葫蘆素礦井西翼風(fēng)井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思考

蘇廣寧

摘要：本文根據(jù)葫蘆素礦井西翼風(fēng)井主要為基巖凍結(jié)的實(shí)際情況，結(jié)合該地區(qū)建井經(jīng)驗(yàn)，提出了進(jìn)一步減小水壓折減系數(shù)，取消內(nèi)外壁之間的塑料薄板、使內(nèi)外壁成為整體，采用單層井壁三種減薄井壁厚度的思路，以供探討。

關(guān)鍵詞：葫蘆素礦井西翼風(fēng)井；井壁結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

一、工程及地質(zhì)概況

葫蘆素礦井位于東勝煤田呼吉爾特礦區(qū)，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)。葫蘆素礦井西翼風(fēng)井井筒凈直徑為5.5m，井口標(biāo)高±0.00m（絕對標(biāo)高+1308.5m），井底相對標(biāo)高為-650.0m（絕對標(biāo)高為+658.5m），井筒落底于2-1煤頂板。

井筒穿過的地層地質(zhì)及水文地質(zhì)情況如下：

（一）地質(zhì)條件

井筒穿過的地層從上到下依次為第四系松散層、白堊系和侏羅系煤系地層。各地層參數(shù)見表1。

（二）水文地質(zhì)情況

第四系水位絕對標(biāo)高+1305.92m，鉆孔單位涌水量q=2.198～3.449L/s.m，含水層富水性強(qiáng)。白堊系含水層水位絕對標(biāo)高+1310m，鉆孔單位涌水量q=0.302～0.304L/s.m，富水性中等。侏羅系中統(tǒng)安定組水位絕對標(biāo)高為+1307.14m，鉆孔單位涌水量q=0.0225～0.0229L/s.m，含水層富水性弱。侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組含水層水位絕對標(biāo)高+1292.46m，鉆孔單位涌水量q=0.0333～0.0345L/s.m，含水層富水性弱。

二、按現(xiàn)行規(guī)范井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況

葫蘆素西翼風(fēng)井采用全深凍結(jié)法施工。井筒采用聚乙烯塑料薄板夾層雙層鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)。根據(jù)《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》，內(nèi)層井壁按靜水壓力計(jì)算，其中基巖凍結(jié)段（白堊系下部及侏羅系）考慮0.81的折減系數(shù)。外層井壁按承受凍結(jié)壓力計(jì)算，表土段凍結(jié)壓力按規(guī)范取值，基巖段無計(jì)算公式，參考表土段厚度，按臨時支護(hù)考慮。各段井壁厚度取值見表2。

井筒-650m處采用C75混凝土內(nèi)層井壁厚度達(dá)到1.0m，總壁厚達(dá)到1.3m，若采用C65混凝土內(nèi)層井壁厚度將達(dá)到1.2m，總壁厚將達(dá)到1.5m，掘砌效率低下，而且井壁厚度大，混凝土澆筑時水化熱大、施工質(zhì)量難以保障。

三、井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

目前，凍結(jié)立井井壁設(shè)計(jì)依據(jù)是《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》和《煤礦凍結(jié)法開鑿立井工程技術(shù)規(guī)范》?！兑?guī)范》中凍結(jié)法井壁設(shè)計(jì)理論主要適用于東部地區(qū)表土沖積層和流沙層等不穩(wěn)定地層，以及基巖風(fēng)化帶和接近風(fēng)化帶的強(qiáng)含水層。

西部地區(qū)與東部地區(qū)的礦井水文與工程地質(zhì)不盡相同，主要為：新生屆地層：西部地區(qū)新生界地層均較淺（多在100m以淺）；中生屆地層：西部地區(qū)中生屆地層多為以白堊系和侏羅系為主的軟巖地層?？傮w來看，西部地區(qū)多為基巖凍結(jié)。

本次根據(jù)葫蘆素礦井西翼風(fēng)井主要為基巖凍結(jié)的特點(diǎn)，從進(jìn)一步減小水壓折減系數(shù)，取消內(nèi)外壁之間的塑料薄板、使內(nèi)外壁成為整體，采用單層井壁三個方面對-460m以深井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討。

（一）進(jìn)一步減小水壓折減系數(shù)

根據(jù)本區(qū)地層巖性及含水情況，同時考慮壁間注漿，并參考相關(guān)資料，新上海廟回風(fēng)立井-411m處實(shí)測水壓為2.618MPa，約為0.7倍的靜水壓力。因此，葫蘆素西翼風(fēng)井-460m以深，計(jì)算內(nèi)層井壁厚度時，水壓折減系數(shù)按0.7考慮。

經(jīng)計(jì)算，內(nèi)層井壁混凝土強(qiáng)度等級取C75，計(jì)算厚度為0.76m，設(shè)計(jì)取0.8m，井壁總厚度為1.1m，與原井壁厚度相比，可減少0.2m。

（二）取消內(nèi)外壁之間的塑料薄板、使內(nèi)外壁成為整體

中國礦業(yè)大學(xué)的研究表明，在水泥水化熱的作用下，一般情況下內(nèi)層井壁的溫度在砌筑后1d～2d左右升至峰值（約40℃～80℃，內(nèi)壁越厚，峰值溫度越高），隨后內(nèi)壁溫度下降，內(nèi)壁產(chǎn)生冷縮。內(nèi)壁由于受外壁的約束不能自由收縮而產(chǎn)生約束溫度應(yīng)力。在該約束溫度應(yīng)力作用下，內(nèi)壁易出現(xiàn)近水平裂縫。

本次考慮取消內(nèi)外壁之間的塑料薄板，在內(nèi)層井壁使用補(bǔ)償收縮混凝土，內(nèi)壁混凝土凝固過程中，基本不產(chǎn)生冷縮，可有效避免溫度應(yīng)力作用時產(chǎn)生的裂縫。同時，考慮采用補(bǔ)償收縮混凝土后，內(nèi)外壁澆筑為整體共同受力。

內(nèi)外壁澆筑為整體后，直接與圍巖接觸，受力情況發(fā)生變化，井壁荷載按現(xiàn)行規(guī)范中公式計(jì)算，如下：

P=γHtan2（45°-φn/2）。

式中：γ——巖層重力密度（MN/m3），取0.024；

H——巖層厚度（m）；

φn——為內(nèi)摩擦角，取36°。

根據(jù)計(jì)算，-650m處井壁混凝土強(qiáng)度等級取C65，計(jì)算總厚度為0.78m，設(shè)計(jì)取0.8m。

考慮內(nèi)外壁為分次施工，外壁厚度取0.3m，內(nèi)壁厚度取0.5m，總厚度為0.8m，與原井壁厚度相比，可減少0.7m。

（三）采用單層井壁結(jié)構(gòu)

葫蘆素礦井中央風(fēng)井采用了單層凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)，為防止單層井壁接茬處漏水，增加了井壁接茬止水鋼板，并采取了壁后有效注漿堵水措施，確保井筒封水效果。該井筒于2013年底竣工，井筒涌水量控制在5m3/h以內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期效果。該井筒凈直徑為8.0m，-650m處單層井壁厚度為1.0m，混凝土強(qiáng)度等級為C65。根據(jù)與中央風(fēng)井類比，葫蘆素西翼風(fēng)井若采用單層井壁結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級取C65，厚度為0.69m，設(shè)計(jì)取0.7m，與原井壁厚度相比，可減少0.8m。

四、結(jié)語

根據(jù)葫蘆素礦井西翼風(fēng)井主要為基巖凍結(jié)的實(shí)際情況，結(jié)合該地區(qū)建井經(jīng)驗(yàn)，提出了幾種減薄井壁的思路，由于理論支撐不足，西部區(qū)域凍結(jié)立井井壁受力機(jī)理和厚度計(jì)算方法尚不明確，本文觀點(diǎn)只做探討?？梢钥隙ǎ鞑康貐^(qū)井壁受力機(jī)理和建井理論的完善是非常重要且復(fù)雜的科研問題，期待科研、設(shè)計(jì)單位共同努力，使問題得以解決。

參考文獻(xiàn)：

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