大直径立井井壁结构及井筒断面布置方式的选择

殷军练

（煤炭工业太原设计研究院，山西太原 030001）

大直径立井井壁结构及井筒断面布置方式的选择

殷军练

（煤炭工业太原设计研究院，山西太原 030001）

根据麻家梁矿井主立井井筒所穿过岩层的工程地质条件，分析了井筒施工方法的选择和井壁结构的设计，并根据矿井建设规模及选定的提升设备，对井筒断面布置进行了优化。

大直径立井；厚冲积层；冻结法；井壁结构；井筒断面布置

麻家梁矿井田范围内地势平坦开阔，为厚层新生界沉积物所覆盖，总体为西南高、东北低，地面标高一般在+1 080～1 200 m之间。矿井建设规模10.0 Mt/a，采用立井开拓，中央并列式通风系统。矿井投产时共布置三个井筒，分别为主立井、副立井及回风立井，三个井筒均处于同一工业场地内，其中主立井井筒净直径9.0 m，井深602.8 m。井筒内装备两对45 t外动力卸载四绳提煤箕斗及梯子间，担负矿井的煤炭提升任务兼作进风井及安全出口。

1 井筒地质概况

根据主立井井筒检查钻孔地质报告，井筒自上而下穿过的地层分别为：第四系松散沉积层，厚度155.50 m，岩性以褐黄色、褐红色、黄褐色粉砂土、粉砂质粘土、粘土为主，夹2-4层5～6 m厚的中细砂层。该组岩层手捏成团，轻碰易散，无塑性，含砂质颗粒；第三系上新统沉积层：厚度120.4 m，岩性以褐黄色、紫红色粉砂质粘土、中砂、粘土为主，夹2-3层似层状钙质结核层及砂砾层，土质较坚硬，呈半固结状态；二叠系上统上石盒子组：厚度54.8 m，岩性以灰色含砾粗砂岩、紫红色泥岩、灰白色含砾粗砂岩、浅灰绿色粉砂质泥岩为主；二叠系下统下石盒子组：厚度123.5 m，岩性以灰白色含砾粗砂岩、浅灰色泥岩、灰白色中粒砂岩，中粉砂岩为主；二叠系下统山西组：主要含煤地层，厚度69 m，岩性以灰色、深灰色砂质泥岩、粉砂质泥岩、粗粒砂岩、细粒砂岩为主；石炭系上统太原组：主要含煤地层，厚度92.1 m，岩性以深灰色砂质泥岩、泥岩、粉砂质泥岩，灰白色中粒砂岩、褐灰色细粒砂岩为主。

井筒所穿过的新生界上部孔隙含水层厚约84.50 m，为一孔隙潜水含水层，富水性较强，含5～6 m的流沙层。

2 井壁结构的选择

2.1 井筒施工方法的选择

根据井筒检查孔资料，主立井井筒穿过新生界松散层厚度约为275.9 m。目前，国内在松散层较深厚的地区建井，较为可靠而又行之有效的方法为冻结法和钻井法。由于本矿井主立井井筒所穿过的新生界松散层较厚，且松散层上部孔隙含水层富水性较强，含5～6 m的流沙层。主立井井筒冲积层段最大掘进直径达12.65 m，经论证，确定本矿井主立井井筒冲积层及风化基岩段采用冻结法，基岩段采用普通凿井法施工[1-3]。

2.2 井壁结构类型的选择

近年来，随着煤炭工业的发展，许多松散地层深厚的矿区相继开发，井筒需承受深厚松散层施加的巨大压力，单纯依靠混凝土的强度远远不能满足井筒施工和使用的要求，故对于一些松散地层深厚区域，冻结法施工的立井井筒常采用复合井壁结构。然而钢板与钢筋混凝土复合井壁、铸铁丘宾筒井壁结构在国外有过应用先例，但由于其工程造价高、施工工艺复杂、操作难度大、而且防水效果不理想等缺点，在国内应用较少[4-6]。设计根据麻家梁矿井主立井井筒直径大、井筒所穿过的松散层非常厚，富水性较强，且含有流砂层等特点，结合国内施工经验，本矿井主立井松散层及风化基岩段井壁结构采用双层高强度钢筋混凝土塑料夹层复合井壁结构，即内外层钢筋混凝土井壁，外层井壁与井帮冻土之间铺设厚25 mm的聚苯乙烯泡沫塑料板，内外层井壁之间设置两层聚乙烯塑料薄板（每层厚1.5 mm）。

双层高强度钢筋混凝土塑料夹层复合井壁结构具有以下优点：a.在外层井壁与井帮冻土之间铺设厚25 mm的聚苯乙烯泡沫塑料板能够有效防止粘土层迅速增长的初期冻结压力对井壁的破坏，起到缓卸压作用，避免了由于混凝土早期强度不足而遭受破坏；泡沫塑料板的弹性和可压缩性在一定程度上减小了不均匀压力，改善了井筒外壁的受力状态。b.聚乙烯泡沫塑料板的导热系数很小，起到了隔热保温作用，减少了冻土对井壁混凝土的影响，改善了混凝土井壁的养护温度，有利于提高井壁的强度。在内外层井壁之间铺设了两层聚乙烯塑料板（每层厚度1.5 mm）有效防止了内层井壁由于温度变化产生裂缝，对防止井壁漏水起到非常好的作用。c.选用高强度钢筋混凝土结构，井壁强度大，抗压效果好，安全可靠。

2.3 壁座层位的选择

壁座层位应选择在浅部稳定基岩中，以减少冻结段井壁深度，同时能承托上部井壁及壁座自身的重量，设计壁座形式为整体浇注三层钢筋混凝土结构，在保证混凝土强度安全的情况下，尽量减少壁座段高度及厚度，以减少壁座自重，有利于井筒施工和使用安全[4]。

2.4 冻结深度的确定

根据有关规程规范要求，结合主立井井筒基岩风化带深度，为了保证冲击层及风化基岩段井筒施工和使用的安全，要求冻结深度应伸入不透水的稳定基岩10 m以上[4]，综合考虑冻结段井筒壁座的位置及冻结孔底无效冻结段等因素，最终将冻结深度确定为386 m。

2.5 井壁厚度的确定

设计在保证井筒使用安全的前提下，本着节省材料，加快施工进度，减少建井费用的原则，根据已确定的冻结深度、岩性、冻结强度等主要因素对井壁厚度进行分段计算，井壁厚度采用以下公式进行计算：

式中：h为井壁厚度，mm；r为井筒净半径，mm；fc为混凝土强度设计值的设计强度，N/mm2；vk为结构计算载荷系数；P为计算深度处井壁所承受的侧压力，MPa。

设计对内外层井壁厚度分别分段进行了计算，其中内层井壁厚度计算时，侧向压力按静水压力考虑：Ps=0.01H，MPa；外层井壁厚度计算时，侧向压力按冻结压力考虑：Pd=0.005H+1.0，MPa。由于目前所采用的冻结压力计算公式均为经验公式，根据国内外冻结井筒实际情况，不同地区、同样深度的土层冻结压力存在一定的差异，设计参考条件相似矿井实测冻结压力对本矿井冻结压力取值进行了校核，为了确保井筒施工和使用安全，设计利用计算深度处井壁所受的水土压力对内外层井壁的总厚度进行校核，Pst=0.013H，MPa，以上各计算公式中H均为井壁计算处的深度。冻结段井壁厚度计算结果，如表1所示。

3 井筒断面布置

设计主立井井筒断面布置科学合理，具有以下优点：a.井筒内四个箕斗“一”字型排开布置，通过两套独立的外动力液压开闭装置卸载四绳提煤箕斗，实现井下异侧装载、地面同侧卸载。b.一个井筒内布置两套提升设备，在提高了井筒的提升能力的同时，单个箕斗容积适中，减小了整个提升系统的设计难度，减少了设备投资。c.通过对两对箕斗单独控制，实现“异侧装载、同侧卸载”，减少了一个地面受煤仓，原煤皮带由两条简化为一条，简化了地面生产系统。d.较“田”字形布置，减少了井筒装备钢材的消耗量，提高了井筒断面利用率。

4 结束语

认真分析井筒检查钻孔资料的基础上，在主立井井壁结构和断面布置的设计过程中，采用双层高强度钢筋混凝土塑料夹层复合井壁，通过采用高强度混凝土在不增加井壁厚度的同时提高了井壁的强度，增加的井筒的安全性。两对箕斗“一”字形布置，通过外动力液压装置实现井下异侧装载、地面同侧卸载技术在国内外煤炭行业处于领先水平。麻家梁矿井主立井井壁结构及井筒断面布置方式为厚冲积层超大直径立井井壁结构的设计及井筒断面布置方式的选择提供了一套成功的设计经验，具有较强的推广价值。

[1]路耀华.中国煤矿建井技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1995.

[2]张荣立，何国纬，李铎.采矿工程设计手册[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

[3]王建平，靖洪文，刘志强.矿山建设工程[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[4]中国煤炭建设协会.煤矿立井井筒及硐室设计规范[S].北京：中国计划出版社，2007.

[5]翁家杰.井巷特殊施工[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004.

[6]杨俊杰.深厚表土地层条件下的立井井壁结构[M].北京：科学出版社，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

（编辑：武晓平）

2015-01-28

殷军练（1980-），男，陕西乾县人，大学本科，工程师，从事煤炭工程设计工作。