花园煤矿主副井可缩装置方案初步.docx
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花园煤矿主副井可缩装置方案初步
花园煤矿主副井可缩装置方案初步
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
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双层内层可缩井壁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可缩装置内外壳厚度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内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，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。
1.1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
1.2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。
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
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
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1.5—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
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
94
20
前岭中风井
45
付村主井
70
杨庄副井济宁
95
21
祁南副井
46
鲍店主井
71
杨庄风井济宁
96
22
张双楼主井
47
鲍店副井
72
田庄主井
97
23
张双楼副井
48
鲍店北风井
73
田庄副井
98
24
张双楼南风井
49
鲍店南风井
74
金桥副井
99
25
三河尖主井
50
兴隆庄主井
75
葛店主井
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，此种方案只宜在表土较浅时采用。
3.2采用新型井壁结构，适应附加力
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-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。
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；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。
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
3.2.3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。
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、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
图4.4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。
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：
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）。
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
内壁厚度/mm
400
400
600
600
750
750
750
外壁厚度/mm
400
400
600
600
800
800
800
内壁砼标号
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
内壁厚度/mm
450
450
650
650
850
850
850
外壁厚度/mm
450
450
650
650
850
850
850
内壁砼标号
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
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
295.25
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
0.69
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
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
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
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
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
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
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
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