻胀压力的观测，获得可靠的数据，以 便及时调整施工方法，保证施工安全。 ( 3 ) 风化基岩段施工 井筒风化基岩段，已冻结；壁座外井壁段施工方法同表土段外壁，支护则 按内外层井壁施工；井筒壁座为1 3 m 高，为壁厚2 1 5 0 m 的整体钢筋砼井壁； 该段所处岩层为风化细中砂岩、花斑泥岩及砂质泥岩，岩层较为稳定。为保证 该段井壁的整体性，采用锚网喷临时支护，整体浇筑的施工方案。临时支护采 用1 8 1 6 0 0 r a m 树脂锚杆， 8 0 0 8 0 0 布置，0 6 5 x ( 网格) 1 5 0 1 5 0 ，2 1 0 0 2 0 0 0 ( 长宽) 钢筋网，喷厚1 0 0 m m ，强度c 2 0 混凝土。 冻结基岩段的掘进视岩石风化情况，可采用人工挖掘或钻爆法施工，人工 挖掘的方法同表土段；钻爆法施工时，采用s j z 6 9 型伞钻打眼，眼深2 0 m ， 炮眼直径5 5 m m ，周边眼为垂直炮眼，炮眼距冻结管距离不小于1 2 m ，为防止 冻结管受到损害，采用减震、弱冲、光面、光底爆破技术。采用t 2 2 0 防冻水 胶炸药，周边眼药卷直径为3 5 r a m 其余药卷直径为4 5 m m ，秒延期电磁雷管起 爆，专用放炮器放炮。装岩用中心回转抓岩机，掘进至设计标高处，转为套内 壁施工。 ( 4 ) 表土冻结段内壁施工 冻结段外层井壁掘砌结束后，拆除大模板，打上地面进行改装。继续向下 掘进1 3 米的壁基和2 米的支承圈，掘进过程中可视围岩情况采取必要的临时支 护；掘进到设计高度后，绑扎钢筋，组装滑模盘，滑模浇注支承圈、壁基和井 筒表土段内壁。 内壁采用液压滑升模板连续砌筑，内外层井壁之间铺设1 5 m m 厚的塑料 板，塑料板采用射钉枪射钉固定，固定点间距l m l m 。 井口以下2 0 m 内壁因受固定盘及吊盘限制，内壁施工到此位置时暂停施工， 剩余部分待井筒及下部硐室施工结束后，提升吊盘，拆除固定盘和封口盘，用 l m l m 的金属块状模板施工。 内壁浇筑混凝土时，用2 m 3 底卸式吊桶直接下放到滑模盘的上方，混凝土 经溜灰槽均匀对称入模；绑扎钢筋和混凝土振捣工作在滑模盘的工作盘上进行， 内、外井壁间的聚乙烯塑料板铺设在下层吊盘上进行，敷设前应将井壁上的冰、 霜清除干净。 内壁在滑模过程中，按设计要求预埋注浆管，夹层注浆在井筒施工完毕上 提吊盘的过程中进行。 2 ) 基岩段施工工艺 基岩段采用短段掘砌单行作业。 7 打眼选用s j z 6 9 型伞钻，配六部y g z 7 0 型高频凿岩机，用4 7 m 长钎杆， 打眼深度4 m - - - , 4 2 m 。爆破选用t 2 2 0 型高威力水胶炸药，毫秒延期电雷管， g f b 1 2 0 0 型放炮器起爆。采用光面、光底深孔爆破技术，并根据工作面岩石软 硬程度，及时调整爆破参数。 出岩采用两台h z 6 型中心回转抓岩机装岩，配以4 0 m 3 座钩式吊桶出矸； 副提5 0 0 米以下采用3 m 3 座钩式吊桶，汽车排矸。 砌壁模板选用由3 台稳车悬吊的3 5 m 高液压伸缩整体下行式金属模板， 段高为3 5 m 。混凝土的浇筑方式与冻结段外壁相同。 2 2 2型钢骨架钢板混凝土的施工工艺 型钢骨架钢板混凝土复合井壁指的是冻结段井筒的外壁，其内壁和基岩部 分同钢筋混凝土井壁支护。由于前面已经对钢筋混凝土井壁的井壁结构、施工 方案、施工工艺及水与瓦斯的防治，分析的较为具体，下面仅对钢板混凝土井 壁与钢筋混凝土井壁不同点进行阐述。 冻结段外壁施工时，在井筒中布置一台凯斯无尾挖掘机c x 5 5 b 、h z 6 中 心回转抓岩机挖土装罐，配以人工用铁锹、高效风铲、风镐掘进刷帮、两套单 钩提升、利用钢板及型钢骨架作为模板砌筑外壁。内外层井壁根据计算选定厚 度及混凝土标号，内外井壁之间铺设聚乙烯塑料板，用宽胶带把塑料板粘帖在 井壁上，并将泡沫板粘连成一个整体。外壁与井帮之间铺设聚苯乙烯泡沫塑料 板。利用直径为6 5 r a m 的圆钢制成t 字型圆形钉，按照l m l m 间排距把泡沫 板钉在井壁上，并用宽胶带把泡沫板连接在一起。 1 ) 型钢骨架钢板混凝土复合井壁，由于钢板直接暴漏在外，由于钢板较薄， 在混凝土达到设计强度前井壁易被碰坏。在用机械施工时候要注意保护井壁，7 以免在混凝土尚未达到预定强度时，被机械碰坏。另外如果采用爆破作业，在 爆破前也要保护好井壁。 2 ) 外壁砌筑时，由于采用本施工方法以钢板取代液压伸缩整体下行式模板， 没段高施工中省去了脱模板、稳模板的程序，取代以型钢把每块钢板连接在一 起的工序。本井筒内径为9 7 m ，周长c = 2 x ，。3 0 m ，设计段高为一米，采用1 0 块弧形板，弧形钢板弧长3 米高为1 米。段高之间采用槽钢连接，在每段之间 设置一圈槽钢增强整体性。槽钢与钢板之间用螺栓连接( 具体连接见图2 - l 、 图2 - 2 、图2 - 3 ) 。钢板之间要注意连接的密实以防止漏浆，钢板的块也不能设 的太大，以防混凝土振捣后水在钢板旁积聚无法扩散，影响井壁质量。在每段 高第1 、3 、5 、7 、9 片弧钢板上均匀开口，作为进砼口和振捣口，待浇注完毕 后把进砼口修饰平整。每次浇筑前在每段钢板下落下环形刃角模板。 待一段高施工完毕后继续向下掘进，掘进一个段高后，找平工作面，即可 落下刃角进行下一个段高的砌筑，如此循环。 内壁施工方法同常规施工方法。内壁施工采用液压滑模砌筑，底卸式吊桶 下放混凝土，在施工的过程中要结合外壁的情况，合理安排预留注浆管( 均匀 安排子钢板拼接处) ，以保证注浆充填质量防止漏水。基岩段施工方法同钢筋 混凝土施工方法。 2 3水与瓦斯的防治 在矿井井筒的施工过程中，水患轻则导致井壁质量下降，重则破坏井壁危 及施工人员的生命安全，煤与瓦斯突出更是能带来井毁人亡的严重后果。 2 3 1 防治水措施 ( 1 ) 表土段 井筒表土段由于采用冻结法施工，施工时可不考虑水患，关键是提高井壁 的防水能力，主要做好以下几点： 严格控制混凝土原材料的质量并按设计配合比拌制砼，混凝土中应加 入n f 型早强减水剂及j q 型防裂密实剂，以提高混凝土的早期强度及抗渗性能， 确保达到设计要求，施工时加强振捣，提高砼的密实度，增强抗渗能力。 做好泡沫板及聚乙烯塑料板的敷设质量，接头应严密，施工中做好防 护，不得有破损。 做好井壁的洒水养护工作，防止产生干缩裂纹。 提高井壁的接茬质量，接茬时应灌满振实。严格控制滑模速度，防止 井壁开裂。 ( 2 ) 基岩段 该井筒基岩段自基岩风化带至井底以下1 0 m 采用地面预注浆的施工工艺， 对实现“打干井”创造了良好条件。但在施工过程中仍应对井筒的淋水、涌水 采取综合治理的防治水措施，将井筒淋、涌水减少到最低限度，实现“干打井”， 确保优质快速施工及保证工程质量。主要防治水措施为： 本井筒基岩段主要含水层，采取地面预注浆进行封堵。在施工过程中 采取“堵、导、截、排、封”等综合主动治水措施。 在揭露含水层之前，坚持先探后掘的原则，并根据实际揭露的岩层埋 藏条件和实际涌水情况，当涌水量小于3 0 m 3 h 时，采取强行排水的掘砌方案； 当涌水量大于3 0 m 3 h 时，根据含水层层厚及岩性，采用工作面预留岩帽利用炮 眼注浆进行封堵。探水及注浆孔采用伞钻或地质钻机施工。 井壁主要出水点的处理。对井壁上的集中出水点，利用风钻造孔，埋 设导管引出，流入截水槽，最后通过壁后注浆将水封住。 井壁与吊盘截水。对井壁表面残存的分散水，采用在井壁埋设截水槽， 利用导管引至工作面。从井壁溅落到井中或截水槽无法截住的淋水，通过在吊 盘上盘铺设雨布截住利用导水管将其引入工作面。 做好排水设备的维护保养，确保设备的排水能力。 防裂密实混凝土与壁后注浆封水。井壁的防水性能与混凝土的施工质 量关系密切，因此施工中应严格控制混凝土的原材料质量、配合比及搅拌质量， 9 并加强振捣，提高混凝土的早期强度及抗渗能力。成井后，对井壁少量渗水及 集中出水点采用壁后注浆封堵，达到施工规范要求。 2 3 2 防治煤与瓦斯突出 根据地质报告，该矿井属高瓦斯矿井，井筒穿过的主要煤层为1 3 1 煤和 1 1 1 煤和9 2 。井筒基岩段通过地面预注浆后，煤层的突出危险性虽有所降低， 但在该矿井是首次揭露，并且煤层瓦斯压力未测定，因此应予以重视。根据防 治煤与瓦斯突出细则第2 6 条，必须采取“突出危险性预测、防治突出措施、 防治突出措施的效果检验、安全防护措施 “四位一体 的综合措施。主要措 施为： 准确收集地质资料，控制煤层层位。 根据防突细则第6 3 条，在工作面距煤层l o m 处，利用伞钻，打2 个前探钻孔，查明煤层赋存情况。并选用综合指标法、钻屑瓦斯解吸指标法预 测工作面突出危险性。 在工作面距煤层5 m 时，利用伞钻打2 个测定煤层瓦斯压力的钻孔，进 一步对工作面的突出危险性进行预测。 当煤层瓦斯压力大于o 7 4 m p a 时，在工作面距煤层3 m 处，施工瓦斯排 放钻孔，并进行排放效果检验。 达到排放效果有效后，再采取相应的防治突出措施。 最后采用地面远距离震动放炮揭穿煤层。 1 0 第三章冻结井壁结构及应力计算 井壁作为煤矿矿井的永久支护结构，其重要性是不言而喻的，设计合理的 井壁结构不仅是矿井安全的保障，也为施工带来了极大的方便。 3 1土体的冻胀 土体的冻涨，指的是土中所含水的冻结引起土体膨胀的现象 1 9 , 2 0 j 。表面看 到的是土受冻后其表面的不均匀上升，冻土溶化后便产生下沉。土体的冻涨会 产生很大的冻胀力，冻胀力有不均匀的特点，使与其接触的建造物产生不均匀 的变形，如果变形超过允许值就会引起建造物破坏。 对冻胀影响的评价常用到三个指标：冻胀率、冻胀量、冻胀力。 冻胀率指的是冻胀量和冻结层厚度的比值； 冻胀量指的是冻土冻胀位移量的绝对值； 冻胀力指的是土体受冻膨胀时对约束其发生膨胀物体作用的力。 这三者影响因素的关系为： 式中：穆一冻胀率，无量纲； i