冷泉矿主副井筒井壁结构设计

2005/10/12 14:18:19

摘　要　分析了冷泉矿主副井筒的工程地质与水文地质特征，介绍了两井筒井壁结构设计变更与施工体会。

　　关键词　冻结法施工　井壁结构　设计

　　鹤壁矿务局冷泉矿井设计年产量为0.6Mt/a，立井单水平开拓，主副井筒深度分别为729.4m和746.5m。矿井设计由我院承担，主副井筒分别由鹤壁矿务局工程处和中煤第四十九工程处施工，由煤科总院北京建井研究所的北京众智科威建设监理咨询所监理。由于建设、设计、施工、监理四方通力合作，采用了新技术、新工艺，主副井筒月成井分别达46.7m和42.7m，是煤炭立井工程定额23.7m/月的1.97倍和1.80倍；两井筒工期分别为15.6月和16.8月，比定额工期短。为此，原煤炭部于1996年12月在鹤壁召开“缩短建井工期，提高施工速度”现场会，与会专家对冷泉矿井主副井筒快速掘进给予了充分肯定。

1　地质及水文特征

　　冷泉矿井主采煤层2₁煤层厚度稳定，构造简单，煤厚1.86～10.06m，平均7.14m，倾角22～44°。
　　冷泉矿井表土层(第三、四系)厚，含水丰富，岩体成岩程度低，固结性差，泥质或钙质胶结，强度低，在地下水作用下易软化、膨胀，井筒开挖后易产生塑性变形，普通法凿井不易通过，因此，井筒表土段设计采用冻结法施工。
　　根据主副井筒检查孔资料，井筒岩性组成见表1。
　　主副井筒含水地层分别为23层和24层，厚度分别为183.1m和186.5m，各含水层预计涌水量见表2。这两个井筒的含水层水主要是孔隙和裂隙水；由于裂隙的连通性差，以静储量为主。初期揭露含水层时瞬时水量较大，因补给条件差，涌水后，水量很快就会衰减下来，达到稳定水量。

2　井壁结构设计

　　冷泉矿主副井筒所穿过的第三系表土层厚217m，其底部有1层厚约40m的粉砂质泥岩隔水层，切断了第三系砾岩含水层与2₁煤顶板砂岩含水层的水力联系，所以不存在徐淮矿区冻结井筒那种在表土和基岩交界处附近发生井壁破坏的前提和条件(这已被鹤壁矿区现有生产矿井的实践所证实)，其井壁结构设计采用塑料夹层双层钢筋混凝土复合井壁结构，其重点放在防井壁(尤其是内壁)开裂漏水上。

2.1　内外壁参数的确定
　　按外壁抵抗冻结压力、内壁承受水压、冻结壁解冻后内外壁共同承受永久地压的原则，对各种压力参数进行了计算，确定了不同地段的井壁厚度、混凝土强度和配筋。

表1　井筒岩性组成

岩层名称	主　　井			副　　井
岩层名称	层数	厚度/m	百分比/%	层数	厚度/m	百分比/%
黄土	1	3.2	0.44	1	5.1	0.68
粘土	7	71.0	9.73	11	77.8	10.42
砂质粘土	3	46.1	6.32	10	43.2	5.79
砾岩	9	81.4	11.16	11	82.8	11.09
泥岩	12	106.6	14.60	0	0	0
粉砂质泥岩	22	199.1	27.30	35	244.2	32.71
细粒砂岩	19	79.7	10.93	30	95.3	12.77
中粒砂岩	19	76.7	10.52	15	102.8	13.77
粗粒砂岩	7	21.9	3.00	7	49.1	6.58
含砾砂岩	4	43.7	6.00	0	0	0
粉砂岩	0	0	0	8	39.7	5.32
2₁煤	0	0	0	1	6.5	0.87
合　计	103	729.4	100	129	746.5	100

表2　井筒预计涌水量

m³/h

井别	含水(系)组	含水层编号												小计
井别	含水(系)组	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	小计
主井	第三系	20	70		25	55	25	120	50	10				375
	石盒子组	30	15	10	5	30	45	10	5	5	15	5	10	185
	山西组	30	25											55
副井	第三系	20	70		25	60	25	125	40	15				380
	石盒子组	30	15	10	5	40	40	10	10	5	10	5	10	190
	山西组	30	40	10										80

　　设计主井表土段内壁厚度400～450mm，混凝土强度等级C35～C50，Ⅱ级钢筋(直径18～22mm)；外壁厚度400mm，混凝土强度等级C35～C45，Ⅱ级钢筋(直径18～22mm)。副井表土段内壁厚度450～550mm，混凝土强度等级及配筋同主井；外壁厚度400～450mm，混凝土强度等级及配筋同主井。此外，主副井表土段除浅部外在冻结壁和外层井壁间加有1～2层厚25mm的聚苯乙烯泡沫塑料板。主副井基岩段井壁均为单层素混凝土井壁，井壁厚度分别为400mm和450mm，混凝土强度等级C40；采用喷锚网临时支护。

2.2　井壁防水措施
　　设计时采取了以下综合防水措施：
　　(1)冻结段内壁采用液压滑模施工，消除内壁接茬缝，尽量减少直接漏水通道；
　　(2)内壁施工中，除要求加强振捣外，在混凝土中还掺入适量高效减水剂，以改善混凝土自身的防水性能；
　　(3)内外壁之间铺设1层厚1.5mm的聚氯乙烯塑料板，减少内壁因拉应力而产生的裂缝。

2.3　井壁缓压及防冻措施
　　根据地层具体情况，在外壁与冻结壁之间铺设1～2层厚25mm的聚苯乙烯泡沫塑料板，以减缓冻结压力对外壁的作用。同时，泡沫板具有良好的隔热性能，可以减少筑壁初期混凝土热量损失，提高混凝土的养护温度和早期强度。另外，泡沫板本身不吸潮，具有良好的隔水作用，可以防止混凝土水化过程中水分向冻结壁的迁移，避免二次回冻压力对外壁的破坏。

2.4　壁座的改进措施
　　生根壁座的作用主要是承托上部井筒的重量。传统的冻结井壁设计一般采用尺寸较大的锥形壁座结构，这不仅增加了冻结和掘砌费用，而且施工困难，甚至危及冻结管的安全。因此，设计不采用锥形壁座，而采用筒形壁座，并通过受力计算，合理确定其高度与厚度(附图)。为了增强壁座的稳定性，设计采用了二次支护，其中一次支护为网锚喷，二次支护为C50钢筋混凝土。

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附图　壁座配筋及尺寸示意

1-壁座；2-挂网锚喷层

2.5　加快基岩段施工速度的措施
　　(1)由于基岩段含水层多、水量大，为了实现打干井，保证井筒顺利施工，设计要求主副井筒基岩段采用地面预注浆，一次注全深。同边掘边注的工作面注浆方法相比，简化了工序，节省了时间。
　　(2)设计要求基岩段也采用大段高(不小于50m)滑模施工，并将必要的接茬缝放在隔水层内，既可改善基岩段井壁的防水性能，又能加快施工速度。

3　设计变更与施工体会

　　(1)为了支持新技术、新工艺的推广应用，同意取消副井冻结段内外井壁间的塑料夹层，在其内壁混凝土中掺入适量防裂密实剂进行试验。防裂密实剂可以补偿混凝土收缩和提高混凝土的密实性。主副井筒冻结段施工完毕后，经验收检查，均未发现明显的裂缝，仅出现几条不连续的细微裂纹，说明两种井壁结构均起到了防止内壁开裂的作用。
　　(2)对于壁座外侧的网喷层，现场施工人员普遍担心在温度-10℃左右的冻结壁上喷混凝土喷不上去，在18m的段高上如果掉混凝土则会严重影响安全，有人建议取消网喷层甚至缩短壁座高度以便安全施工。我院根据设计和施工经验，分析论证了网喷层的安全性与必要性，认为其作用主要是增加壁座与松动围岩的粘聚力，改善筒形壁座的承载性能，因此，坚持保留了网喷层。事实表明，网喷层保证了完全，喷层强度较高且无掉块现象，同时增强了壁座的稳定性。
　　(3)针对两个施工单位的施工经验、施工设备及特长，同意主井基岩段改用短段掘砌、副井基岩段采用大段高(100m左右)组合模板施工，对接茬缝采用喷浆处理。实践证明，两井筒基岩段均取得可喜的快速掘进效果，最高月成井速度达到100.7m和101.5m。
　　(4)主井冻结壁解冻后井壁漏水量为19.9m³/h，注浆后不渗漏；副井冻结壁解冻后井壁漏水量5.46m³/h，注浆后为0.1m³/h。主副井筒落底后，实测涌水量为3.5m³/h和3.3m³/h，符合施工验收规范要求。

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