封閉井筒內受力密閉墻設置問題的分析與探討

韓 勇

（山西中遠設計工程有限公司，山西 太原 030001）

根據國務院國發[2016]7號文件，山西華潤煤業有限公司大雁煤礦屬于有序退出煤炭行業的范圍。山西華潤煤業有限公司大雁煤礦自愿接受煤礦關閉決定和關閉煤礦“以獎代補”標準，永久關閉所屬煤礦。

為了保證關閉工作的順利進行，確保礦井關閉后對周邊無水患及其它安全影響，關鍵環節是要做好井筒封閉工作。而井筒封閉的關鍵環節是充填段下部受力密閉墻的設置，本文以此為研究對象，對該工程問題進行分析與探討。

1 井筒特征

該礦需要封閉的共三個井筒，即主斜井、副斜井和回風斜井。井筒特征見表1。

表1 井筒特征表

2 井筒封閉方案比較

根據礦井實際工程地質情況，提出兩種封閉方案，方案Ⅰ：充填密閉封閉井筒；方案Ⅱ：爆破封閉井筒，兩種方案優缺點比較見表2。

表2 方案優缺點比較表

通過對上述兩個方案的分析比較，可知方案Ⅰ優于方案Ⅱ，故礦井關閉方案采用方案Ⅰ，即充填密閉封閉井筒。根據煤礦安全規程：報廢的斜井應填實或在井口以下斜長20m處砌筑1座磚、石或混凝土墻，再用泥土填至井口，并加砌封墻[1]。因此本礦井井筒充填采用泥土全斷面填充，填實長度不小于20m。

3 受力密閉墻的設置方式

受力密閉墻設置有如下兩種方式，方式Ⅰ：混凝土砌筑承重墻；方案Ⅱ：縱橫工字鋼網+料石；二者優缺點對比見表3。

通過對上述兩種設置方式的分析比較，方式Ⅱ優于方式Ⅰ，因此受力密閉墻采用“縱橫工字鋼網+料石”的方式。

表3 方案優缺點比較表

具體設置參數如下：考慮該礦實際表土段厚度，確定“縱橫工字鋼網+料石”密閉墻設置在斜井井口下22m處（滿足規程充填段不小于20m的規定），采用I25b工字鋼梁，相鄰兩根梁布置中心線間距為700mm，沿井筒斷面縱向橫向各布置一排，工字鋼之間采用12號鉛絲雙道綁扎為整體，再用料石砌筑封閉，最終形成密集型工字鋼梁網狀擋墻結構。工字鋼梁通過梁窩方式架設。

4 “縱橫工字鋼網+料石”密閉墻承載力的計算

主斜井、副斜井、回風斜井井口第一道密閉墻均采用鋼筋混凝土結構；井筒內第二道密閉墻，采用“I25b縱橫工字鋼網+料石”，第二道密閉墻為受力密閉墻，需要對其進行受力計算，以下對網中的工字鋼梁進行強度、撓度驗算。

4.1 強度計算

密集型工字鋼梁上部承受載荷，其上部全部填充物重力沿井筒方向的分力，計算考慮填充密實均勻情況下，則作用在工字鋼梁上力為均布載荷，故工字鋼梁校核力學模型為兩端簡支梁均布載荷模型，如圖1所示。具體計算如下：

圖1 工字鋼梁計算力學模型

1）梁的正應力強度計算。

根據受力情況，當間距為700mm時，進行驗算。根據《采礦工程設計手冊》132頁公式[2]：工字鋼梁的最大彎矩為：

支座反力：

式中：γ為填充材料容重，kg/m3；l為梁長，m；L2井筒填充段長度，m；A萬井筒斷面，m2；θ為井筒傾角，°

根據公式：

[σ]≥M/W，得出W，單位為mm3,

式中：Q235 工字鋼[σ]取 215N/mm2。

經計算：

對于主斜井：W≥267.21 mm3＜423mm3；允許最大工字鋼間距計算：當采用I25b工字鋼，d1max=0.7×（423/267.21）=1.58m＞0.7m

副斜井：W≥194.49 mm3＜423mm3；d2max=0.7×（423/194.49）=1.52m＞0.7m

回風斜井：W≥183.49 mm3＜423mm3；d3max=0.7×（423/183.49）=1.61m＞0.7m

故采用700mm間距，滿足要求。根據《鋼結構設計規范》GB 50017-2003由上述W值選擇梁的規格[3]，查表知工字鋼梁I25b的W值為423mm3，選用工字鋼梁I25b滿足要求。

2）工字鋼梁截面如圖2所示，其受剪計算如下。

根據梁的受剪計算公式：

式中：F為橫截面上的剪力，單位kN；S為所求剪應力作用層以上或以下部分的橫截面面積對中性軸的面積矩，單位mm3；I為橫截面對中性軸的慣性矩，單位mm4；b為所求剪應力作用層處的截面寬度，單位mm。

作用層以上或以下部分的橫截面積矩計算公式：

式中：B、T、H、b、h、h1單位均為 mm。

圖2 工字鋼梁截面圖

將以上已知數值套入剪應力計算公式即可得出τ值，

經計算：

主斜井：τ=48.82N/mm2≤[τ]=125 N/mm2，

副斜井：τ=38.14N/mm2≤[τ]=125 N/mm2，

回風斜井：τ=49.96N/mm2≤[τ]=125 N/mm2，

設計選用I25b工字鋼，滿足強度要求。

4.2 撓度驗算

簡支梁均布荷載下的最大撓度發生在梁的跨中，其計算公式：

式中：y為為梁跨中的最大撓度 (mm)；q為均布線荷載標準值（kN/m）；E為鋼的彈性模量，2.06×105MPa；I為鋼的截面慣矩，m4；

經計算：

主斜井：ymax=0.0044＜ L/400=4.0/400=0.0100m

副斜井：ymax=0.0019＜ L/400=3.4/400=0.0085m

回風斜井：ymax=0.0008＜L/400=3.0/400=0.0075m

故選用I25b工字鋼，滿足撓度要求。

經過驗算，受力密閉墻采用“I25b縱橫工字鋼網+料石”的設置方式，滿足工程要求。

5 井筒封閉方案

5.1 工作順序

1）井筒內外附屬設備回撤→臨時柵欄（掛牌）；

2）在斜井內構筑第二道密閉墻（在井筒內掏梁窩，并架設縱橫工字鋼網，間距700mm）→充填22m井筒→在井口構筑第一道密閉墻；

3）礦井井口封閉工作全面驗收。

5.2 要求

1）架設工字鋼網時需掏梁窩，保證梁兩側沒入深度為0.3m以上。

2）密閉處5m內井筒原砌碹支護層完好，無片幫、冒頂。

3）無裂縫、重縫和空縫，墻體不漏風。

6 結論

1）通過井筒實際工程地質情況，分析比較并確定了井筒封閉的方案。

2）通過方案比較分析并通過理論計算確定了受力密閉墻的設置方式，最終確定為“I25b縱橫工字鋼網+料石”密閉墻。

3）以上工程實例對相同工程問題的關閉礦井具有借鑒意義。