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1、 花园煤矿主副井层可缩井壁 井壁可缩装置方案初步设计 目 录 1 工程背景.2 1.1 井壁竖向压裂.3 1.2 破裂时间集中.3 1.3 破裂位置集中.4 1.4 地质条件相近.4 1.5 地表明显下沉.4 2 井壁破裂机理.5 3 预防新建井发生井壁破裂灾害技术.5 3.1 增大井壁厚度，提高井壁材料强度，承受附加力.6 3.2 采用新型井壁结构，适应附加力.6 3.2.1滑动可缩井壁.6 3.2.2双层整体可缩井壁.6 3.2.3双层层可缩井壁.7 4 管板组合式井壁可缩装置.8 4.1 管板组合式井壁可缩装置简介.8 4.2 管板组合式井壁可缩装置的设计.10 4.3 管板组合式井壁可
2、缩装置的现场应用情况.11 5 井壁可缩装置的设计.11 5.1 主、副井壁结构与井筒地质情况.11 5.2 主、副井井壁可缩装置的设计.14 5.2.1可缩结构的位置与数量.14 5.2.2可缩装置的宽度.14 5.2.3可缩装置的可缩量.14 5.2.4可缩装置外壳厚度.14 5.2.5可缩装置其余部件及尺寸.15 6 现场安装照片.15 7 层可缩井壁装置费用概算.17 1 工程背景 自一九八七年以来，、大屯、永夏和兖州等矿区已有 90 多个立井井筒相继发生了井壁破裂灾害(见表 1.1)，造成了巨大的经济损失，严重地威胁着矿井的安全与生产。立井井壁破裂现象具有如下共同特征。1.1 井壁竖
3、向压裂 深厚表土层中的立井井壁发生破裂时，壁混凝土成块剥落，纵筋向弯曲，横向裂纹、裂缝在水平方向交圈（图 1.1、图 1.2），破裂处漏水、甚至涌沙，严重时，混凝土掉块砸坏设备和井筒装备。此外，罐梁向上弯曲，罐道、排水管、压风管等发生纵向弯曲，严重时会扭曲变形，造成卡罐事故。可见，井壁破裂灾害对人生安全和煤矿的安全生产都构成了严重威胁。图 1.1 典型井壁破裂展开图 图 1.2 典型井壁破裂实物图 1.2 破裂时间集中 均发生于每年的 410 月份，大多集中于 68 月份。1.3 破裂位置集中 多在第四系深厚表土层与基岩交界面附近，伴随之有地表沉降（图 1.3）。1.4 地质条件相近 破坏井筒
4、都穿过较厚的第四系表土层，层厚大多在 100m 以上，表土层含水层的水位均有下降,下降量 30m-150m 不等,下降速率多在 0.03-0.12MPa/a之间。1.5 地表明显下沉 伴随着下部含水层水位下降，破坏矿井工业广场地表均有不同程 度 的 下 沉，下 沉 幅 度 达100mm 500mm；沉降速率在 10-50mm/a 左右；沉降率（地表下沉量与表土层厚度之比）为 1.52左右。这种立井井壁破裂灾害影响围之大，造成的后果之严重，在国外都是前所未有的。因井壁破裂而停产进行抢险加固所造成的直接和间接经济损失就达数亿元；而且临时加固使得井筒净直径减小,限制了矿井的提升能力，影响矿井的正常生
5、产；然而更重要的是抢险加固后的井壁埋藏着隐患，井壁时有继续破坏的可能，必须得以彻底根治。表 1.1 部分已破坏井筒 序号 井筒名称 序号 井筒名称 序号 井筒名称 序号 井筒名称 1 海孜主井 26 三河尖副井 51 兴隆庄副井 76 店副井 2 海孜副井 27 三河尖风井 52 兴隆庄西风井 77 车集主井 3 海孜中央风井 28 集主井 53 兴隆庄东风井 78 车集副井 4 海孜西风井 29 集副井 54 村主井 79 车集南风井 5 临涣副井 30 沛城主井 55 村副井 80 车集北风井 6 临涣东风井 31 沛城副井 56 村南风井 81 四楼主井 7 临涣西风井 32 龙固副井
6、57 村北风井 82 四楼副井 8 童亭主井 33 龙固主井 58 南屯风井 83 东荣一矿主井 9 童亭副井 34 龙东主井 59 三号矿风井 84 东荣一矿副井 图 1.3 井壁破坏位置与地质条件示意 1-基岩 2-含水层 3-井壁破坏区 4-外凸竖筋 10 童亭中央风井 35 龙东副井 60 三号矿副井 85 东荣一矿风井 11 芦岭主井 36 龙东东风井 61 泗河主井 86 东荣二矿主井 12 芦岭副井 37 孔庄主井 62 泗河副井 87 东荣二矿副井 13 桃园主井 38 孔庄副井 63 横河主井 88 东荣二矿风井 14 桃园副井 39 孔庄南风井 64 横河副井 89 东荣三
7、矿主井 15 桃园风井 40 桥主井 65 太平副井 90 东荣三矿副井 16 任楼主井 41 桥副井 66 太平主井 91 东荣三矿风井 17 任楼副井 42 徐庄主井 67 鹿洼主井 92 小茅山铜矿主井 18 任楼风井 43 徐庄副井 68 鹿洼副井 93 小茅山铜矿风井 19 前岭北风井 44 徐庄风井 69 庄主井 94 20 前岭中风井 45 付村主井 70 庄副井 95 21 祁南副井 46 鲍店主井 71 庄风井 96 22 双楼主井 47 鲍店副井 72 田庄主井 97 23 双楼副井 48 鲍店北风井 73 田庄副井 98 24 双楼南风井 49 鲍店南风井 74 金桥副井
8、 99 25 三河尖主井 50 兴隆庄主井 75 店主井 100 2 井壁破裂机理 通过大型模拟试验，中国矿业大学和大屯煤电公司于 1989 年首次证实了特殊地层含水层疏排水时井壁竖直附加力的存在，提出了井壁破裂机理：表土含水层疏水，造成水位下降，含水层的有效应力增大，产生固结压缩，引起上覆土体下沉。土体在沉降过程中施加于井壁外表面一个以往从未认识到的竖直附加力。竖直附加力增长到一定值时，混凝土井壁不能承受巨大的竖直应力而破坏。竖直附加力是导致井壁破裂的主要因素。传统的表土层井壁结构与设计视井壁受力为静态、平面问题。在设计井壁时，认为井壁自重的3/4由地层围抱力所抵消;但当表土含水层失水时,地
9、层不但不能承担一部分井壁自重,反而对井壁作用有向下的、随时间增长的竖直附加力。这说明此种情况下井壁受力问题是一个动态、空间问题，而不是静态、平面问题。这一观念是对井壁受力工况认识上的一次飞跃。在此认识的基础上，提出了新的井壁设计原则和方法，开发出了 新的井壁结构型式以及井壁破裂灾害的防、治技术。3 预防新建井发生井壁破裂灾害技术 根据井壁破裂机理，竖直附加力主要与以下两组参数有关：1)井壁结构及其几何、物理、力学参数；2)地层的几何、物理、力学参数。相应地，应建立新的井壁设计原则，在此基础上开发预防井壁破裂的技术。在新的井壁设计中，应该充分认识井壁地层的相互作用；充分考虑特殊地层对井壁所造成的
10、竖直附加荷载；考虑全部井壁自重、井筒装备重量和井塔重量;考虑温度变化可能造成的附加荷载，按空间问题理论进行设计计算，用第四强度理论进行强度验算。3.1 增大井壁厚度，提高井壁材料强度，承受附加力 从理论上讲，采用这种“硬抗”的办法预防新建井井壁破裂是可能的，但是由于工况条件限制，要在冻结井筒施工中采用 C70 以上的混凝土材料是很困难的。在表土层厚达 250m 的双层井壁设计中，若考虑附加力、井壁自重和井塔重量，即使采用如此高标号的混凝土材料，井壁厚度仍需 1.4-2.0m，甚至更大。显然，当表土层较厚时，仅靠加大井壁厚度、采用超高强混凝土材料在技术上、经济上都是不尽合理的。因此，此种方案只宜
11、在表土较浅时采用。3.2 采用新型井壁结构，适应附加力 基于多年来对深厚表土层中井壁受力、井壁结构与设计的研究，中国矿业大学开发出了适用于冻结井筒的“滑动可缩井壁”（1991 年）和“双层整体可缩井壁”（1996）结构形式，以及适用于钻井井筒的“单层整体可缩井壁”（1993）结构形式。3.2.1 滑动可缩井壁 滑动可缩井壁结构形式如图 3.1 所示。根据工程地质、水文地质条件，在外壁中设一层或多层可压缩层，以适应于附加力的作用，可缩层采用 PVC 板、木质垫板或薄钢板盒；外壁间设沥青滑动层，以消除外壁间的刚性约束，减少附加力对壁的影响并使壁受力均匀、可知；壁采用普通的钢筋混凝土结构，其外载是由
12、沥青滑动层传递的竖向和水平荷载。这种井壁结构各部分功能比较明确、防水性能好、井装备无需可缩，但井壁施工工艺较复杂，造价较高。3.2.2 双层整体可缩井壁 图 3.2 是根据冻结井壁受力和施工的特点而设计的双层整体可缩井壁示意。在靠近表土与基岩交界面附近隔水层中的层井壁和外层井壁各设置一个可缩接头。沥青夹层起密封和滑动作用。这样改变了原来普通冻结井壁的竖向抗压刚度，使井壁在受有较大竖 图 3.1 滑动可缩井壁结构示意 1-外壁 2-泡沫塑料夹层 3-沥青滑动层 4-可压缩层 5-壁 6-表土层 7-基岩 8-井筒中心线 向力时能与地层一起下沉，以免遭破坏。采用这种井壁结构使得井壁竖向变形部位及其
13、位移量可知，但同时要求井筒装备可缩。该种井壁的大部分是与普通复合井壁一样的，只将局部井壁替换为可缩接头，其施工工艺基本上与普通冻结井壁相同，比滑动可缩井壁要简单得多，故造价也较低。192345678 图 3.2 双层整体可缩井壁结构示意 1-壁 2-夹层 3-外壁 4-表土层 5-壁可缩层 6-沥青缩层 7-外壁可缩层 8-基岩 9-井筒中心线 内壁塑料夹层外壁内壁可压缩层井筒中心线冲积层基岩 图 3.3 双层层可缩井壁结构示意 3.2.3 双层层可缩井壁 图 3.3 是根据冻结井壁受力和施工的特点而设计的双层层可缩井壁结构示意。在靠近表土与基岩交界面附近隔水层中的层井壁设置一个可缩接头。通过
14、改变了原来普通冻结井壁的竖向抗压刚度，使井壁在受有较大竖向力时在可缩接头位置能与地层一起下沉，以免壁遭受破坏。采用这种井壁结构使得井壁竖向变形部位及其位移量可知，但同时要求井筒装备可缩。该种井壁的大部分是与普通复合井壁一样的，只将局部井壁替换为可缩接头，其施工工艺基本上与普通冻结井壁相同，比双层滑动可缩井壁更加简单，故造价也最低。综上所述，在深厚表土层的新井井壁设计中，采用加大井壁厚度、选用高强材料的方法来承受附加力、防止井壁破坏从理论上讲是可能的，但在技术和经济上都是不尽合理的，应采用新型井壁结构来适应附加力的作用。新型的滑动可缩井壁结构、单层整体可缩井壁结构、双层整体可缩井壁结构、双层层可
15、缩井壁结构均可以适应由于地层沉降对井筒产生的竖向附加力，而其中尤以双层层可缩井壁结构施工最简单，造价最低，因此目前双层层可缩井壁在永夏矿区新桥煤矿主副井、城郊煤矿东风井、鲁能荷泽煤电集团郭屯煤矿主副风井、吴桂桥煤矿主副井、矿业集团丁集煤矿主副风井等矿井均得到了推广应用。4 管板组合式井壁可缩装置 4.1 管板组合式井壁可缩装置简介 管板组合式井壁可缩装置（图 4.1图 4.4）是中国矿业大学的一项专利（专利名称：一种井壁可缩装置，专利证书号：586735，专利证书见图 4.1）技术，由中间钢管 1、壳体 2、外壳体 3、上下面板 4 组成。中间钢管 1 和上下面板 4 焊接在一起，构成封闭环形
16、结构；壳体 3、外壳体 2 和上下面板 4 垂直焊接在一起，构成封闭腔环形结构，使结构的受力和变形均匀对称。图 4.1 双层层可缩井壁可缩装置专利证书 以前的钢结构可缩装置存在压缩量较小，可缩装置焊缝易开裂以及成本较高的不足。该型可缩接头具有如下优点：（1）压缩量大。主要利用钢管和立板的曲屈变形实现可缩，压缩率可达70%以上，为木质可缩装置的2 倍以上。（2）防水性能好。装置本身的密封主要靠上下面板与中间钢管间的焊接实现，由于钢管与面板间的焊缝始终受压，不会炸缝，因此在可缩装置曲屈变形过程中可缩装置的密封性能可得到保证。图 4.2 可缩装置俯视图 图 4.3 可缩装置 A-A 剖面图 图 4.
17、4 可缩装置局部放大图 图 4.5 管板组合式可缩装置几何尺寸示意图 4.2 管板组合式井壁可缩装置的设计 可缩装置的几何尺寸（图 4.5）是其设计的主要容，需按其能承受的竖向极限荷载确定。根据中国矿业大学的研究，可缩结构竖向承载力可按式(4-1)估算。wtwhpcr810.274715.12 (4-1)式中 1中间钢管 2内壳体 3外壳体 4上下面板 pcr可缩结构竖向承载力，MPa；h可缩结构净高，m；t外壳体厚度，m；w可缩装置的宽度，m。由此得到：810.274715.15.0hpwtcr (4-2)设计时可根据可缩量要求定出净高h，根据井壁厚度与施工要求确定可缩装置的宽度 w。然后根
18、据可缩结构竖向设计承载力pcr计算出外壳体厚度t。上下面板厚度tu可取与外壳体同厚或略大，中间管子厚度tp应等于或略小于外壳体厚度t。4.3 管板组合式井壁可缩装置的现场应用情况 管板组合式井壁可缩装置自提出以来，已在华东地区数个新建井筒以及已建井筒的破裂灾害治理中应用。具体应用矿井有：永夏矿区车集煤矿主副井及南北风井（灾害治理、已安装）、新桥煤矿主副井（新建、已安装）、城郊煤矿东风井（新建，已安装）四楼煤矿南风井（新建、钻井井壁、已安装）、吴桂桥煤矿主副井（新建、已安装）巨野矿区郭屯煤矿主副风井（新建，未安装）。5 井壁可缩装置的设计 5.1 主、副井壁结构与井筒地质情况 花园煤矿主、副井基
19、岩与表土交接面相对标高均为-479.100m。表土段井壁结构参数见表 5.1 和表 5.2，表土段地质情况条件见表5.3 和表 5.4。表 5.1 花园煤矿主井表土段井壁结构设计参数 标高/m 结构参数-1.859 -160.00-160.000 -210.000-210.000 -290.000-290.000 -350.000-350.000 -410.000-410.000 -450.000-450.000 -480.000 井筒净直径/mm 4500 4500 4500 4500 4500 4500 4500 壁厚度/mm 400 400 600 600 750 750 750 外壁厚
20、度/mm 400 400 600 600 800 800 800 壁砼标号 C30 C40 C40 C50 C50 C55 C60 外壁砼标号 C30 C40 C40 C50 C50 C55 C60 表 5.2 花园煤矿副井表土段井壁结构设计参数 标高/m 结构参数-1.859 -160.000-160.000 -210.000-210.000 -290.000-290.000 -340.000-340.000 -400.000-400.000 -440.000-440.000 -480.000 井筒净直径/mm 5000 5000 5000 5000 5000 5000 5000 壁厚度/m
21、m 450 450 650 650 850 850 850 外壁厚度450 450 650 650 850 850 850 /mm 壁砼标号 C30 C40 C40 C50 C50 C55 C60 外壁砼标号 C30 C40 C40 C50 C50 C55 C60 表 5.3 花园煤矿主井表土段地质情况 岩石名称 层厚（m）累厚（m）岩石名称 层厚（m）累厚（m）无芯 9.10 9.10 粉土 1.32 179.09 粉质粘土 4.73 13.83 细砂 2.40 191.64 粉砂 3.17 17.00 粘土 3.68 195.32 粘土 4.64 21.64 粉砂 9.68 205.00
22、粉质粘土 0.99 22.63 粘土 15.94 220.94 粉砂 2.37 25.00 粉质粘土 16.56 237.50 粘土 1.50 26.50 粗砂 4.90 242.40 粉质粘土 32.50 59.00 粘土 29.60 272.00 细砂 4.99 63.99 细砂 6.91 278.91 中砂 1.60 65.59 粘土 8.59 287.50 粉土 6.56 72.15 粉土 1.80 289.30 细砂 2.30 74.45 粘土 2.90 292.50 粘土 7.22 81.67 粉土 1.30 293.50 粉质粘土 9.98 91.65 粉质粘土 1.75 295
23、.25 中砂 3.38 95.03 粉土 0.90 296.15 含砾粉质粘土 6.90 101.93 粉质粘土 0.85 297.00 粘土 7.07 109.00 粉土 2.62 299.62 粉砂 0.90 109.90 细砂 1.98 301.60 粘土 2.70 112.60 粘土 8.90 310.50 粉质粘土 1.87 114.47 钙质粘土 12.50 323.00 细砂 3.33 117.80 粘土 18.00 341.00 粉质粘土 0.60 118.40 钙质粘土 21.70 362.70 粉土 2.60 121.00 粉土 4.20 366.90 含砾泥质粗砂 0.6
24、9 121.69 粗砂 3.10 370.00 粘土 3.31 125.00 粘土 51.50 421.50 钙质粘土 1.14 126.14 粉土 9.00 430.50 细砂 5.86 132.00 细砂 5.60 436.10 含砾钙质层 2.80 134.80 粉质粘土 2.00 438.10 粗砂 5.70 140.50 钙质层 4.90 443.00 钙质层 3.25 143.75 粉质粘土 1.00 444.00 细砂 3.85 147.60 含砾中砂 1.30 445.30 粗砂 4.85 152.45 钙质层 7.70 453.00 钙质粘土 4.23 156.68 含砾粗砂
25、 2.78 455.78 粘土 2.32 159.00 钙质粘土 2.80 458.58 粉砂 1.00 160.00 细砂 2.38 460.96 细砂 1.50 161.50 粉质粘土 5.04 466.00 含砾中砂 2.78 164.28 粘土 13.10 479.10 粉砂 5.69 169.97 泥岩 1.90 481.00 粗砂 2.09 172.06 中砂岩 1.50 482.50 粘土 2.80 174.86 泥岩 2.00 484.50 粉质粘土 2.91 177.77 表 5.4 花园煤矿副井表土段地质情况 岩石名称 层厚（m）累厚（m）岩石名称 层厚（m）累厚（m）无芯
26、 9.10 9.10 粉土 1.32 179.09 粉质粘土 4.73 13.83 细砂 6.61 185.70 粉砂 3.17 17.00 粉质粘土 3.54 189.24 粘土 4.64 21.64 细砂 2.40 191.64 粉质粘土 0.99 22.63 粘土 3.68 195.32 粉砂 2.37 25.00 粉砂 9.68 205.00 粘土 1.50 26.50 粘土 15.94 220.94 粉质粘土 32.50 59.00 粉质粘土 16.56 237.50 细砂 4.99 63.99 粗砂 4.90 242.40 中砂 1.60 65.59 粘土 29.60 272.00
27、 粉土 6.56 72.15 细砂 6.91 278.91 细砂 2.30 74.45 粘土 8.59 287.50 粘土 7.22 81.67 粉土 1.80 289.30 粉质粘土 9.98 91.65 粘土 2.90 292.20 中砂 3.38 95.03 粉土 1.30 293.50 含砾粉质粘土 6.90 101.93 粉质粘土 1.75 295.25 粘土 7.07 109.00 粉土 0.90 296.15 粉砂 0.90 109.90 粉质粘土 0.85 297.00 粘土 2.70 112.60 粉土 2.62 299.62 粉质粘土 1.87 114.47 细砂 1.98
28、 301.60 细砂 3.33 117.80 粘土 8.90 310.50 粉质粘土 0.60 118.40 钙质粘土 12.50 323.00 粉土 2.60 121.00 粘土 18.00 341.00 含砾泥质粗砂 0.69 121.69 钙质粘土 21.70 362.70 粘土 3.31 125.00 粉土 4.20 366.90 钙质粘土 1.14 126.14 细砂 3.10 370.00 细砂 5.86 132.00 粘土 51.50 421.50 含砾钙质层 2.80 134.80 粉土 9.00 430.50 粗砂 5.70 140.50 细砂 5.60 436.10 钙质层
29、 3.25 143.75 粉质粘土 2.00 438.10 细砂 3.85 147.60 钙质层 4.90 443.00 粗砂 4.85 152.45 粉质粘土 1.00 444.00 砂质粘土 4.23 156.68 含砾中砂 1.30 445.30 粘土 2.32 159.00 钙质层 7.70 453.00 粉砂 1.00 160.00 含砾粗砂 2.78 455.78 细砂 1.50 161.50 钙质粘土 2.80 458.58 含砾中砂 2.78 164.28 细砂 2.38 460.96 粉砂 5.69 169.97 粉质粘土 5.04 466.00 粗砂 2.09 172.06
30、 粘土 13.10 479.10 粘土 2.80 174.86 泥岩 1.90 481.00 粉质粘土 2.91 177.77 中砂岩 1.50 482.50 5.2 主、副井井壁可缩装置的设计 5.2.1 可缩结构的位置与数量 根据主副井的地质情况，两井在表土层下部地质条件相差不大，初步选定井筒可缩装置的埋设位置为-470m(对应地层为粘土)。主井和副井均在-470m 埋设一层可缩装置。5.2.2 可缩装置的宽度 按主副井井壁结构的设计，可缩装置埋设处井壁厚度为：主井壁 750mm，外壁800mm；副井壁 850mm，外壁 850mm。考虑到施工误差，确定主副井可缩装置的缘直径分别为：455
31、0mm 和 5050mm，外缘直径分别为：5970mm 和 6670mm。可缩装置宽度w 分别为 710mm和 810mm。5.2.3 可缩装置的可缩量 根据可缩装置的几何特征，为了不使外壳体和中间钢管屈曲时“抵触”，按几何关系估算参考值并做适当调整，可缩装置净高 h 和宽度 w 需要满足：wwh389.021 (5-1)由于主副井井壁可缩装置宽度 w 分别为 710mm 和 810mm，所以对应可缩装置 的装置净高 h 分别需满足：276.2h mm 和315.1h mm。为提高可缩装置可缩量，允许外壳体和中间钢管完全屈曲时有适量“抵触”的情况下可将可缩装置净高 h 按管材规格取为 356m
32、m。根据层井壁厚度，可缩装置实际可缩量可按a(h-2t)计算(a为折算系数)，主井可缩装置折算系数可取为 0.8，副井可缩装置折算系数取为 0.85。5.2.4 可缩装置外壳厚度 按可缩装置设置在表土最深部进行设计，主副（1、2）井壁自重应力按下式计算：61225009.8479.1 11.738 10 GGghPa11.738 MPa (5-2)为确保壁安全，取可缩结构竖向最大承载力为井壁自重，则：121211.738crcrGGppMPa (5-3)在这里：w1=0.71m，w2=0.81m。按（4-2）计算外壳厚度 t，可得：t1=17.3mm，t2=19.5mm。考虑防腐要求，分别取为
33、 20mm 和 22mm。将 t 代入a(h-2t)可得主副井可缩装置的压缩量分别为：253mm 和 265mm。5.2.5 可缩装置其余部件及尺寸 可缩装置其余部件的尺寸按 4.2 取值。可缩装置的实际埋设位置需根据实际地质条件稍做调整。可缩装置初步加工图及技术要求见附图 18。主井可缩装置单重 13.924 吨。副井可缩装置单重 17.449 吨。6 现场安装照片 现场安装照片见图 6.1-6.3 图 6.1 管后焊接措施孔 6.2 可缩装置安装后和法兰及混凝土连接情况 6.3 可缩装置和钢筋焊接图 7 层可缩井壁装置费用概算 各单项费用与总费用见表 7.1。可缩装置的现场安装由施工单位负责，表中概算费用不含现场安装费用。表 7.1 层可缩井壁费用概算 专利费 设计费 加工费 单价(万元)20/个井筒 5/个井筒 1.1/t 数量 2 2 31.373t 小计(万元)40 10 34.510 总计(万元)40+10+34.510=84.510 1、实际井筒揭露地状图 466479，400420m 留样。2、保护层厚度 60mm 以何为准。3、模板真实外径是多少，比设计大多少。4、目前 400m 以下外壁真实径是多少。