冻结法凿井井壁结构的探讨.pdf

收稿日期 2005 - 11 - 14 作者简介贾翱翔1975 - ,男,辽宁沈阳人,助理工程师, 2000年毕业于东北大学资源与土木工程学院采矿工程专 业,获学士学位,现在沈阳煤矿设计院从事设计工作。 冻结法凿井井壁结构的探讨 贾翱翔 中煤国际工程集团 沈阳设计研究院,辽宁 沈阳 110015 摘 要文章回顾了冻结法凿井在我国的发展阶段,介绍了冻结法凿井的概念及冻结立井 井壁结构形式,提出了井壁产生破坏的机理,探讨了冻结法凿井选择井壁结构时应采取的方法。 关键词冻结法凿井;井壁结构;负摩擦力;井壁卸压槽 中图分类号 TD26513 2 文献标识码 B 文章编号 1671 - 095920060220063203 1 冻结法凿井概况 冻结法凿井是在井筒开凿之前,用人工制冷的方法, 将井筒周围的土层冻结形成封闭的圆筒-冻结壁,以抵抗 地压,隔绝地下水,在冻结壁的保护下进行掘砌工作的一 种特殊方法。它源自德国, 1883年德国工程师波茨舒在德 国阿尔巴里德煤矿用冻结法开凿了10310m深的井筒,获得 了冻结法凿井的专利,之后这项技术传播到世界上许多国 家。国外采用冻结法凿井的国家如英国、德国、波兰、比 利时、前苏联等,其最大冻结深度均超过了60010m ,其中 英国波尔比钾盐矿的冻结深度达到了93010m。 自从1955年我国采用冻结法凿井以来,已有50年的 历史,其间施工的井筒达420多条,总计进尺近70000余 米,最大表土层厚度37013m ,最大冻结深度4611 0m 山东 嘉祥县梁宝寺煤矿主井 , 井筒最大净直径81 4m 淮南顾桥 矿副井。我国冻结法凿井技术的发展大致经历了三个阶 段第一阶段是1955年至70年代初期,主要解决冻结法 应用的基本技术问题;第二阶段是20世纪70年代初期至 80年代中期,主要解决冻深50010m以内的关键技术和应 用水平问题;第三阶段是20世纪80年代中期至今,主要 解决50010m以内的深井冻结的两项关键技术难题 地层 沉降条件下的井壁结构设计理论及应用,深厚粘土层下的 冻结凿井技术。 2 我国冻结法凿井井壁结构现状 我国曾经应用过的井壁结构形式主要有单层井壁、双 层井壁、塑料夹层双层混凝土复合井壁、沥青板夹层双层 井壁以及砌块沥青钢板井壁又称柔性滑动井壁五种。 1 单层混凝土或钢筋混凝土井壁 20世纪50年代采 用冻结法凿井早期,表土层较浅,约有50多条井筒采用此 种井壁,最大冻深16210m ,表土层深15410m。大多数井 壁在接茬处、预留梁窝处严重漏水。采用壁内注浆或套壁 处理漏水。在浅表土层接茬处采用塑料止水带等措施,保 证了井壁质量。 2 双层混凝土或钢筋混凝土井壁采用套壁方法处理 单层井壁漏水的效果十分理想,由此得到启示,从单层井 壁改为双层井壁, 1964年邢台主井开始采用双层混凝土井 壁至今,全国约有280条井筒采用,最大冻深46110m。设 计中假设双层井壁为整体共同受力,用永久地压计算井壁 总厚度,用冻结压力计算外层井壁厚度,余下的为内壁厚 度,一般为014～015m。施工时外壁凿毛,留台阶。采用 双层井壁后,漏水现象有所减少,但没有根治,表土层大 于20010m的井筒中,漏水问题仍十分严重。 3 塑料夹层双层混凝土复合井壁 20世纪70年代末, 两准矿区为解决表土层厚度大于20010m ,井筒井壁严重漏 水问题,对惯用的双层井壁进行了改革,主要内容有① 内外层井壁分别计算厚度,内壁承受静水压,外壁承受冻 结压力;② 内外层井壁间铺设115mm厚的塑料板,使内壁 降温时可自由收缩,不受外壁约束,防止内壁产生温度裂 缝,防止井壁漏水;③套壁结束后,必须进行壁内注浆; ④ 外壁结构强度应适应冻结压力的增长规律,应采用早强 高强混凝土,在粘性土中用短段快速掘砌施工法;⑤ 内壁 采用高标号混凝土,提高内壁强度。改革取得了十分满意 的效果,解决了长达近20年的井壁漏水问题。目前塑料夹 层双层混凝土复合井壁在深立井冻结法中被广泛采用。 4 沥青板夹层双层混凝土复合井壁自1987年以来, 在淮北、大屯、徐州、兖州等矿区约40多条井筒,因矿井 排水使地下水位下降引起井筒周围地层沉降对井壁产生负 摩擦力而遭受破坏。为此,近些年在这样的特殊地层条件 下,试用了沥青板夹层双层混凝土复合井壁,其结构特点 是在内外壁间铺设70mm或更厚的沥青板,外壁中沿竖 向分若干水平铺设可压缩层,外壁外铺设25～50mm厚的 泡沫塑料扳。据室内试验,这样的井壁结构可减少负摩擦 力,减轻对内壁的影响,负摩擦力在内外壁上的分配为 36 2006年第2期 煤 炭 工 程 研究探讨 40 和60 。这种井壁在设计、施工方面还有待改进。 5 砌块沥青钢板混凝土复合井壁,又称柔性滑动 井壁,或称全能井壁目前我国有两条井筒采用,一个是 淮南孔集西风井,另一个是开滦东欢坨矿副井。淮南孔集 西风井,净径415m ,表土层深6516m ,冻深11210m ,柔 性井壁全长13414m。内壁厚014m。每段高310m ,钢板厚 8mm ,沥青厚200mm ,国产100号道路沥青,外壁混凝土 砌块厚300mm ,冻结壁挂网锚喷150mm ,井壁总厚度 1058mm。开滦东欢坨矿副井, 1985年中德合作项目,净径 810m ,表土层深167m ,冻深195m ,井壁长度208m ,内壁 混凝土厚700mm ,每段高315m ,钢板厚8mm , 16Mn容器 钢板,沥青厚250mm , 200号液体石油沥青,外壁砌块厚 350mm ,横竖缝压缩板厚15mm ,每块允许压缩量为6mm , 充填50mm砂浆。沥青铺设采用热浇灌法,即在地面将沥 青与石灰石粉混合加热至150℃ 左右,用泵及输送管送入井 下。目前该井井壁情况良好。 3 冻结法凿井成井后井壁出现的问题及原因 311 井壁出现的问题 中煤国际工程集团沈阳设计院在红阳三井主、副、风 井冻结法凿井的设计中,三条井筒均采用沥青板夹层双层 混凝土复合井壁。从沈煤集团红阳三井实际情况和其它有 关资料上看,由于副井摩擦力使井筒出现了不同程度的破 坏,从井壁破坏时间可大致分为两个阶段一是冻结壁完 全融化之后;二是投产后一至几年。破坏部位大多在表土 段与基岩段接触带附近。破坏的现象有的只出现环向裂 缝、漏水;有的出现环向裂缝并脱落、钢筋弯曲变形外露, 井壁漏水;个别已投产的矿井,井壁被压碎、漏水,罐道 出现了弯曲变形,见表1。 表1 红阳三井部分井筒破坏情况一览表 序号 井筒 名称 井壁厚度/ mm 内壁外壁 冻结深 度/ m 套内壁 结束时间 破坏 时间 破坏部 位/ m 界面高 程/ m 备 注 1主井40045016019921051191992108131- 121～- 135- 132 2副井50050017019921081311993102101- 120～- 135- 130 3风井45045016919921061231992108107- 123～- 128- 130 312 井壁破坏的原因 1 负摩擦力作用。产生上述破坏现象的一个主要原 因,就是负摩擦力的作用。采用冻结法施工的井筒,一般 均需穿过若干不等厚的富含水层后才进入基岩。由于表土 的粘结力很小,井筒周围的土层都处于极限平衡状态,一 旦开掘井筒,很容易使土层扰动,土层将沿着滑移面该面 在浅部呈圆锥形,在深部呈柱形滑动。当井筒周围土层滑 动下沉时,就产生一个向下的摩擦力。当表土层较厚时, 此力相当大,累计传到表土和基岩界面附近时,就可能将 井壁压坏。 促使表土段地层下沉的主要因素有冻结壁融化,砂 土体积缩小;地下水水位下降,浮力减小土壤压实;地下 水流速由小变大,地层被侵蚀压缩下沉。红阳三井主、副、 风井筒破坏就属于这种情况。 2 地层滑动。已投产的矿井井筒破坏,除了负摩擦力 作用外,还有一个不容忽视的因素 地层滑动。矿井投 产后,随着采空区的扩大,势必引起岩层和地表移动,出 现覆岩陷落漏斗和水位下降漏斗。前者深度大,后者范围 大。因此含水层中的水势必向采空区塌陷中心补给,尤其 是处在含水层和基岩直接接触的井筒部分,由于水流的机 械侵蚀,水的流速加大,地下水位下降,各地层之间的结 合力降低,这就容易形成一个潜在的剪切滑动面和一定范 围的剪切滑动区,其趋向是向塌陷中心滑动,对井壁产生 破坏作用。 引起地层滑动的另一个因素是地质构造应力的影响。 由于地质构造应力强弱发生变化或应力轴发生变化,单轴 抗压强度小的岩体就受到挤压;整体性和坚固性不同的岩 层,就由原来相对的稳定状态开始沿软弱界面产生蠕动, 进而对井壁产生剪切力。该力超过井壁极限强度时,井壁 就破坏。 3 施工质量较差。目前冻结法施工均采用复合井壁, 为了提高井壁强度,在混凝土中加入复合减水剂,使其终 凝时间提前了许多。混凝土搅拌时不设搅拌站,使用临时 搅拌机,水泥下井时用塑料管直接下井,使混凝土产生了 离析。混凝土下井后,养护条件差,混凝土迅速硬化,收 缩后产生许多环向裂缝,同时施工外壁时,多用金属组合 式模板或金属大模板,有时会出现接茬不严。因而套内壁 时,井壁的厚度减小,当负摩擦力超过井壁极限强度时, 井壁便遭破坏。此外混凝土试块强度低,钢筋绑扎点不够 或不牢等,施工质量没达到设计要求,致使井壁破坏。 4 设计欠合理。从沈煤集团某些井筒实际破坏情况及 有关资料表明,在表土段和基岩接触段的井筒配筋设计都 是以环筋为主筋,竖筋作为副筋,并且井壁厚度是由水平 应力控制的。没有考虑负摩擦力或是考虑的不够。这也是 导致井壁破坏的因素之一。 4 冻结法凿井确定井壁结构时的几点建议 1 冻结法凿井选择井壁结构时,除考虑井壁的基本载 荷、温度应力、冻结压力和地压外,还应按空心桩理论考 虑负摩擦力的作用。 可以在基岩顶面附近设置井壁卸压槽, 46 研究探讨 煤 炭 工 程 2006年第2期 收稿日期 2005 - 08 - 29 作者简介刘春峰1963 - ,山东沂南人,教授级高级工程师,山东煤矿莱芜机械厂副厂长,多年来一直从事机械设 计与制造技术工作,多项成果获国家、省、部、行业科技进步奖,已发表论文二十多篇。 提升容器连接叉的缺陷安全分析 刘春峰1,任国龙2,孙启龙3,钱凤禄4,王树胜5, 林士勇5,刘芒果6,张洪友2 1 1 山东煤矿莱芜机械厂,山东271100 ; 21 山东煤矿泰安机械厂,山东271000 ; 31 山东泰工工贸有限责任公司,山东271000 ; 41 开滦矿业集团, 063018 ; 51 兖州矿业集团,山东272100 ; 61 山东科技大学,山东271000 摘 要文章应用线弹性断裂力学基本理论和悬挂装置耳孔曲梁计算应力公式,在某载煤 重40t特大型箕斗连接叉存在裂纹的状态下,进行了安全性分析和寿命估算,具有较大的实践指 导意义。 关键词提升容器;连接叉;线弹性断裂力学;裂纹;应力强度;因子;裂纹扩展速率 中图分类号 TD531 文献标识码 B 文章编号 1671 - 095920050120065205 1 实 例 某40t箕斗载重40t ,本体重45t ,尾绳重23t ,设其运 行加速度为112m/ s2。经计算其悬挂装置连接叉承受最大动 荷载4Pmax 243kN ,最小动荷载4Pmin 119125kN。该连接 叉受力及尺寸如图1。经探伤该连接叉在图1所示位置φ 30,ρ 65mm处和φ 75,ρ 60mm处以及 φ 90,ρ 5215mm处发现含有直径为017～018mm的内部缺陷。连 接叉材质为45正火钢,查参考资料知其正火状态下力学性 能常 温为 σ012 51011MPa ,σh 80414MPa ,KIC 10018MPam ,c 318310 - 10 ,m 2175。 根据煤矿行业标准MT684 ,悬挂连接叉等重要承力件 A区验收必须满足 图1 连接叉简图 1 不允许有裂纹。 2 不允许有密集性缺陷。 3 不允许有 3mm当量直径的单个缺陷。 槽的深度和井壁厚度一致,槽的高度应根据地层最大沉降 量、井壁压缩量、充填材料的可压缩量及混凝土允许弹性 变形来确定。建议外壁槽高650～850mm ,内壁槽高400～ 500mm。充填材料用防腐的木材或化学材料,施工时卸压 槽应保持水平,充填材料密实,并在卸压槽部位以上的风 化带井帮上铺设泡沫塑料板,减少阻力,让卸压槽充分发 挥作用,在卸压槽部位周围风化带进行壁后注浆,防止卸 压槽处井壁漏水。 2 在表土层厚度大于300m的条件下应适当考虑采用 球墨铸铁砼复合井壁来提高基岩顶面上下部位的井壁强度。 如陈四楼副井净直径615m ,冻深405～435m ,深部井壁厚 度为118m ,从井深300m～384m ,采用球墨铸铁混凝土复 合井壁方案后,混凝土外壁厚800mm ,丘宾筒厚55mm , 充填混凝土厚200mm ,井壁总厚度1055mm ,比原井壁厚 度减少了745mm ,荒径由1011m减少到8161m ,共节省投 资约525万元。 3 在设计井壁结构时,应适当提高混凝土强度,添加 膨胀剂,防止因混凝土收缩产生裂缝而导致漏水,其冻结 壁内外侧厚度比值应控制在55∶45～50∶50的范围内。 参考文献 [1] 崔云龙.简明建井工程手册[M].北京煤炭工业出版社, 2003. [2] 张荣立,何国纬,李铎.采矿工程设计手册[ M].北京 煤炭工业出版社, 2003. [3] 黄跃东,邓洪义,何东春.深厚表土层井筒冻结段施工技术 [J ].建井技术, 20041 . 责任编辑 程玉岭 56 2006年第2期 煤 炭 工 程 研究探讨