大直徑立井井壁結構及井筒斷面布置方式的選擇

殷軍練

（煤炭工業太原設計研究院，山西太原 030001）

大直徑立井井壁結構及井筒斷面布置方式的選擇

殷軍練

（煤炭工業太原設計研究院，山西太原 030001）

根據麻家梁礦井主立井井筒所穿過巖層的工程地質條件，分析了井筒施工方法的選擇和井壁結構的設計，并根據礦井建設規模及選定的提升設備，對井筒斷面布置進行了優化。

大直徑立井；厚沖積層；凍結法；井壁結構；井筒斷面布置

麻家梁礦井田范圍內地勢平坦開闊，為厚層新生界沉積物所覆蓋，總體為西南高、東北低，地面標高一般在+1 080～1 200 m之間。礦井建設規模10.0 Mt/a，采用立井開拓，中央并列式通風系統。礦井投產時共布置三個井筒，分別為主立井、副立井及回風立井，三個井筒均處于同一工業場地內，其中主立井井筒凈直徑9.0 m，井深602.8 m。井筒內裝備兩對45 t外動力卸載四繩提煤箕斗及梯子間，擔負礦井的煤炭提升任務兼作進風井及安全出口。

1 井筒地質概況

根據主立井井筒檢查鉆孔地質報告，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、粉砂質粘土、粘土為主，夾2-4層5～6 m厚的中細砂層。該組巖層手捏成團，輕碰易散，無塑性，含砂質顆粒；第三系上新統沉積層：厚度120.4 m，巖性以褐黃色、紫紅色粉砂質粘土、中砂、粘土為主，夾2-3層似層狀鈣質結核層及砂礫層，土質較堅硬，呈半固結狀態；二疊系上統上石盒子組：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、淺灰綠色粉砂質泥巖為主；二疊系下統下石盒子組：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；二疊系下統山西組：主要含煤地層，厚度69 m，巖性以灰色、深灰色砂質泥巖、粉砂質泥巖、粗粒砂巖、細粒砂巖為主；石炭系上統太原組：主要含煤地層，厚度92.1 m，巖性以深灰色砂質泥巖、泥巖、粉砂質泥巖，灰白色中粒砂巖、褐灰色細粒砂巖為主。

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，含5～6 m的流沙層。

2 井壁結構的選擇

2.1 井筒施工方法的選擇

根據井筒檢查孔資料，主立井井筒穿過新生界松散層厚度約為275.9 m。目前，國內在松散層較深厚的地區建井，較為可靠而又行之有效的方法為凍結法和鉆井法。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，含5～6 m的流沙層。主立井井筒沖積層段最大掘進直徑達12.65 m，經論證，確定本礦井主立井井筒沖積層及風化基巖段采用凍結法，基巖段采用普通鑿井法施工[1-3]。

2.2 井壁結構類型的選擇

近年來，隨著煤炭工業的發展，許多松散地層深厚的礦區相繼開發，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度遠遠不能滿足井筒施工和使用的要求，故對于一些松散地層深厚區域，凍結法施工的立井井筒常采用復合井壁結構。然而鋼板與鋼筋混凝土復合井壁、鑄鐵丘賓筒井壁結構在國外有過應用先例，但由于其工程造價高、施工工藝復雜、操作難度大、而且防水效果不理想等缺點，在國內應用較少[4-6]。設計根據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，且含有流砂層等特點，結合國內施工經驗，本礦井主立井松散層及風化基巖段井壁結構采用雙層高強度鋼筋混凝土塑料夾層復合井壁結構，即內外層鋼筋混凝土井壁，外層井壁與井幫凍土之間鋪設厚25 mm的聚苯乙烯泡沫塑料板，內外層井壁之間設置兩層聚乙烯塑料薄板（每層厚1.5 mm）。

雙層高強度鋼筋混凝土塑料夾層復合井壁結構具有以下優點：a.在外層井壁與井幫凍土之間鋪設厚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的初期凍結壓力對井壁的破壞，起到緩卸壓作用，避免了由于混凝土早期強度不足而遭受破壞；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。b.聚乙烯泡沫塑料板的導熱系數很小，起到了隔熱保溫作用，減少了凍土對井壁混凝土的影響，改善了混凝土井壁的養護溫度，有利于提高井壁的強度。在內外層井壁之間鋪設了兩層聚乙烯塑料板（每層厚度1.5 mm）有效防止了內層井壁由于溫度變化產生裂縫，對防止井壁漏水起到非常好的作用。c.選用高強度鋼筋混凝土結構，井壁強度大，抗壓效果好，安全可靠。

2.3 壁座層位的選擇

壁座層位應選擇在淺部穩定基巖中，以減少凍結段井壁深度，同時能承托上部井壁及壁座自身的重量，設計壁座形式為整體澆注三層鋼筋混凝土結構，在保證混凝土強度安全的情況下，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 凍結深度的確定

根據有關規程規范要求，結合主立井井筒基巖風化帶深度，為了保證沖擊層及風化基巖段井筒施工和使用的安全，要求凍結深度應伸入不透水的穩定基巖10 m以上[4]，綜合考慮凍結段井筒壁座的位置及凍結孔底無效凍結段等因素，最終將凍結深度確定為386 m。

2.5 井壁厚度的確定

設計在保證井筒使用安全的前提下，本著節省材料，加快施工進度，減少建井費用的原則，根據已確定的凍結深度、巖性、凍結強度等主要因素對井壁厚度進行分段計算，井壁厚度采用以下公式進行計算：

式中：h為井壁厚度，mm；r為井筒凈半徑，mm；fc為混凝土強度設計值的設計強度，N/mm2；vk為結構計算載荷系數；P為計算深度處井壁所承受的側壓力，MPa。

設計對內外層井壁厚度分別分段進行了計算，其中內層井壁厚度計算時，側向壓力按靜水壓力考慮：Ps=0.01H，MPa；外層井壁厚度計算時，側向壓力按凍結壓力考慮：Pd=0.005H+1.0，MPa。由于目前所采用的凍結壓力計算公式均為經驗公式，根據國內外凍結井筒實際情況，不同地區、同樣深度的土層凍結壓力存在一定的差異，設計參考條件相似礦井實測凍結壓力對本礦井凍結壓力取值進行了校核，為了確保井筒施工和使用安全，設計利用計算深度處井壁所受的水土壓力對內外層井壁的總厚度進行校核，Pst=0.013H，MPa，以上各計算公式中H均為井壁計算處的深度。凍結段井壁厚度計算結果，如表1所示。

3 井筒斷面布置

設計主立井井筒斷面布置科學合理，具有以下優點：a.井筒內四個箕斗“一”字型排開布置，通過兩套獨立的外動力液壓開閉裝置卸載四繩提煤箕斗，實現井下異側裝載、地面同側卸載。b.一個井筒內布置兩套提升設備，在提高了井筒的提升能力的同時，單個箕斗容積適中，減小了整個提升系統的設計難度，減少了設備投資。c.通過對兩對箕斗單獨控制，實現“異側裝載、同側卸載”，減少了一個地面受煤倉，原煤皮帶由兩條簡化為一條，簡化了地面生產系統。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 結束語

認真分析井筒檢查鉆孔資料的基礎上，在主立井井壁結構和斷面布置的設計過程中，采用雙層高強度鋼筋混凝土塑料夾層復合井壁，通過采用高強度混凝土在不增加井壁厚度的同時提高了井壁的強度，增加的井筒的安全性。兩對箕斗“一”字形布置，通過外動力液壓裝置實現井下異側裝載、地面同側卸載技術在國內外煤炭行業處于領先水平。麻家梁礦井主立井井壁結構及井筒斷面布置方式為厚沖積層超大直徑立井井壁結構的設計及井筒斷面布置方式的選擇提供了一套成功的設計經驗，具有較強的推廣價值。

[1]路耀華.中國煤礦建井技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，1995.

[2]張榮立，何國緯，李鐸.采礦工程設計手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2003.

[3]王建平，靖洪文，劉志強.礦山建設工程[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[4]中國煤炭建設協會.煤礦立井井筒及硐室設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2007.

[5]翁家杰.井巷特殊施工[M].徐州：中國礦業大學出版社，2004.

[6]楊俊杰.深厚表土地層條件下的立井井壁結構[M].北京：科學出版社，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，大學本科，工程師，從事煤炭工程設計工作。