殷軍練

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030001）

大直徑立井井壁結(jié)構(gòu)及井筒斷面布置方式的選擇

殷軍練

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030001）

根據(jù)麻家梁礦井主立井井筒所穿過巖層的工程地質(zhì)條件，分析了井筒施工方法的選擇和井壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并根據(jù)礦井建設(shè)規(guī)模及選定的提升設(shè)備，對(duì)井筒斷面布置進(jìn)行了優(yōu)化。

大直徑立井；厚沖積層；凍結(jié)法；井壁結(jié)構(gòu)；井筒斷面布置

麻家梁礦井田范圍內(nèi)地勢(shì)平坦開闊，為厚層新生界沉積物所覆蓋，總體為西南高、東北低，地面標(biāo)高一般在+1 080～1 200 m之間。礦井建設(shè)規(guī)模10.0 Mt/a，采用立井開拓，中央并列式通風(fēng)系統(tǒng)。礦井投產(chǎn)時(shí)共布置三個(gè)井筒，分別為主立井、副立井及回風(fēng)立井，三個(gè)井筒均處于同一工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)，其中主立井井筒凈直徑9.0 m，井深602.8 m。井筒內(nèi)裝備兩對(duì)45 t外動(dòng)力卸載四繩提煤箕斗及梯子間，擔(dān)負(fù)礦井的煤炭提升任務(wù)兼作進(jìn)風(fēng)井及安全出口。

1 井筒地質(zhì)概況

根據(jù)主立井井筒檢查鉆孔地質(zhì)報(bào)告，井筒自上而下穿過的地層分別為：第四系松散沉積層，厚度155.50 m，巖性以褐黃色、褐紅色、黃褐色粉砂土、粉砂質(zhì)粘土、粘土為主，夾2-4層5～6 m厚的中細(xì)砂層。該組巖層手捏成團(tuán)，輕碰易散，無塑性，含砂質(zhì)顆粒；第三系上新統(tǒng)沉積層：厚度120.4 m，巖性以褐黃色、紫紅色粉砂質(zhì)粘土、中砂、粘土為主，夾2-3層似層狀鈣質(zhì)結(jié)核層及砂礫層，土質(zhì)較堅(jiān)硬，呈半固結(jié)狀態(tài)；二疊系上統(tǒng)上石盒子組：厚度54.8 m，巖性以灰色含礫粗砂巖、紫紅色泥巖、灰白色含礫粗砂巖、淺灰綠色粉砂質(zhì)泥巖為主；二疊系下統(tǒng)下石盒子組：厚度123.5 m，巖性以灰白色含礫粗砂巖、淺灰色泥巖、灰白色中粒砂巖，中粉砂巖為主；二疊系下統(tǒng)山西組：主要含煤地層，厚度69 m，巖性以灰色、深灰色砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖為主；石炭系上統(tǒng)太原組：主要含煤地層，厚度92.1 m，巖性以深灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，灰白色中粒砂巖、褐灰色細(xì)粒砂巖為主。

井筒所穿過的新生界上部孔隙含水層厚約84.50 m，為一孔隙潛水含水層，富水性較強(qiáng)，含5～6 m的流沙層。

2 井壁結(jié)構(gòu)的選擇

2.1 井筒施工方法的選擇

根據(jù)井筒檢查孔資料，主立井井筒穿過新生界松散層厚度約為275.9 m。目前，國內(nèi)在松散層較深厚的地區(qū)建井，較為可靠而又行之有效的方法為凍結(jié)法和鉆井法。由于本礦井主立井井筒所穿過的新生界松散層較厚，且松散層上部孔隙含水層富水性較強(qiáng)，含5～6 m的流沙層。主立井井筒沖積層段最大掘進(jìn)直徑達(dá)12.65 m，經(jīng)論證，確定本礦井主立井井筒沖積層及風(fēng)化基巖段采用凍結(jié)法，基巖段采用普通鑿井法施工[1-3]。

2.2 井壁結(jié)構(gòu)類型的選擇

近年來，隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，許多松散地層深厚的礦區(qū)相繼開發(fā)，井筒需承受深厚松散層施加的巨大壓力，單純依靠混凝土的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足井筒施工和使用的要求，故對(duì)于一些松散地層深厚區(qū)域，凍結(jié)法施工的立井井筒常采用復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)。然而鋼板與鋼筋混凝土復(fù)合井壁、鑄鐵丘賓筒井壁結(jié)構(gòu)在國外有過應(yīng)用先例，但由于其工程造價(jià)高、施工工藝復(fù)雜、操作難度大、而且防水效果不理想等缺點(diǎn)，在國內(nèi)應(yīng)用較少[4-6]。設(shè)計(jì)根據(jù)麻家梁礦井主立井井筒直徑大、井筒所穿過的松散層非常厚，富水性較強(qiáng)，且含有流砂層等特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)施工經(jīng)驗(yàn)，本礦井主立井松散層及風(fēng)化基巖段井壁結(jié)構(gòu)采用雙層高強(qiáng)度鋼筋混凝土塑料夾層復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)，即內(nèi)外層鋼筋混凝土井壁，外層井壁與井幫凍土之間鋪設(shè)厚25 mm的聚苯乙烯泡沫塑料板，內(nèi)外層井壁之間設(shè)置兩層聚乙烯塑料薄板（每層厚1.5 mm）。

雙層高強(qiáng)度鋼筋混凝土塑料夾層復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：a.在外層井壁與井幫凍土之間鋪設(shè)厚25 mm的聚苯乙烯泡沫塑料板能夠有效防止粘土層迅速增長(zhǎng)的初期凍結(jié)壓力對(duì)井壁的破壞，起到緩卸壓作用，避免了由于混凝土早期強(qiáng)度不足而遭受破壞；泡沫塑料板的彈性和可壓縮性在一定程度上減小了不均勻壓力，改善了井筒外壁的受力狀態(tài)。b.聚乙烯泡沫塑料板的導(dǎo)熱系數(shù)很小，起到了隔熱保溫作用，減少了凍土對(duì)井壁混凝土的影響，改善了混凝土井壁的養(yǎng)護(hù)溫度，有利于提高井壁的強(qiáng)度。在內(nèi)外層井壁之間鋪設(shè)了兩層聚乙烯塑料板（每層厚度1.5 mm）有效防止了內(nèi)層井壁由于溫度變化產(chǎn)生裂縫，對(duì)防止井壁漏水起到非常好的作用。c.選用高強(qiáng)度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，井壁強(qiáng)度大，抗壓效果好，安全可靠。

2.3 壁座層位的選擇

壁座層位應(yīng)選擇在淺部穩(wěn)定基巖中，以減少凍結(jié)段井壁深度，同時(shí)能承托上部井壁及壁座自身的重量，設(shè)計(jì)壁座形式為整體澆注三層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在保證混凝土強(qiáng)度安全的情況下，盡量減少壁座段高度及厚度，以減少壁座自重，有利于井筒施工和使用安全[4]。

2.4 凍結(jié)深度的確定

根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，結(jié)合主立井井筒基巖風(fēng)化帶深度，為了保證沖擊層及風(fēng)化基巖段井筒施工和使用的安全，要求凍結(jié)深度應(yīng)伸入不透水的穩(wěn)定基巖10 m以上[4]，綜合考慮凍結(jié)段井筒壁座的位置及凍結(jié)孔底無效凍結(jié)段等因素，最終將凍結(jié)深度確定為386 m。

2.5 井壁厚度的確定

設(shè)計(jì)在保證井筒使用安全的前提下，本著節(jié)省材料，加快施工進(jìn)度，減少建井費(fèi)用的原則，根據(jù)已確定的凍結(jié)深度、巖性、凍結(jié)強(qiáng)度等主要因素對(duì)井壁厚度進(jìn)行分段計(jì)算，井壁厚度采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：h為井壁厚度，mm；r為井筒凈半徑，mm；fc為混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，N/mm2；vk為結(jié)構(gòu)計(jì)算載荷系數(shù)；P為計(jì)算深度處井壁所承受的側(cè)壓力，MPa。

設(shè)計(jì)對(duì)內(nèi)外層井壁厚度分別分段進(jìn)行了計(jì)算，其中內(nèi)層井壁厚度計(jì)算時(shí)，側(cè)向壓力按靜水壓力考慮：Ps=0.01H，MPa；外層井壁厚度計(jì)算時(shí)，側(cè)向壓力按凍結(jié)壓力考慮：Pd=0.005H+1.0，MPa。由于目前所采用的凍結(jié)壓力計(jì)算公式均為經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)國內(nèi)外凍結(jié)井筒實(shí)際情況，不同地區(qū)、同樣深度的土層凍結(jié)壓力存在一定的差異，設(shè)計(jì)參考條件相似礦井實(shí)測(cè)凍結(jié)壓力對(duì)本礦井凍結(jié)壓力取值進(jìn)行了校核，為了確保井筒施工和使用安全，設(shè)計(jì)利用計(jì)算深度處井壁所受的水土壓力對(duì)內(nèi)外層井壁的總厚度進(jìn)行校核，Pst=0.013H，MPa，以上各計(jì)算公式中H均為井壁計(jì)算處的深度。凍結(jié)段井壁厚度計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

3 井筒斷面布置

設(shè)計(jì)主立井井筒斷面布置科學(xué)合理，具有以下優(yōu)點(diǎn)：a.井筒內(nèi)四個(gè)箕斗“一”字型排開布置，通過兩套獨(dú)立的外動(dòng)力液壓開閉裝置卸載四繩提煤箕斗，實(shí)現(xiàn)井下異側(cè)裝載、地面同側(cè)卸載。b.一個(gè)井筒內(nèi)布置兩套提升設(shè)備，在提高了井筒的提升能力的同時(shí)，單個(gè)箕斗容積適中，減小了整個(gè)提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，減少了設(shè)備投資。c.通過對(duì)兩對(duì)箕斗單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)“異側(cè)裝載、同側(cè)卸載”，減少了一個(gè)地面受煤倉，原煤皮帶由兩條簡(jiǎn)化為一條，簡(jiǎn)化了地面生產(chǎn)系統(tǒng)。d.較“田”字形布置，減少了井筒裝備鋼材的消耗量，提高了井筒斷面利用率。

4 結(jié)束語

認(rèn)真分析井筒檢查鉆孔資料的基礎(chǔ)上，在主立井井壁結(jié)構(gòu)和斷面布置的設(shè)計(jì)過程中，采用雙層高強(qiáng)度鋼筋混凝土塑料夾層復(fù)合井壁，通過采用高強(qiáng)度混凝土在不增加井壁厚度的同時(shí)提高了井壁的強(qiáng)度，增加的井筒的安全性。兩對(duì)箕斗“一”字形布置，通過外動(dòng)力液壓裝置實(shí)現(xiàn)井下異側(cè)裝載、地面同側(cè)卸載技術(shù)在國內(nèi)外煤炭行業(yè)處于領(lǐng)先水平。麻家梁礦井主立井井壁結(jié)構(gòu)及井筒斷面布置方式為厚沖積層超大直徑立井井壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及井筒斷面布置方式的選擇提供了一套成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

[1]路耀華.中國煤礦建井技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1995.

[2]張榮立，何國緯，李鐸.采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2003.

[3]王建平，靖洪文，劉志強(qiáng).礦山建設(shè)工程[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[4]中國煤炭建設(shè)協(xié)會(huì).煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2007.

[5]翁家杰.井巷特殊施工[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[6]楊俊杰.深厚表土地層條件下的立井井壁結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

Selection of Wall Structure and Section Layout for Large-diameter Main Shaft

YIN Junlian
(Taiyuan Design Research Institute for Coal Industry,Taiyuan 030001,China)

Based on the engineering geological condition of strata where the main shaft passes in Majialiang mine,the paper presents the engineering method selection and wall structure design.In addition,the section layout of the shaft is optimized in the light of construction scale and selected hoisting equipment.

large diameter main shaft;thick alluvium;freezing method;structure of shaft wall; section layout of shaft

TD352

A

1672-5050（2015）02-0018-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.007

（編輯：武曉平）

2015-01-28

殷軍練（1980-），男，陜西乾縣人，大學(xué)本科，工程師，從事煤炭工程設(shè)計(jì)工作。