葫蘆素礦井西翼風井井壁結構設計思考

蘇廣寧

摘要：本文根據葫蘆素礦井西翼風井主要為基巖凍結的實際情況，結合該地區建井經驗，提出了進一步減小水壓折減系數，取消內外壁之間的塑料薄板、使內外壁成為整體，采用單層井壁三種減薄井壁厚度的思路，以供探討。

關鍵詞：葫蘆素礦井西翼風井；井壁結構；設計

一、工程及地質概況

葫蘆素礦井位于東勝煤田呼吉爾特礦區，地處內蒙古自治區鄂爾多斯市境內。葫蘆素礦井西翼風井井筒凈直徑為5.5m，井口標高±0.00m（絕對標高+1308.5m），井底相對標高為-650.0m（絕對標高為+658.5m），井筒落底于2-1煤頂板。

井筒穿過的地層地質及水文地質情況如下：

（一）地質條件

井筒穿過的地層從上到下依次為第四系松散層、白堊系和侏羅系煤系地層。各地層參數見表1。

（二）水文地質情況

第四系水位絕對標高+1305.92m，鉆孔單位涌水量q=2.198～3.449L/s.m，含水層富水性強。白堊系含水層水位絕對標高+1310m，鉆孔單位涌水量q=0.302～0.304L/s.m，富水性中等。侏羅系中統安定組水位絕對標高為+1307.14m，鉆孔單位涌水量q=0.0225～0.0229L/s.m，含水層富水性弱。侏羅系中統直羅組、延安組含水層水位絕對標高+1292.46m，鉆孔單位涌水量q=0.0333～0.0345L/s.m，含水層富水性弱。

二、按現行規范井壁結構設計情況

葫蘆素西翼風井采用全深凍結法施工。井筒采用聚乙烯塑料薄板夾層雙層鋼筋混凝土井壁結構。根據《煤礦立井井筒及硐室設計規范》，內層井壁按靜水壓力計算，其中基巖凍結段（白堊系下部及侏羅系）考慮0.81的折減系數。外層井壁按承受凍結壓力計算，表土段凍結壓力按規范取值，基巖段無計算公式，參考表土段厚度，按臨時支護考慮。各段井壁厚度取值見表2。

井筒-650m處采用C75混凝土內層井壁厚度達到1.0m，總壁厚達到1.3m，若采用C65混凝土內層井壁厚度將達到1.2m，總壁厚將達到1.5m，掘砌效率低下，而且井壁厚度大，混凝土澆筑時水化熱大、施工質量難以保障。

三、井壁結構設計的幾點思考

目前，凍結立井井壁設計依據是《煤礦立井井筒及硐室設計規范》和《煤礦凍結法開鑿立井工程技術規范》。《規范》中凍結法井壁設計理論主要適用于東部地區表土沖積層和流沙層等不穩定地層，以及基巖風化帶和接近風化帶的強含水層。

西部地區與東部地區的礦井水文與工程地質不盡相同，主要為：新生屆地層：西部地區新生界地層均較淺（多在100m以淺）；中生屆地層：西部地區中生屆地層多為以白堊系和侏羅系為主的軟巖地層。總體來看，西部地區多為基巖凍結。

本次根據葫蘆素礦井西翼風井主要為基巖凍結的特點，從進一步減小水壓折減系數，取消內外壁之間的塑料薄板、使內外壁成為整體，采用單層井壁三個方面對-460m以深井壁結構進行探討。

（一）進一步減小水壓折減系數

根據本區地層巖性及含水情況，同時考慮壁間注漿，并參考相關資料，新上海廟回風立井-411m處實測水壓為2.618MPa，約為0.7倍的靜水壓力。因此，葫蘆素西翼風井-460m以深，計算內層井壁厚度時，水壓折減系數按0.7考慮。

經計算，內層井壁混凝土強度等級取C75，計算厚度為0.76m，設計取0.8m，井壁總厚度為1.1m，與原井壁厚度相比，可減少0.2m。

（二）取消內外壁之間的塑料薄板、使內外壁成為整體

中國礦業大學的研究表明，在水泥水化熱的作用下，一般情況下內層井壁的溫度在砌筑后1d～2d左右升至峰值（約40℃～80℃，內壁越厚，峰值溫度越高），隨后內壁溫度下降，內壁產生冷縮。內壁由于受外壁的約束不能自由收縮而產生約束溫度應力。在該約束溫度應力作用下，內壁易出現近水平裂縫。

本次考慮取消內外壁之間的塑料薄板，在內層井壁使用補償收縮混凝土，內壁混凝土凝固過程中，基本不產生冷縮，可有效避免溫度應力作用時產生的裂縫。同時，考慮采用補償收縮混凝土后，內外壁澆筑為整體共同受力。

內外壁澆筑為整體后，直接與圍巖接觸，受力情況發生變化，井壁荷載按現行規范中公式計算，如下：

P=γHtan2（45°-φn/2）。

式中：γ——巖層重力密度（MN/m3），取0.024；

H——巖層厚度（m）；

φn——為內摩擦角，取36°。

根據計算，-650m處井壁混凝土強度等級取C65，計算總厚度為0.78m，設計取0.8m。

考慮內外壁為分次施工，外壁厚度取0.3m，內壁厚度取0.5m，總厚度為0.8m，與原井壁厚度相比，可減少0.7m。

（三）采用單層井壁結構

葫蘆素礦井中央風井采用了單層凍結井壁結構，為防止單層井壁接茬處漏水，增加了井壁接茬止水鋼板，并采取了壁后有效注漿堵水措施，確保井筒封水效果。該井筒于2013年底竣工，井筒涌水量控制在5m3/h以內，達到了預期效果。該井筒凈直徑為8.0m，-650m處單層井壁厚度為1.0m，混凝土強度等級為C65。根據與中央風井類比，葫蘆素西翼風井若采用單層井壁結構，混凝土強度等級取C65，厚度為0.69m，設計取0.7m，與原井壁厚度相比，可減少0.8m。

四、結語

根據葫蘆素礦井西翼風井主要為基巖凍結的實際情況，結合該地區建井經驗，提出了幾種減薄井壁的思路，由于理論支撐不足，西部區域凍結立井井壁受力機理和厚度計算方法尚不明確，本文觀點只做探討。可以肯定，西部地區井壁受力機理和建井理論的完善是非常重要且復雜的科研問題，期待科研、設計單位共同努力，使問題得以解決。

參考文獻：

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[3]GB 50384-2016，煤礦立井井筒及硐室設計規范[S].