朱集矿主井冻结壁和井壁结构设计.doc

朱集矿主井冻结壁和井壁结构设计第一章 国内外冻结壁和井壁设计现状概述1.1 我国建井发展概况我国煤炭相对于石油、天然气属资源赋存比较丰富的能源，在一次能源结构中占70%左右。我国煤炭资源埋藏深度在10002000m的约占总储量的53.2%。随着我国国民经济建设的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，对能源需求越来越大。目前，我国能源仍有70%依赖于煤炭。煤炭生产的缺口很大，煤炭深部资源开采问题日益突出，建设一批新的大型、特大型矿井已是我国经济建设和发展的必须。20世纪90年代中期以来，深井建设的平均深度有加速增长的趋势，根据不同时期前5位深井平均的深度统计，70年代为583.6m，80年代为615.4m，90年代前5年为679.5m，后5年为815.3m。进入 21世纪，开始了几个千米井的兴建，我国新建深井平均深度已超过千米。但在新井建设中，首先面临着井筒穿越深厚不稳定表土地层的技术难题。尤其在山东、安徽、河南、河北等省，表土覆盖层较薄的煤田已经开采，新建矿井的煤层都处于深厚表土地层的覆盖之下。例如淮南地区丁集矿530m、顾北矿463m、板集矿580m、口孜东590m、展沟矿620m、口孜西矿680m；淮北的涡阳矿区在410m以上；河南的薛湖矿井410m、程村矿430m、赵固矿522m、赵楼矿471m；山东的济西矿458m、梁宝寺矿480m、龙固矿567. 7m，郭屯矿587m(冻结深度702m)，万福矿井表土达到700m，口孜东矿冻结740m等等。目前，我国通过深厚表土地层的凿井方法主要有冻结法和钻井法。由于冻结法施工适应性广、在施工过程中后续手段多、施工速度快，因此，在工程中得到更多的应用。对煤矿井筒施工来说，穿越表土地层深度的大小是反映井筒施工技术水平高低的一个重要标志，冻结表土地层深度的大小又是反映冻结技术水平高低的一个重要标志，目前各主要使用冻结法凿井国家的最大冻结深度如下：英国为930m，加拿大915m，波兰725m，中国740m，比利时638m，德国628m，前苏联620m，法国550m，荷兰338m。目前，我国已建成的井筒，最大冻结深度740m口孜东矿冻结。我国已成为世界上采用冻结法凿井最多的国家和冻结深度最大的国家之一。解决东部地区600800 m深厚冲积层冻结法、钻井法凿井技术以及10001 500 m井筒地面预注浆技术是今后特殊凿井领域要重点研究的课题。1.2 国外冻结法凿井的研究现状国外对冻土温度场的研究己有160多年的历史，但早期由于测试手段的限制，对冻土温度场的认识只是处于一种表面的和感知状态.直至20世纪早期，俄国成立了冻土研究委员会后，才开展了较为广泛的研究。20世纪中叶(1945-1960年和1961-1971年)又经历了两个较快的发展时期，先后开展了与温度场有关的热力学、热物理学、土壤水热改良、工程建筑地基稳定性以及地球表面和岩石圈层的形成等方面的试验研究和以解析解为主的理论计算研究。20世纪70年代后，计算机和数值方法在前苏联冻土领域得到了广泛应用，使以前许多难以解决的具有复杂几何形状和地质条件、考虑热质交换的非线性问题在深度和广度上都有了新的发展。真正开始理论性研究并被公认为这门学科理论奠基人的是前苏联学者CymtnhM.在温度场等热物理研究方面以Kypbueb B.A为杰出代表。北美西北欧的一些国家和地区，与前苏联一样，出于自然资源的开发需要，也推动了冻土温度场及其相关学科的研究进展。20世纪初阿拉斯加金矿的开采和1942年北美战备公路的严重冻害的出现，促进了对温度场理论上的较全面研究。在加拿大，这项研究的蓬勃发展主要起源于对极地多年冻土区石油、天然气等资源的开发。上世纪70年代，这些国家相继进入了研究的高潮。除自然资源的开发需要外，现代监测技术和计算机技术在冻土研究领域中的应用也加速了该学科的发展。BonaicinaC和Fasana Ac(1973)求得了一维非线性温度场的数值解，同期，还开展了与温度有关的其他问题的科学研究。1.3 我国冻结法立井施工技术发展历程自1955年从波兰引进冻结凿井技术并开凿了开滦煤矿林西风井首次应用成功后，很快在河北、安徽、江苏、山东、河南、山西、辽宁、黑龙江、内蒙占、吉林等省区推广应用。50多年来，应用冻结法施工了700多个立井井筒，累计冻结井筒延伸达150 km，最大冻结深度702 m，冲积层最大厚度587.4 m，成为通过不稳定冲积层及其下部基岩风化岩层的主要特殊施工方法。50多年的冻结法凿井发展过程如下： (1).引进推广阶段 (19551962年)。冻结壁和井壁设计以及打钻、冻结、掘砌工艺基本上套用波兰和前苏联冻结凿井的有关规程规范。共施工39个立井井筒，累计冻结井筒3 582 m，冲积层最大厚度154. 8 m，冻结最大深度162 m。总体水平是初步掌握了小于200 m冲积层冻结凿井的设计和施工技术。主要问题是单层井壁接茬缝封水性差，一般每100 m井壁漏水量为2040 /h。 (2).探索改进或自力更生阶段 (19631988年)。随着冲积层厚度和冻结深度较快增长，冻结管断裂、井壁压坏和井壁漏水量超标现象不断发生，轻则延长工期和提高工程造价，重则导致冻结壁或井壁破裂透水淹井，危及施工安全，造成重大经济损失。实践中，认识到波兰和前苏联的原有冻结凿井规程规范已不能适应不小于200 m冲积层冻结凿井设计和施工的需要，从而迈上边探索边改进的自力更生道路，开展基础理论研究和工艺改革，有效地促进了我国冻结法凿井技术的发展。共施工了281个立井井筒，累计冻结井筒延米近50 000m，冲积层最大厚度为358.5 m，冻结最大深度415 m。在冻结壁温度场、冻结压力、井壁温度和壁后冻土融化回冻特性、低温早强混凝土强度增长规律以及制冷冻结、钢筋混凝土双层井壁、液压滑模套壁、钢筋混凝土塑料夹层井壁等试验实测研究方面取得了一批重要成果，总体技术水平是初步解决了小于300 m冲积层冻结凿井的设计和施工难题。这期间经验与教训并存，随着冲积层厚度不断增大，地压、水压、施工难度增大，冻结管断裂、井壁压坏、井壁漏水仍然突出，虽在防治措施上取得了不少经验，但未得到有效的根治，所以工程事故较多。其主要原因是冻结壁厚度偏小且强度低、掘砌段高偏大与井帮裸露时间过长、井壁强度偏低与整体封水性能差、冻结管材质的低温韧性和接头密封性差、井壁夹层注浆时间偏早或偏迟、施工管理水平低。(3).组织攻关或完善提高阶段 (19891999年)。随着冲积层厚度的进一步增大，冻结管断裂、井壁压坏和井壁漏水量超标问题愈加突出，为此原煤炭部和国家能源投资公司提出 “认真总结已有的经验与教训，在陈四楼主、副井开展深厚冲积层冻结凿井技术攻关，有组织有计划地攻克技术难题”。这一阶段共施工了110个立井井筒，累计冻结井筒延米超过20000 m，最大冲积层厚度为383 m，冻结深度为435 m。在冻结壁和井壁设计、冻结器盐水流量、冻结壁和外层井壁位移、竖向附加力、井壁受力性能以及C40C55早强高强混凝土和防裂密实混凝土、冻结管材、短段掘砌工艺等方面取得了一批重大成果，在冲积层厚374.5 m和冻结深度435 m的陈四楼主、副井创下冻结管无断裂、井壁无压坏和无淋水的记录。至此，深厚冲积层冻结法凿井的整体技术达到国际先进水平。(4). 600 m深厚冲积层冻结法凿井研究和应用探索阶段 (2000年以来)。刚跨人21世纪，我国煤炭基本建设又出现了一个新高潮，立井穿过的冲积层厚度和冻结深度达到一个新的增长点。一批冲积层厚度不小于400 m的冻结井筒开工建设，我国深厚冲积层冻结法凿井又面临着新的挑战和机遇，进人冲积层600 m冻结法凿井的理论和施工技术的研究和应用探索阶段。通过科研、设计、院校、施工、建设单位攻关，在近600 m冲积层冻结壁和井壁设计、冻结工艺、掘砌工艺、信息化施工等方面取得一系列成果，但系统规范性的工作还有待开展。关键技术现状：通过冻结壁温度场、冻土物理力学性能试验、冻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。1.4 井壁结构概况在整个矿井建设中，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。1.5 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0.7m1.2m不等，混凝土强度等级为C20C30，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 110m左右不等；破裂处多集中在表土与基岩交界处附近，距地面100m250m；破裂带漏水，甚至水中带砂；建井后含水层水位下降30m90m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1.2Mt)等先后停产28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7.3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。1.6 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 6mm10mm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。1.7 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。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582.75 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，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。1.8 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67m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，如我国山东郭屯矿冲积层厚583587m，井深853884m，由于靠近冲积层的岩层水大，采取加大冻结深度到702m的方法来解决该层水的问题。4. 施工工艺与装备技术为提高深井建设水平，除上述专项技术外，关键在于提高施工机械化水平。近年来通过引进学习国际上先进技术的基础上，研究开发了适合我国条件的深井掘砌工艺和机械设备，取得了较大的进步。唐口矿3个千米井的兴建，平均月成井超百米；仅用4.5a建成实际生产能力825万t/a矿区的“济北模式” ；山东龙固、郭屯，安徽丁集、板集的深厚冲积层特殊凿井技术。都取得了一定的经验，并有所突破和创新。上述成绩，虽然总体上还处于起步阶段，尚未形成一套完整的适合我国煤矿深部矿井开发的先进理论、施工工艺和设备，在建井界的共同努力下，经过“十一五”期间的协同攻关，在10001500m深立井综合防治水、井筒凿砌施工工艺与技术装备研究，深井支护以及深厚冲积层冻结法和钻井法凿井技术等各方面再上一个新台阶，使我国深井快速建井综合技术跃居世界前茅是完全可能的。1.9 设计研究中存在的一些问题1. 功冻结壁所用冻土力学参数均用地面冻土力学参数值，对深土冻土力学特性参数无论是试验方法，还是数值确定都有待研究;(2)冻土强度仅为试件加载条件下强度，没有考虑到试件强度与以冻土为材料的结构物之间的关系，即未考虑尺寸效应和结构效应;(3)对冻土单试件强度研究较多，对冻结壁结构整体的强度和稳定性的研究有待深入。2. 对冻结法凿井的井壁认识也有一个过程,在厚表土层中，施工对井壁的要求是有足够的强度和不渗水.自50年代开始至70年代末，厚表土层中井壁强度尚能满足要求，但均有淋水.采用井壁外、井壁内注浆堵水效果均微.为消除井壁裂隙而淋水，加强施工管理提高质量，力图达到井壁无裂缝，但均不成功.直到70年代末80年代初，在井壁受力实测中，发现内层井壁受温度影响，产生较大温度应力以至产生裂缝川.这是对井壁工况认识的一次飞跃，发现了井壁产生裂缝的原因.在吸取国外经验的基础上，在内、外层井壁间加一个薄的夹层，允许内、外层井壁间有小量滑动，从而消除温度应力，保证了内壁无裂缝，而达到了无淋水的目的。3. 1987年以来，在华东地区，先后有30几个厚表土层中竖井井壁发生横向环状破裂，严重影响安全和生产.经数年研究发现，在厚表土层中，含水层直接覆盖在煤系地层的条件下(常称“特殊地层”条件)，由于采矿活动(或人工抽水)造成含水层疏排水，水位下降、地层有效应力增加而固结压缩，地层下沉.在地层下沉过程中对井壁外壁施加一个向下的竖直附加面力(简称“竖直附加力”)是造成井壁破坏的主要原因，这是对特殊地层条件下井壁工况和受载理论和观念上的一个突破。4.传统的理论和观念是:表土段井壁和岩石段井壁一样主要承受水平地压，仅地压值大小不同，井壁自重等竖向力大部分由地层承担.实际上，在特殊地层条件下井壁在竖向不只承受自重，还要承受竖直附加力.对井壁的力学计算不能简化为平面力学问题，而是三维空间力学同题.其后，为保障特殊地层条件下，达到井壁安全，开展井壁研究，在受载组合、井壁结构与设计原则等方面都取得创新性的进展.但对井壁结构与介传质间藕合作用的研究还刚刚开始，对新型井壁结构的力学研究还很欠缺，也缺乏实用时间的考验。45第二章 朱集矿主井设计概况2.1 井筒概况 （1）基本概况朱集矿位于安徽省淮南市潘集区境内，距洞山约38km，井筒位于矿井工业广场内，场地内地势平坦，多为农田，无障碍物。矿井设计生产能力400万吨/年。主、副、风、矸石井四个井筒均在同一个工业广场内。其表土段均采用冻结法施工，基岩段采用地面预注浆封水。井筒主要技术特征见下表：表2-1 井筒直径与冲积层厚度序号 项目名称单位主井副井回风井矸石井1 井筒净直径m7.6 8.27.58.32冲积层厚度m323.40328.10330.90327.66(2) 施工条件矿方提供6KV电源接口，进场临时道路已经具备，水源由矿方提供，其他现场施工条件施工单位自行考虑，矿方予以协调。在矿方提供的工厂平面图上界定自己的施工区，合理布置临时设施和利用施工现场。工厂内的永久设备总机库和机修车间可作为冻结站房用。2.2 地质概况2.2.1水文地质淮南煤田位于华北平原南缘，为近东西向的复向斜构造盆地。东接郯庐断裂，西连周口坳陷，北靠蚌埠隆起，南邻合肥坳陷。水文地质条件受区域构造及新构造运动的控制，深、浅层地下水存在明显的差异。区内现代地貌景观，由东南端基岩裸露的低山、丘陵向西北过渡到厚松散层覆盖的黄淮冲积平原，地势呈现西北高而东南略低。地表水系发育，淮河流经煤田的东南缘，其支流主要有颍河、西淝河，自西北流向东南，最后注入淮河。流量受季节控制，起排洪蓄水兼顾，对浅层地下水起补给作用。在东南高西北低的古地貌形态基础上，自新生界以来，区内新构造运动表现为振荡性升降运动，由于升降运动的差异性，沉积了西厚东薄的上第三系和第四系松散层，从丘陵边缘向西增厚达700m以上，新城口断层以东不足100m。朱集矿井煤系地层为二叠系山西组和上、下石盒子组，第四系松散层厚度161.65m538.00m，平均厚度382.18m，厚度变化规律随古地形由东向西北逐渐增厚，基本沿古地形向西北倾斜，局部地段稍有起伏。本井田内含水层由新生界松散层砂层孔隙水、煤系地层砂岩裂隙水和石炭系太原组及奥陶系石灰岩岩溶裂隙水三部分组成。根据岩性组合特征和含水层的富水性，可划分为四个含水层和三个隔水层。 1.一含厚度在23.6025.90m之间，上部为灰绿色、土黄色粘土，多气孔、虫穴、植根，夹5mm左右砂浆，下部为粉砂，厚度17.00mm，锈黄色，疏松松散，含粉土。一含富水性较弱，易受污染，属农业灌溉和居民饮用水源一含属潜水半承压水，受大气降水及地表水体渗入补给，水位变化具有季节性，与大气降水有密切关系。地下水以垂直运动为主，层间径流微弱，排泄方式主要是人工开采、地面蒸发、植物蒸腾、和地表河流。2.一隔底界埋深51.8052.35m，厚度26.2028.20m，副井、矸石井为单一土层，主井、回风井夹34层薄层粘土质砂和细砂，土层占层组厚度的72100，一隔为厚层粘土、砂质粘土，灰绿色杂锈黄色，密实致密，含砂质不均，性韧，可塑上中部有35mm砂礓，大者815mm。一隔在工厂区内比较稳定，具隔水作用，但外围局部变薄，砂层增厚，失去隔水作用。详见地层结构表2-2：表2-2 一隔地层结构表检查孔埋深厚度砂层土层土占百分数（）顶界底界层数累厚层数累厚副井25.9052.1026.20126.20100主井24.4052.3527.9533.25424.7088风井23.6051.8028.2047.95520.2572矸石井24.4052.1027.70127.701003.二含底界埋深在92.50m左右，层厚40.0540.08m，夹土层12层，单层粘土厚度较大。二含砂层以中细砂、细砂为主，底部为中粗砂，含巨粒。土黄杂灰色，松散含泥质团块。上段有厚层砂质粘土，灰绿色杂棕黄色，致密局部可塑，含钙质零星分布。可见二含水量充沛，并存在上部含水层越流补给，为矿区供水水源。二含属冲积平原型孔隙承压水，地下水径流方式为侧向层见径流，补给来源以侧向和一含越流补给为主，水位随一含按季节变化，与三含上段砂层有水力联系。排泄方式主要是人工开采、侧向水平径流以及向中上层段砂层的越流补给。4.二隔底界埋深97.5099.50m，层厚5.206.60m，为单一结构的砂质泥岩，浅灰绿色，土黄杂灰绿色，局部白色、致密，中上部含钙质呈半岩化，固结较好。二隔土层分布比较均匀，在不破坏水力均衡条件下，具有隔水作用。见地层结构表2-3：表2-3 二含地层结构表检查孔名称埋深厚度砂层土层砂层占百分数（）顶界底界层数累厚层数累厚副井52.1092.4040.30423.30117.0058主井52.3592.4040.05426.25213.8066风井51.8592.9040.80322.40117.9556矸石井52.1092.9040.80421.20219.60525.三含顶界埋深97.5099.50m,底界埋深260.00262.35m，层组厚161.40164.85m有砂层1923层，累厚106.20125.45m，占层组厚度的6576，夹土层1721层，累厚39.4057.20m，土层单层厚度在0.408.60m之间，一般厚15。三含总厚160余米，按地层结构和岩性可分为上、中、下三段。上段底界埋深约134m，层厚28，以砂层为主，占80.3，夹砂质粘土3层，单层厚0.403.30m，累厚6.80m，砂层为中粗粒，多见砾石，砾径312mm,大者35cm。呈灰绿色，灰白色，局部锈黄色松散，局部半固结。中断底界埋深约187m，层厚53米，以砂质粘土为主，累厚31m，占中断总厚的58，土层单层厚1.058.60，一般厚35，呈灰绿色锈黄色，致密，含砂不均，普遍含钙质，呈零星分布或团块分布，固结良好，钙质富集处半岩化。砂层多为细砂，锈黄色杂灰绿色，一般呈松散状，局部密实，夹薄层细砂盘，厚0.11.0m。下段底界埋深约260，层厚73m，以砂层为主，占86，夹薄层细砂6层，单层厚度0.604.10m，一般厚1.0m左右，累厚10.50m。砂层多为细砂，间夹中砂，灰绿色杂锈黄色，灰白色。松散，局部含泥质或泥质团块，偶含细砾，底部有细砂盘厚0.30m。三含属冲积平原型孔隙承压水，上部二隔土层厚度较小，在区域范围内三含与二含存在水力联系，三含补给来源以二含的越流补给为主，次为水平径流补给。排泄方式是水平径流和人工开采，存储量受区域调节。地层结构见下表2-4：表2-4 三含地层结构表检查孔名称埋深厚度砂层土层砂层占百分数（）顶界底界层数累厚层数累厚副井97.70260.00162.3020112.151750.1569主井97.60261.00163.4019106.202157.2065风井97.50262.35164.8523125.451739.4076矸石井99.50260.90161.4020112.251949.15706.三隔底界埋深280.00284.55m，层厚19.5522.20m，基本上属于厚层单一结构的粘土层。粘土层厚度大，结构单一，分布稳定，具有良好的隔水性能。见地层结构表2-5：表2-5 三隔地层结构表检查孔名 称埋深厚度砂层土层砂层占百分数（）顶界底界层数累厚层数累厚副井260.00280.0020.00122.00100主井261.00281.2520.2512.20218.0589风井262.35284.5522.20322.20100矸石井260.90280.4519.55119.551007.四含顶界埋深280.00284.55m，底界埋深323.40330.05m，层组厚42.1548.10m。根据岩性，四含可按四段划分：底部砾石层。详见各孔四含分段岩性特征对照表。潘集矿区下部砂砾含水层呈南东北西向条带分布，以潘集背斜南翼最厚，呈凹槽状向两侧及古地形凸起处变薄或尖灭，在凹槽处砂砾层厚达5070m，粒径1015mm，最大250mm，结构疏松致半固结状。富水性随沙砾层厚度与含泥量的多少变化，凹槽内左右，两侧一般小于1Lsm。潘北矿和朱集矿四含均位于该沙砾层条带的北缘，潘北矿四含平均厚58.25，沙砾层占组厚的50，朱集矿工业广场四含厚42.1548.20m，沙砾层占组厚的2345，以含砾或不含砾的粘土、砂质粘土、钙质粘土为主，其富水性小于潘北。潘集矿区底部沙砾层结构复杂，地处其北的朱集矿四含以土层为主，沙砾层比例大幅下降，上有三隔压盖，与三含水力联系，下部基岩风化带渗透性差，因此形成以静储量为主，侧向径流微弱的承压条件，垂直渗透小于水平渗透，富水性局部均一，并处于停滞的特征。见井筒检查孔四含地层结构见下表2-6：表2-6 井筒检查孔四含地层结构表检查孔名称埋深厚度砂层土层砂层占百分数（）顶界底界层数累厚层数累厚副井280.00328.1048.10821.75626.3545主井281.25323.4042.1569.71532.4423风井284.55330.0545.50514.55830.9532矸石井280.45328.6548.20621.50426.7044.602.2.2 环境地质 井田环境地质特征 环境地质现状本井田位于淮北平原的南部，地势平坦，交通便利，村庄和人口稠密，土地肥沃，属以农业为主的区域，目前尚无大型的工矿企业，亦无其它大型的污染源。在井田南部有潘一、潘二、潘三等生产矿井，区内的主要污染源来自于乡镇居民的生活垃圾、农业生产中使用的农药、化肥及空气中的污染主要来自周边生产矿井煤矸石山风化扬尘。黑河是流经井田北部的最大地表水体，属小型季节性河流，是流域内农业灌溉的主要水源，其水质为HCO3-CaMg型（详见水质分析资料汇总表）属受轻度污染水质。区内的供水含水层主要为新生界松散层第一含水层（组）和第二含水层（组）。目前乡镇居民主要以开采浅部的第一含水层（组）地下水作为生活和农业用水，因其埋藏浅而易受污染，据所采小井水样化验资料分析，水质多数属HCO3-NaMgCa型个别属ClHCO3-MgCa型，第一含水层（组）浅部地下水已受到人们生产生活的轻度影响，但污染程度低，水质大多数比较好，但是局部地段受污染严重。综上所述，井田环境地质质量现状良好。 煤矿开采后对环境影响煤矿生产开采后会对环境造成下列影响：地面沉降、噪声污染、矿井排水和工业场地及生活服务区的生活污水会对地表水和浅层地下水造成不同程度的污染。采掘出来的矸石，往往堆积如山，易产生崩塌，且长期经受风化、氧化，有害元素经雨水淋滤后被迁移扩散，污染附近地表水及浅层地下水，大风天气易引起扬尘。 地震与矿区稳定性根据已掌握的地震历史资料，淮南市属于许昌淮南地震带，从地震活动性、断裂构造、地形变化及第四纪地质、地貌等方面的情况来看，许昌淮南地震带在新构造时期，活动是比较明显的。自公元294年以来，许昌淮南地震带发生4.75级以上地震14次，其中1831年淮南北部的平硪山（明龙山）发生6.25级地震，地震震中烈度为8度，公元294年7月，淮南八公山发生5.5级地震，地震震中烈度达7度。除此之外，淮南周围的较大地震对淮南也曾产生过不同程度的破坏和震感，如：著名的1868年山东郯城8.5级大地震，波及到淮南时的最大烈度达10度，1971年霍山6.25级地震，1979年固镇5级地震，1979年7月9日江苏溧阳6级地震，1983年10月7日山东荷泽5.9级地震，1984年5月21日黄海6.2级地震等，淮南市均有不同程度的震感，但无较大破坏。国家地震局1979年10月，在淮南地区进行地应力普查，在7km的深度截面地应力相对大小等值线图和断裂构造分析，明显地存在北西西向的地应力高值区，存在一条东西向、一条北东向的深大断层。建设部以建标2001156号文颁发了，关于发布国家标准建筑抗震设计规范的通知按设计规范3.2.4条的规定，淮南抗震设防烈度为7度，设计基本地震动峰值加速度为0.10g，设计地震分组为第一组。地质灾害据目前资料，区内未发现明显的新构造运动迹象，构造稳定性较好。不存在发生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的现象，但煤层开采以后存在地表沉降、地面塌陷及水资源遭受破坏等地质灾害。 煤矿开采产生的主要地质灾害1.开采煤层引起的地面塌陷煤矿正常生产中，随着采空区的不断扩大，采煤后导致地面塌陷区是难免的，造成大片农田积水。位于塌陷区内的道路、民用建筑和水利设施遭受不同程度的破坏。2.矿井排水引起地面沉陷生产矿井长期开采，第四含水层地下水沿基岩风化带垂直入渗、补给煤系含水层，或以突水的方式进入矿井。由于矿井长期排水，将引起四含水位持续下降，含水层被压缩，四含水位下降也会引起地面沉降。3.开采松散层第二含水层（组）砂层水本矿井今后供水水源可能取自第二含水层（组）砂层水，由于第二含水层（组）埋藏较深，补给水源不足，若长期开采或超量开采地下水，将会引起第二含水层（组）水位持续下降、含水层体积压缩，从而会引起地面沉降。4.矸石山坍塌随着生产时间的增长和规模的扩大，从生产矿井运送出来的煤矸石越来越多，矸石堆积的地面面积和高度也将不断增大增高，加之长期的暴露在空气中风化、氧化，遇大风下雨容易造成坍塌。 矿区水环境由于矿井长期排放矿井水，工业场地和居民生活污水如果未经处理就任意排至河沟，将会引起地表水和浅层地下水严重污染。矸子山经长期雨水淋滤后，一般呈酸性水流入河流或下渗到浅层地下水中，亦会造成地表水和地下水不同程度的污染，从而造成水质变差、土壤污染，鱼类死亡，植被萎缩，给矿区和周边居民的生产生活带来威胁。为保护环境，节约资源，矿井在建设的同时应遵循国家“三同时”制度，投资建设污水处理设施，选用国内先进的水处理工艺，把井下排出的水直接排入矿井水净化站，采取净化处理，处理后矿井水部分用于选煤厂洗煤用水或工业场地非生活用水，剩余部分排入河流。对工业场地和生活服务区排放生活污水，更不能任意排放，应通过污水管网汇集至污水处理站，污水处理达标后排入河流。 矿区有害物质及其它环境污染 煤矿主要污染源和污染物大气污染源和污染物主要来自煤矿锅炉烟囱排放的烟气，其次矸子山长期裸露堆放，风吹日晒，尘土飞扬污染大气。水污染和污染物：矿井建设生产后，矿井排水和工业场地及生活服务区的生活污水中COD、BOD5、SS等浓度普遍超标，直接排入周边地区，将会对地表水和浅层地下水造成不同程度的污染。固体废物：主要是矿井排出的煤矸石和锅炉灰渣，生活垃圾等。噪声污染源：主、副井塔提升机房，风扇机房，压风机房，坑木加工厂，机修厂等各生产系统噪声源。 煤岩石中有害元素各主采煤层经取样化学分析，煤中微量元素种类繁多，虽然含量甚微，但对人体有危害的元素有：硫、磷、氯、氟和砷等，煤层夹矸主要为泥岩、炭质泥岩中，也同样含有这些有害元素。由于煤层采掘上来，不能马上运走，需要堆放一定时间。特别采掘出来的矸石，往往堆积如山，长期经受风化、氧化，有害元素经雨水淋滤后要迁移扩散，污染了附近地表水及浅层地下水。 井下热害本井田的恒温带深度是30m，温度为16.8，温度梯度为1.73.8/百m；平均2.81/百m一级高温区（31）平均在-564m以下，二级高温区（37）平均在-736m以下；而-970m水平的平均温度在43.77左右，已达到二级以上高温。由于井下温度高，对井下工人工作条件不利，今后生产中都应采取有效地措施。 瓦斯情况可采煤层瓦斯成分最高达93.56%，瓦斯含量最高达21.53m3/t燃（4-1煤）。瓦斯含量随着煤层埋深的增加，其瓦斯含量有逐渐增大的趋势，煤层埋深-970m水平以上瓦斯含量平均值2.194.94 m3/t燃，而-970m水平以下瓦斯含量较高。 矿井环境地质问题的治理方法和措施 控制大气污染和噪音锅炉排放出的大气污染物，应该采用高效除尘器进行消烟除尘，对产生噪音的污染源可安装消声器使噪声降低。 防止地面沉降速度新生界松散层第四含水层（组）直接覆盖煤系地层之上，四含水垂直入渗或突水方式进入矿井。矿井的长期排水，会造成四含水位持续下降，从而导致地面产生沉降，必须采取合理防治措施，如通过钻孔向四含灌水使四含水位升高或保持一定高度，从而防止地面继续沉降。本矿井供水水源地应是松散层内第二含水层（组）砂层水，因第二含水