封閉井筒內(nèi)受力密閉墻設(shè)置問題的分析與探討

韓 勇

（山西中遠(yuǎn)設(shè)計工程有限公司，山西 太原 030001）

根據(jù)國務(wù)院國發(fā)[2016]7號文件，山西華潤煤業(yè)有限公司大雁煤礦屬于有序退出煤炭行業(yè)的范圍。山西華潤煤業(yè)有限公司大雁煤礦自愿接受煤礦關(guān)閉決定和關(guān)閉煤礦“以獎代補(bǔ)”標(biāo)準(zhǔn)，永久關(guān)閉所屬煤礦。

為了保證關(guān)閉工作的順利進(jìn)行，確保礦井關(guān)閉后對周邊無水患及其它安全影響，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是要做好井筒封閉工作。而井筒封閉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是充填段下部受力密閉墻的設(shè)置，本文以此為研究對象，對該工程問題進(jìn)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(fēng)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(jù)礦井實際工程地質(zhì)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(yōu)缺點比較見表2。

表2 方案優(yōu)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(yōu)于方案Ⅱ，故礦井關(guān)閉方案采用方案Ⅰ，即充填密閉封閉井筒。根據(jù)煤礦安全規(guī)程：報廢的斜井應(yīng)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(shè)置方式

受力密閉墻設(shè)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(wǎng)+料石；二者優(yōu)缺點對比見表3。

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

表3 方案優(yōu)缺點比較表

具體設(shè)置參數(shù)如下：考慮該礦實際表土段厚度，確定“縱橫工字鋼網(wǎng)+料石”密閉墻設(shè)置在斜井井口下22m處（滿足規(guī)程充填段不小于20m的規(guī)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(wǎng)狀擋墻結(jié)構(gòu)。工字鋼梁通過梁窩方式架設(shè)。

4 “縱橫工字鋼網(wǎng)+料石”密閉墻承載力的計算

主斜井、副斜井、回風(fēng)斜井井口第一道密閉墻均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；井筒內(nèi)第二道密閉墻，采用“I25b縱橫工字鋼網(wǎng)+料石”，第二道密閉墻為受力密閉墻，需要對其進(jìn)行受力計算，以下對網(wǎng)中的工字鋼梁進(jìn)行強(qiáng)度、撓度驗算。

4.1 強(qiáng)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(xué)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(xué)模型

1）梁的正應(yīng)力強(qiáng)度計算。

根據(jù)受力情況，當(dāng)間距為700mm時，進(jìn)行驗算。根據(jù)《采礦工程設(shè)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(jù)公式：

[σ]≥M/W，得出W，單位為mm3,

式中：Q235 工字鋼[σ]取 215N/mm2。

經(jīng)計算：

對于主斜井：W≥267.21 mm3＜423mm3；允許最大工字鋼間距計算：當(dāng)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(fēng)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(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50017-2003由上述W值選擇梁的規(guī)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(jù)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(yīng)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(yīng)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(shù)值套入剪應(yīng)力計算公式即可得出τ值，

經(jīng)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(fēng)斜井：τ=49.96N/mm2≤[τ]=125 N/mm2，

設(shè)計選用I25b工字鋼，滿足強(qiáng)度要求。

4.2 撓度驗算

簡支梁均布荷載下的最大撓度發(fā)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(biāo)準(zhǔn)值（kN/m）；E為鋼的彈性模量，2.06×105MPa；I為鋼的截面慣矩，m4；

經(jīng)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(fēng)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(jīng)過驗算，受力密閉墻采用“I25b縱橫工字鋼網(wǎng)+料石”的設(shè)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(nèi)外附屬設(shè)備回撤→臨時柵欄（掛牌）；

2）在斜井內(nèi)構(gòu)筑第二道密閉墻（在井筒內(nèi)掏梁窩，并架設(shè)縱橫工字鋼網(wǎng)，間距700mm）→充填22m井筒→在井口構(gòu)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(shè)工字鋼網(wǎng)時需掏梁窩，保證梁兩側(cè)沒入深度為0.3m以上。

2）密閉處5m內(nèi)井筒原砌碹支護(hù)層完好，無片幫、冒頂。

3）無裂縫、重縫和空縫，墻體不漏風(fēng)。

6 結(jié)論

1）通過井筒實際工程地質(zhì)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(shè)置方式，最終確定為“I25b縱橫工字鋼網(wǎng)+料石”密閉墻。

3）以上工程實例對相同工程問題的關(guān)閉礦井具有借鑒意義。