园花煤矿主副井可缩装置方案初步设计-学位论文

PAGEPAGE1花园煤矿主副井内层可缩井壁井壁可缩装置方案初步设计目录1 工程背景 21.1 井壁竖向压裂 31.2 破裂时间集中 31.3 破裂位置集中 41.4 地质条件相近 41.5 地表明显下沉 42 井壁破裂机理 53 预防新建井发生井壁破裂灾害技术 53.1 增大井壁厚度，提高井壁材料强度，承受附加力 63.2 采用新型井壁结构，适应附加力 63.2.1 滑动可缩井壁 63.2.2 双层整体可缩井壁 63.2.3 双层内层可缩井壁 74 管板组合式井壁可缩装置 84.1 管板组合式井壁可缩装置简介 84.2 管板组合式井壁可缩装置的设计 104.3 管板组合式井壁可缩装置的现场应用情况 115 井壁可缩装置的设计 115.1 主、副井壁结构与井筒地质情况 115.2 主、副井井壁可缩装置的设计 145.2.1 可缩结构的位置与数量 145.2.2 可缩装置的宽度 145.2.3 可缩装置的可缩量 145.2.4 可缩装置内外壳厚度 145.2.5 可缩装置其余部件及尺寸 156 现场安装照片 157 内层可缩井壁装置费用概算 17工程背景自一九八七年以来，淮北、大屯、徐州、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。井壁竖向压裂图1.1典型井壁破裂展开图深厚表土层中的立井井壁发生破裂时，内壁混凝土成块剥落，纵筋向内弯曲，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1.2典型井壁破裂实物图破裂时间集中均发生于每年的4～10月份，大多集中于6～8月份。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）。地质条件相近图STYLEREF1\s1.3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5-粘土隔水层6-井壁7-深厚表土层破坏井筒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1.5—2‰左右。这种立井井壁破裂灾害影响范围之大，造成的后果之严重，在国内外都是前所未有的。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STYLEREF1\s1.SEQ表\*ARABIC\s11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葛店副井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张集主井徐州53兴隆庄东风井78车集副井4海孜西风井29张集副井徐州54杨村主井79车集南风井5临涣副井30沛城主井55杨村副井80车集北风井6临涣东风井31沛城副井56杨村南风井81陈四楼主井7临涣西风井32龙固副井徐州57杨村北风井82陈四楼副井8童亭主井33龙固主井徐州58南屯风井83东荣一矿主井9童亭副井34龙东主井59济宁三号矿风井84东荣一矿副井10童亭中央风井35龙东副井60济宁三号矿副井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东荣三矿主井15桃园风井40姚桥主井65太平副井济宁90东荣三矿副井16任楼主井41姚桥副井66太平主井济宁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杨庄主井济宁9420前岭中风井45付村主井70杨庄副井济宁9521祁南副井46鲍店主井71杨庄风井济宁9622张双楼主井47鲍店副井72田庄主井9723张双楼副井48鲍店北风井73田庄副井9824张双楼南风井49鲍店南风井74金桥副井9925三河尖主井50兴隆庄主井75葛店主井100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。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：井壁结构及其几何、物理、力学参数；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。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，此种方案只宜在表土较浅时采用。采用新型井壁结构，适应附加力图3.SEQ图\*ARABIC\s11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-内壁6-表土层7-基岩8-井筒中心线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。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；内外壁间设沥青滑动层，以消除内外壁间的刚性约束，减少附加力对内壁的影响并使内壁受力均匀、可知；内壁采用普通的钢筋混凝土结构，其外载是由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、井内装备无需可缩，但井壁施工工艺较复杂，造价较高。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内层井壁和外层井壁内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。图3.2双层整体可缩井壁结构示意1-内壁2-夹层3-外壁4-表土层5-内壁可缩层6-沥青缩层7-外壁可缩层8-基岩9-井筒中心线图3.3双层内层可缩井壁结构示意双层内层可缩井壁图3.3是根据冻结井壁受力和施工的特点而设计的双层内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内层井壁设置一个可缩接头。通过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，以免内壁遭受破坏。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、双层内层可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，而其中尤以双层内层可缩井壁结构施工最简单，造价最低，因此目前双层内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、河南吴桂桥煤矿有限公司主副井、淮南矿业集团丁集煤矿主副风井等矿井均得到了推广应用。管板组合式井壁可缩装置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、内壳体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，构成封闭环形结构；内壳体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双层内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1－中间钢管2－内壳体3－外壳体4－上下面板图4.41－中间钢管2－内壳体3－外壳体4－上下面板图4.5管板组合式可缩装置几何尺寸示意图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）是其设计的主要内容，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。(4-1)式中pcr—可缩结构竖向承载力，MPa；h—可缩结构净高，m；t—内外壳体厚度，m；w—可缩装置的宽度，m。由此得到：(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。然后根据可缩结构竖向设计承载力pcr计算出内外壳体厚度t。上下面板厚度tu可取与内外壳体同厚或略大，中间管子厚度tp应等于或略小于内外壳体厚度t。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：河南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）陈四楼煤矿南风井（新建、钻井井壁、已安装）、河南驻马店吴桂桥煤矿主副井（新建、已安装）山东巨野矿区郭屯煤矿主副风井（新建，未安装）。井壁可缩装置的设计主、副井壁结构与井筒地质情况花园煤矿主、副井基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/mm4500450045004500450045004500内壁厚度/mm400400600600750750750外壁厚度/mm400400600600800800800内壁砼标号C30C40C40C50C50C55C60外壁砼标号C30C40C40C50C50C55C60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/mm5000500050005000500050005000内壁厚度/mm450450650650850850850外壁厚度/mm450450650650850850850内壁砼标号C30C40C40C50C50C55C60外壁砼标号C30C40C40C50C50C55C60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9.109.10粉土1.32179.09粉质粘土4.7313.83细砂2.40191.64粉砂3.1717.00粘土3.68195.32粘土4.6421.64粉砂9.68205.00粉质粘土0.9922.63粘土15.94220.94粉砂2.3725.00粉质粘土16.56237.50粘土1.5026.50粗砂4.90242.40粉质粘土32.5059.00粘土29.60272.00细砂4.9963.99细砂6.91278.91中砂1.6065.59粘土8.59287.50粉土6.5672.15粉土1.80289.30细砂2.3074.45粘土2.90292.50粘土7.2281.67粉土1.30293.50粉质粘土9.9891.65粉质粘土1.75295.25中砂3.3895.03粉土0.90296.15含砾粉质粘土6.90101.93粉质粘土0.85297.00粘土7.07109.00粉土2.62299.62粉砂0.90109.90细砂1.98301.60粘土2.70112.60粘土8.90310.50粉质粘土1.87114.47钙质粘土12.50323.00细砂3.33117.80粘土18.00341.00粉质粘土0.60118.40钙质粘土21.70362.70粉土2.60121.00粉土4.20366.90含砾泥质粗砂0.69121.69粗砂3.10370.00粘土3.31125.00粘土51.50421.50钙质粘土1.14126.14粉土9.00430.50细砂5.86132.00细砂5.60436.10含砾钙质层2.80134.80粉质粘土2.00438.10粗砂5.70140.50钙质层4.90443.00钙质层3.25143.75粉质粘土1.00444.00细砂3.85147.60含砾中砂1.30445.30粗砂4.85152.45钙质层7.70453.00钙质粘土4.23156.68含砾粗砂2.78455.78粘土2.32159.00钙质粘土2.80458.58粉砂1.00160.00细砂2.38460.96细砂1.50161.50粉质粘土5.04466.00含砾中砂2.78164.28粘土13.10479.10粉砂5.69169.97泥岩1.90481.00粗砂2.09172.06中砂岩1.50482.50粘土2.80174.86泥岩2.00484.50粉质粘土2.91177.77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9.109.10粉土1.32179.09粉质粘土4.7313.83细砂6.61185.70粉砂3.1717.00粉质粘土3.54189.24粘土4.6421.64细砂2.40191.64粉质粘土0.9922.63粘土3.68195.32粉砂2.3725.00粉砂9.68205.00粘土1.5026.50粘土15.94220.94粉质粘土32.5059.00粉质粘土16.56237.50细砂4.9963.99粗砂4.90242.40中砂1.6065.59粘土29.60272.00粉土6.5672.15细砂6.91278.91细砂2.3074.45粘土8.59287.50粘土7.2281.67粉土1.80289.30粉质粘土9.9891.65粘土2.90292.20中砂3.3895.03粉土1.30293.50含砾粉质粘土6.90101.93粉质粘土1.75295.25粘土7.07109.00粉土0.90296.15粉砂0.90109.90粉质粘土0.85297.00粘土2.70112.60粉土2.62299.62粉质粘土1.87114.47细砂1.98301.60细砂3.33117.80粘土8.90310.50粉质粘土0.60118.40钙质粘土12.50323.00粉土2.60121.00粘土18.00341.00含砾泥质粗砂0.69121.69钙质粘土21.70362.70粘土3.31125.00粉土4.20366.90钙质粘土1.14126.14细砂3.10370.00细砂5.86132.00粘土51.50421.50含砾钙质层2.80134.80粉土9.00430.50粗砂5.70140.50细砂5.60436.10钙质层3.25143.75粉质粘土2.00438.10细砂3.85147.60钙质层4.90443.00粗砂4.85152.45粉质粘土1.00444.00砂质粘土4.23156.68含砾中砂1.30445.30粘土2.32159.00钙质层7.70453.00粉砂1.00160.00含砾粗砂2.78455.78细砂1.50161.50钙质粘土2.80458.58含砾中砂2.78164.28细砂2.38460.96粉砂5.69169.97粉质粘土5.04466.00粗砂2.09172.06粘土13.10479.10粘土2.80174.86泥岩1.90481.00粉质粘土2.91177.77中砂岩1.50482.50主、副井井壁可缩装置的设计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。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：主井内