采矿第六七章

第六章立井沉井法结构设计第一节概述沉井法是在不稳定含水地层中开凿井筒的一种特殊施工方法。我国自1952年到1994年底，应用沉井法施工的井筒以约有160个之多。沉井累计深度超过5.0km，在采用各种特殊方法施工的井筒中居第二位。我国煤矿建井先后采用了各种不同特色的沉井方法约有10种，一次下沉深度已达192.75m，沉井偏斜率仅0.69%。由于沉井法具有工艺简单、需用的设备少、施工准备容易、成本较低和劳动条件好等优点，因此，在煤矿、铁道、城建和海港等工程建设中获得了较为广泛的应用。我国煤矿沉井的发展，大致可划分为两个阶段。第一阶段是20世纪50年代初至20世纪60年代末所建设的沉井。在将近20年中，从初期采用普通料石沉井法开始，逐步发展出多级沉井、载重沉井、震动沉井等多种形式。当时已成为新汶、徐州、淮北等矿区主要过表土的一种特殊凿井手段。该阶段的主要特点是：不用淹水沉井；人工挖凿，吊桶提升；靠增加井壁的自重克服摩擦阻力；沉井速度一般不超过40m。第二阶段是自20世纪70年代初至1994年，以1969年山东黄县洼里煤矿副井首次试用触变泥浆淹水沉井成功为起点，创造了泥浆护壁、淹水沉井、水枪破土、压气提升等新工艺，使沉井技术逐步日臻完善。1975年煤炭工业部在徐州大刘庄组织编制了“触变泥浆淹水沉井施工十项经验”，又于1977年在山东金乡召开了全国沉井技术经验交流会，在总结交流蔡园煤矿副井沉井下沉深度突破百米经验的基础上，对上述十项经验作了修改和充实。1981年济宁矿区单家村煤矿主井应用触变泥浆淹水沉井技术，创造了下沉深度192.75m的全国纪录。该沉井法在济宁、黄县、苏南、藤南等矿区已广为应用，并推广到东北、内蒙及其他地区。这一阶段沉井技术的主要特点是：为了解决摩擦阻力，加大下沉速度，从而发展了触变泥浆淹水沉井，同时，还出现了气囊沉井、冻结沉井和卵石护壁沉井等，使沉井深度大大加深。淹水沉井可使井筒内外的水土压力保持平衡，能有效地防止涌砂冒泥及地表塌陷；由于采用了水枪破土，压气提升，工人无须下井；井壁的制作是在地面井口接长砌筑的，因此可采用钢筋混凝土整体现浇井壁来代替以往的砖石井壁，使井壁的质量得以改善。沉井技术曾在我国华东、华北地区表土层的立井开凿中发挥了重要作用。沉井法在国内外的其他地下工程中，也得到了广泛的应用。如日铁矿业公司有明三井的沉井下沉深度达200.3m，偏斜小于1%。匈牙利的布达佩斯、瑞典的斯德哥尔摩、以及前苏联等地的地铁工程，都曾大量的采用触变泥浆淹水沉井法施工。我国上海在黄埔江引水工程、越江隧道、高层建筑基础和其他工程中，也多有应用。另外，80年代后期至90年代初，我国在内蒙古海勃湾等地的煤矿建设中，还运用这种方法连续施工了多个斜井。一、沉井法分类沉井法通常分为两大类，即不淹水沉井和淹水沉井。(一)不淹水沉井以往煤矿使用的不淹水沉井有普通沉井、壁后河卵石沉井、震动沉井、多级沉井、冻结沉井和壁后泥浆沉井等。(二)淹水沉井淹水沉井是在井筒内灌满水的情况下进行作业的，可使井内外的水土压力保持平衡，施工安全。按减小侧面阻力所采用的方法不同，淹水沉井又可分为壁后泥浆淹水沉井和壁后压气淹水沉井。二、沉井法的适用条件目前已采用过的沉井法，其分类特征及适用条件参见表4—6—1。三、国内煤矿沉井技术特征国内煤矿沉井法施工技术特征参见表4—6—2。第二节沉井井壁结构设计一、设计依据及所需资料1）工程与水文地质资料：（1）沿井筒中心线的预测地质剖面；（2）井筒穿过的含水层（组）数量、含水层（组）的埋藏条件、静水位与水头压力、涌水量、渗透系数、水质、水温、含水层间以及各含水层与地表水的联系和地下水的流向；（3）井筒通过的岩（土）层的性质、埋藏条件和断层破碎带、老空、溶洞、裂隙的特征；（4）松散地层的物理力学性能试验资料；（5）沉井所在地区的地震资料。2）矿井设计所确定的井筒直径3）井筒装备以及其它专业对井筒的特殊要求。4）矿井地面永久与临时的总平面布置，用以确定井筒周围构筑物对井筒的影响。二、设计步骤沉井设计一般按下述步骤进行：1）确定沉井下沉深度与沉井直径；2）根据下沉条件计算确定井壁厚度；3）确定沉井刃脚和井壁结构型式；4）进行沉井井壁与刃脚的强度计算，确定配筋规格和数量；5）确定套井的深度、直径与型式6）确定套井刃脚（若用短段掘砌时应为基座）与锁口的形状及结构。三、沉井井筒设计沉井法适用于冲积层厚度小于200m的流砂、淤泥等含水地层。凡粒径大于300mm的卵石层，或卵石层单层厚度大于8m，或风化基岩以下无隔水层时，不宜采用。(一)沉井井筒尺寸确定1.沉井深度一般要求沉井应穿过不稳定含水层进入风化基岩达到封水的目的。沉井穿过冲积层并进入不透水岩层的深度应符合下列规定：1）沉井的深度小于100m，不得小于3m；2）沉井的深度大于100m，不得小于5m；3）当沉井进入不透水岩层的深度小于上述规定时，必须采取封底措施。2.沉井直径根据《矿山井巷工程施工及验收规范》（GBJ213—90）规定：沉井的允许偏斜率，不得大于5000。为了保证下沉后井筒的有效直径，沉井考虑偏斜后的直径可按下式确定：Hdd1（4—6—1）hdD2（4—6—2）式中d——沉井内直径，m；1d——沉井有效直径，m；H——沉井深度，m；D——沉井外直径，m；h——沉井井壁厚度，m；——沉井的允许偏斜率，一般取0.3%~0.5%。井深取下限。3.沉井井壁厚度1）按强度计算确定井壁厚度。12pffrhkcc（4—6—3）式中r——沉井内半径，mm；p——地层压力，MPa；cf——材料的设计强度。若为混凝土结构，则ccff；若为钢筋混凝土结构，则yccfffmin，2/mmN；cf——混凝土设计强度值，2/mmN；yf——钢筋设计强度值，2/mmN；min——最小含钢率；k——荷载系数，取4.1k。2）按重率计算确定井壁厚度。沉井自重G与沉井外侧面积S的比值称为沉井的重率。即：SGW（4—6—4）式中G——沉井实际自重力（不扣除浮力），kN；S——沉井外侧面积，2m；W——沉井的重率，2/mkN。采用触变泥浆淹水沉井时，要使沉井顺利下沉，沉井的重率要超过一定值。所需的重率2/26~20mtW，一般2/23mtW左右。故井壁厚度可用下式计算确定:h（4—6—5）式中——钢筋混凝土的重度，3/25mkN。3）按下沉条件验算井壁厚度（图4—6—1）。通过以上计算初选了井壁厚度，但还需要由下沉条件来验算井壁的厚度。强度和重率要求是沉井井壁厚度确定的充分条件，下沉验算则是沉井能否下沉的必要条件。因而，要使井壁下沉，则必须满足下列条件：TG（4—6—6）式中G——沉井总重量（扣除浮力），kN；T——沉井结构受到的总摩擦阻力，kN；——下沉保证系数，一般取15.1。计算结果，若TG需加大壁厚，以满足TG的要求。（1）沉井总重量G的确定。沉井的总重量包括沉井自身重量、刃脚重量及刃脚凸台上泥浆的重量。其表达式为：321GGGG（4—6—7）式中1G——井壁重力，kN；2G——刃脚重力，kN；3G——触变泥浆重力，kN。322114HHdDG若为变径井筒应分别计算各段井壁重量然后相加。22214112122143124314dDHdDDdDHHG也可以近似按下式计算：432221128HHdDGxHHDDG12221234式中1——钢筋混凝土浮重度，31/15mkN；2——触变泥浆重度，32/11mkN；H——从套井顶面至沉井刃脚底的总深度，m；1H——套井的深度，m；2H——沉井总深去除套井和刃脚长度后的尺寸，m；3H——刃脚高度，m；4H——刃脚凸台起至刃脚内缘变斜面点止的距离，m；x——套井顶面至壁后充填泥浆液面的深度，m。（2）总摩擦阻力T的计算。总摩擦阻力包括井壁外的侧面阻力、刃脚部位的侧面阻力，以及刃脚下沉井的正面阻力。其表达式为：NTTT21（4—6—8）式中1T——井壁外侧面与触变泥浆的阻力，kN；2T——刃脚外侧面与土层间的侧面阻力，kN；N——沉井的正面阻力，kN。A．井壁外侧面阻力1T的计算。井壁外侧阻力的大小，要根据减阻介质的不同分别计算。其计算公式为：FXHHDT121（4—6—9）式中F——单位摩擦阻力。压气淹水沉井一般取用102/mkN；壁后泥浆淹水沉井，根据沉井深度在表4—6—3中选用。其他符号同前。井壁外侧摩擦阻力的另一种计算方法，即假定井壁外侧摩擦阻力为三角形分布，其底部最大单位摩擦阻力为刃脚部位单位摩擦阻力的2/3，平均为F/3。故沉井侧面摩擦阻力的计算，可用下式表达：213DHFT（4—6—10）式中F——土壤单位摩擦阻力，2/mkN；可参见表4—6—4中所列参考值选取：其他符号同前。B．刃脚外侧与土体间侧面阻力2T的计算。FHDT312（4—6—11）式中F——土壤单位摩擦阻力，可按表4—6—4选用。其它符号同前。C．沉井正面阻力计算当刃脚全部插入土层时，沉井的正面阻力为：jRdDN224（4—6—12）当刃脚切入土层的深度为a时，则jRaDaNtantan1（4—6—13）式中jR——土壤的极限抗压强度，由实验得出。表4—6—5所列各类土壤的容许承载力，可供沉井设计参考选用；a——刃脚切入土层深度，一般1~2m；——刃脚尖夹角。(二)外荷载的确定1.地压值1)按悬浮体理论计算地压。2111221110nonnnnHrAhrhrhrP上（4—6—14）2221110nonnnnHrAhrhrhrP下（4—6—15）式中上nP，下nP——计算深度某土层层上、下界面处作用于井壁单位面积上的压力，MPa；1r，2rnr——地下水中各层土的悬浮容量，err10——土层颗粒干密度，3/mt；0r——水的密度，3/mt；e——土的孔隙比；nhhh21,——地下水中各土层厚度，m；nnHH,1——第n层顶、底部至地下水位的高度（水头高度），m；nA——n土层侧压力系数，245tan2nnA，可由表4—6—6查得；n——n土层内摩擦角。可参考表4—6—7选用。2）按重液理论计算地压。210rHP（4—6—16）式中P——计算深度处作用于井壁上的侧压力，MPa；r——水土混合重液的密度，一般取3/3.1mtr；H——计算地压的深度（即可视为承压水头