朱集矿主井冻结壁和井壁结构设计 毕业设计

本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书朱集矿主井冻结壁和井壁结构设计AFREEZEONTHEMAINSHAFTANDTHESHAFTWALLSTRUCTUREDESIGNOFZHUJICOALMINE学院（部）学院（部）学院（部）学院（部）土木建筑学院土木建筑学院土木建筑学院土木建筑学院专业班级专业班级专业班级专业班级0511学生姓名学生姓名学生姓名学生姓名指导教师指导教师指导教师指导教师2009年6月5日安徽理工大学毕业设计I朱集矿主井冻结壁和井壁结构设计摘要本设计的主要任务有两个，既朱集矿主井的冻结壁和井壁结构设计。设计内容一共分为四章，分别为第一章主要介绍国内外冻结壁和井壁结构设计的发展历程，包括设计理念的形成、实践，在我国的的引进发展，和对更深层次设计思想的探索等。第二章主要介绍朱集矿的工程概况，水文地质概况，和主井的主要技术参数，为而后的设计提供必要的数据储备。第三章是主井的冻结壁设计，主要包括冻结壁厚度的计算，冻结壁平均温度的计算。冻结壁厚度的计算，主要是从表土段土层中选出三段控制其厚度的土层，然后采用多姆克第三、第四强度理论和经验公式计算结果的平均值，来比较得到。冻结壁平均温度的计算，主要是利用体平均温度的计算方法，由于体平均温度计算公式是适用在单排管冻结下的，而实际主井的冻结方案是三排管的差异冻结，因此最后的计算平均温度与实际设计平均温度有出入。第四章是主井的井壁结构设计。主要设计理念是采用双层复合井壁，内层井壁按承受水压力计算，外层井壁按承受冻结压力计算，全井筒按水土压力校核。确定井壁厚度，主要是根据井筒地质柱状图，把表土段土层分成三层，每一层又按内外层井壁各自承受的力分别计算出相应的井壁厚度。然后是井壁的稳定性、强度验算以及配筋计算等，主要计算内容有井壁环向稳定性的验算，内外层井壁环向配筋的计算和按吊挂力计算的外层井壁的抗裂验算和竖向抗拉钢筋的配筋计算。关键词关键词关键词关键词立井、冻结壁设计、内层井壁，外层井壁，设计。安徽理工大学毕业设计IIAFREEZEONTHEMAINSHAFTANDTHESHAFTWALLSTRUCTUREDESIGNOFZHUJICOALMINEABSTRACTTHISDESIGNHASTWOMAINDESIGNTASKISNOTONLYTHECHINESESETOFFREEZEWELLSMINESHAFTWALLANDTHESTRUCTURALDESIGNCHAPTERIATHOMEANDABROADTOINTRODUCEAFREEZEONTHEMAINSHAFTWALLANDTHESTRUCTURALDESIGNOFTHEDEVELOPMENTPROCESS,INCLUDINGTHEFORMATIONOFDESIGNCONCEPTS,PRACTICE,INTHEINTRODUCTIONOFCHINASDEVELOPMENT,ANDADEEPEREXPLORATIONOFDESIGNIDEASCHAPTERIIMAINLYMININGPROJECTSZHUOVERVIEW,HYDROLOGICALGEOLOGY,ANDTHEMAINSHAFTOFTHEMAINTECHNICALPARAMETERSFORTHEDESIGNANDTHENPROVIDETHENECESSARYDATAONRESERVESCHAPTERIIIISTHEMAINSHAFTOFTHEFROZENWALLDESIGN,INCLUDINGAFREEZEONTHECALCULATIONOFWALLTHICKNESS,FREEZINGTHECALCULATIONOFTHEAVERAGETEMPERATUREOFTHEWALLAFREEZEONTHECALCULATIONOFWALLTHICKNESS,MAINLYFROMTHETOPSOILLAYERSELECTEDPARAGRAPHTHREEOFTHESOILTOCONTROLITSTHICKNESS,ANDTHENUSEDDOMETHIRD,FOURTHSTRENGTHTHEORYANDTHEEMPIRICALFORMULAFORCALCULATINGTHEAVERAGEOFTHERESULTSTOBECOMPAREDAFREEZEONTHECALCULATIONOFTHEAVERAGETEMPERATUREOFTHEWALL,THEMAINBODYISTOUSETHEMETHODOFCALCULATINGTHEAVERAGETEMPERATURE,AVERAGEBODYTEMPERATUREASARESULTOFTHECALCULATIONFORMULAISAPPLICABLETOFREEZEINASINGLEROWUNDERCONTROL,BUTTHEACTUALFREEZINGOFTHEMAINSHAFTISTHEDIFFERENCEBETWEENTHETHREEPIPESTOFREEZE,SOTHEFINALTHECALCULATIONOFAVERAGETEMPERATUREANDAVERAGETEMPERATUREISDIFFERENTFROMTHEACTUALDESIGNCHAPTERIVISTHEMAINSHAFTOFTHEWALLSTRUCTUREDESIGNTHEMAINDESIGNCONCEPTISTHEUSEOFDOUBLELAYERCOMPOSITEWALL,THEINNERWALLBYWATERPRESSURETOBEAR,THEOUTERWALLBYTHEFREEZINGOFTHEPRESSURETOBEAR,THEWHOLESHAFTBYCHECKINGTHEPRESSUREOFWATERANDSOILDETERMINETHEWALLTHICKNESS,AREMAINLYBASEDONTHEGEOLOGICALCOLUMNSHAFT,THESURFACESOILLAYERISDIVIDEDINTOTHREEPARAGRAPHS,EACHLAYEROFWALLANDFLOORINACCORDANCEWITHTHEIRRESPECTIVEINTERNALANDEXTERNALFORCESWERECALCULATEDUNDERTHECORRESPONDINGWALL安徽理工大学毕业设计IIITHICKNESSTHENTHESTABILITY,STRENGTHANDREINFORCEMENTOFCHECKINGTHECALCULATIONS,ARECENTRALTOTHESTABILITYOFWALLCHECKED,BOTHINSIDEANDOUTSIDETHERINGWALLTOTHEREINFORCEMENTLAYEROFCALCULATIONANDCALCULATIONBYTHEHANGINGWALLOFTHEOUTERLAYEROFTHEANTICHECKINGANDVERTICALSPLITTENSILESTEELREINFORCEMENTOFTHECALCULATIONKEYWORDSSHAFT,FROZENWALLDESIGN,THEINNERWALL,OUTERWALLDESIGN安徽理工大学毕业设计I目录摘要IABSTRACTII引言1第一章国内外冻结壁和井壁设计现状概述211我国建井发展概况212国外冻结法凿井的研究现状213我国冻结法立井施工技术发展历程314井壁结构概况415我国井壁结构型式和冻结井壁的发展概况516国外冻结井壁发展概况717我国现阶段井壁设计方法及工艺718深井施工需要研究的几个课题919设计研究中存在的一些问题10第二章朱集矿主井设计概况1221井筒概况1222地质概况12221水文地质12222环境地质16第三章朱集矿主井冻结壁设计2131冻结方案的选择2232冻结壁厚度的计算2233冻结壁平均温度的计算2534钻孔施工26第四章朱集矿主井井壁设计3241计算原则3242确定井壁厚度3243井壁环向稳定性验算3544井壁圆环受均压时的强度验算和内外层井壁配计算3645按吊挂力计算外层井壁竖向钢筋及抗裂验算40结论44参考文献45致谢46安徽理工大学毕业设计1引言在我国煤炭相对于石油、天然气属资源属于比较丰富的能源，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532。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。我国煤炭资源丰富但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。因而冻结钻井等凿井法成为我国建井发展的必然课题，然而虽然许多凿井法已有多年的发展历程，各种技术难题也在不断完善，但仍存在着许多难以克服的技术难点。本设计的主要研究了建井工程中的两大课题冻结壁和井壁结构设计。文中主井的冻结壁设计；主要包括冻结壁厚度的计算，冻结壁平均温度的计算。冻结壁厚度的计算，主要是从表土段土层中选出三段控制其厚度的土层，然后采用多姆克第三、第四强度理论和经验公式计算结果的平均值，来比较得到。冻结壁平均温度的计算，主要是利用体平均温度的计算方法。主井的井壁结构设计；主要设计理念是采用双层复合井壁，内层井壁按承受水压力计算，外层井壁按承受冻结压力计算，全井筒按水土压力校核。确定井壁厚度，主要是根据井筒地质柱状图，把表土段土层分成三层，每一层又按内外层井壁各自承受的力分别计算出相应的井壁厚度。然后是稳定性、强度的验算和配筋的计算等，主要有井壁环向稳定性的验算，内外层井壁环向配筋的计算和按吊挂力计算的外层井壁的抗裂验算和竖向抗拉钢筋的配筋计算。安徽理工大学毕业设计2第一章国内外冻结壁和井壁设计现状概述11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532。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5836M，80年代为6154M，90年代前5年为6795M，后5年为8153M。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5677M，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600800M深厚冲积层冻结法、钻井法凿井技术以及10001500M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。12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安徽理工大学毕业设计3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19451960年和19611971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KYPBUEBBA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FASANAAC1973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。13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150KM，最大冻结深度702M，冲积层最大厚度5874M，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3582M，冲积层最大厚度1548M，冻结最大深度162M。总体水平是初步掌握了小于200M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100M井壁漏水量为20403M/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200M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安徽理工大学毕业设计4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50000M，冲积层最大厚度为3585M，冻结最大深度415M。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300M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20000M，最大冲积层厚度为383M，冻结深度为435M。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3745M和冻结深度435M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。4600M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400M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600M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600M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600M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。14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38，耗用的投资为矿井总投资的1021，施工工期即占矿井总工期的3055；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。15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11195M，净直径5M，穿过第四系表土层厚507M，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200MM厚的井壁，效果很好，因此在1964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2483M，冻结深度260M，井壁厚07M12M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12MT、淮北海孜煤矿核定年产量09MT、临涣煤矿核定年产量12MT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73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。16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400M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。17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58275M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600M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134MM和137MM，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。18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45A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，并有安徽理工大学毕业设计10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。19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。31987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，对新型井安徽理工大学毕业设计11壁结构的力学研究还很欠缺，也缺乏实用时间的考验。安徽理工大学毕业设计12第二章朱集矿主井设计概况21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21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M768275832冲积层厚度M323403281033090327662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。22地质概况221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16165M53800M，平均厚度38218M，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安徽理工大学毕业设计13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23602590M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1700MM，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51805235M，厚度26202820M，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22表22一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25905210262012620100主井24405235279533254247088风井23605180282047955202572矸石井244052102770127701003二含底界埋深在9250M左右，层厚40054008M，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97509950M，层厚520660M，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23安徽理工大学毕业设计14表23二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521092404030423301170058主井523592404005426252138066风井518592904080322401179556矸石井5210929040804212021960525三含顶界埋深97509950M,底界埋深2600026235M，层组厚1614016485M有砂层1923层，累厚1062012545M，占层组厚度的6576，夹土层1721层，累厚39405720M，土层单层厚度在040860M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803，夹砂质粘土3层，单层厚040330M，累厚680M，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105860，一般厚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0110M。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060410M，一般厚10M左右，累厚1050M。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030M。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24安徽理工大学毕业设计15表24三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97702600016230201121517501569主井97602610016340191062021572065风井97502623516485231254517394076矸石井995026090161402011225194915706三隔底界埋深2800028455M，层厚19552220M，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25表25三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2600028000200012200100主井2610028125202512202180589风井2623528455222032220100矸石井26090280451955119551007四含顶界埋深2800028455M，底界埋深3234033005M，层组厚42154810M。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5825，沙砾层占组厚的50，朱集矿工业广场四含厚42154820M，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26安徽理工大学毕业设计16表26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28000328104810821756263545主井2812532340421569715324423风井28455330054550514558309532矸石井2804532865482062150426704460222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HCO3CAMG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HCO3NAMGCA型个别属CLHCO3MGCA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