深厚表土地層條件下的立井井壁結(jié)構(gòu)

前言

我國(guó)工業(yè)分布與煤炭資源分布不協(xié)調(diào)，從而使我國(guó)東部地區(qū)，包括黃淮、東北地區(qū)深表土煤炭資源的開發(fā)變得十分重要。從20世紀(jì)的兩淮煤田開發(fā)和21世紀(jì)山東巨野煤田的開發(fā)，都在不斷刷新我國(guó)深表土大型礦井的建設(shè)記錄，目前礦井表土深度已突破600m。深表土礦井建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)之一就是立井井筒的支護(hù)問題，井筒是礦井的咽喉，立井井壁是立井井筒支護(hù)的重要結(jié)構(gòu)，它的安全關(guān)系到整個(gè)礦井建設(shè)過程和生產(chǎn)過程的安全。由于深表土地層的復(fù)雜性，加之對(duì)井筒支護(hù)的研究不夠深入，導(dǎo)致井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工過多地依賴于已有的經(jīng)驗(yàn)。隨著礦井深度不斷加深，在礦井建設(shè)過程中時(shí)有井筒遭遇破壞的現(xiàn)象出現(xiàn)，同時(shí)在礦井投產(chǎn)后也有井筒破壞引起礦井局部停產(chǎn)的事故發(fā)生，這些均對(duì)井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究、設(shè)計(jì)、施工提出了十分迫切需要解決的現(xiàn)實(shí)問題。因此，深入研究立井井壁結(jié)構(gòu)的荷載特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)承載能力和設(shè)計(jì)方法就成為礦井建設(shè)中的一個(gè)重要課題。本書的主要內(nèi)容是對(duì)立井井壁研究工作的一個(gè)疏理，重點(diǎn)放在井壁的設(shè)計(jì)和施工方面。當(dāng)前，我國(guó)深表土井筒開挖的主要方法是凍結(jié)法和鉆井法，可針對(duì)這兩種施工方法采用不同的井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)，從我國(guó)的建井歷史來看，井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)先后采用過普通鋼筋混凝土井壁、鋼板混凝土井壁、砌體井壁以及它們的不同組合結(jié)構(gòu)形式。本書首先分析了不同施工條件下井壁結(jié)構(gòu)所受到的荷載及其分布；其次分別總結(jié)了對(duì)砌體井壁、鋼板混凝土井壁、單層及雙層鋼筋混凝土井壁的研究成果，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法；最后總結(jié)了黃淮地區(qū)對(duì)生產(chǎn)過程中井壁破裂的機(jī)理研究及治理方法。書中除了系統(tǒng)總結(jié)作者參與的各項(xiàng)井壁結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)工作外，還收集了國(guó)內(nèi)不少學(xué)者相關(guān)的研究成果。全書內(nèi)容系統(tǒng)、翔實(shí)，基本反映了當(dāng)前我國(guó)深表土井壁結(jié)構(gòu)的基本研究狀況。本書是作者多年研究井壁結(jié)構(gòu)的體會(huì)與總結(jié)，也是作者所在井壁研究團(tuán)隊(duì)的工作總結(jié)。在本書出版之際，首先要對(duì)作者的導(dǎo)師、作者所在井壁研究團(tuán)隊(duì)的核心孫文若教授表示敬意，他的潛心研究成果是本書撰寫的基礎(chǔ)。還要感謝作者的同事，他們共同的努力才有了本書的基本內(nèi)容。同時(shí)要感謝作者的家人，在課題研究和本書撰寫過程中得到他們?cè)跁r(shí)間上和精神上給予的全力支持。

內(nèi)容概要

本書是一部關(guān)于煤礦深表土立井井壁結(jié)構(gòu)研究的專著。書中總結(jié)了我國(guó)煤礦深表土井壁結(jié)構(gòu)的基本類型與研究成果，對(duì)采用凍結(jié)法與鉆井法施工井筒中的井壁所受荷載及其分布、荷載設(shè)計(jì)取值及對(duì)不同類型井壁結(jié)構(gòu)的承載力計(jì)算方法進(jìn)行了深入的分析與討論，提出了相應(yīng)的井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，還對(duì)已建成井壁的破裂機(jī)理與治理技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)敘述。    本書可供煤礦設(shè)計(jì)、礦井建設(shè)技術(shù)人員及高等院校相關(guān)專業(yè)的研究生參考。

書籍目錄

前言? 第一章 深表土立井井筒的施工和井壁支護(hù)技術(shù)??   1.1 深表土地區(qū)的立井井筒施工技術(shù)??   1.2 深表土地區(qū)立井支護(hù)技術(shù)及其發(fā)展??   1.3 井壁類型與井筒施工工藝的相互關(guān)系?? 第二章 深表土立井井壁的荷載條件??   2.1 作用于立井井壁的側(cè)向地層壓力??   2.2 作用于立井井壁的豎向作用力??   參考文獻(xiàn)?? 第三章 凍結(jié)法施工井筒中的砌體式外層井壁結(jié)構(gòu)??   3.1 砌體井壁的作用機(jī)理與結(jié)構(gòu)形式??   3.2 砌體井壁的試驗(yàn)研究??   3.3 砌體井壁設(shè)計(jì)計(jì)算??   3.4 弧形大板塊外層井壁結(jié)構(gòu)??   參考文獻(xiàn)?? 第四章 鋼板混凝土鉆井井壁??   4.1 鋼板混凝土鉆井井壁的特征和形式??   4.2 單層鋼板鋼筋混凝土鉆井井壁??   4.3 雙層鋼板混凝土鉆井井壁??   4.4 鋼板混凝土鉆井井壁的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法??   4.5 鋼板混凝土鉆井井壁的允許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法??   參考文獻(xiàn)?? 第五章 凍結(jié)井雙層鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)??   5.1 雙層鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)的形式??   5.2 凍結(jié)井混凝土井壁中混凝土的養(yǎng)護(hù)機(jī)理與實(shí)測(cè)分析??   5.3 雙層鋼筋混凝土井壁的受力分析??   5.4 混凝土結(jié)構(gòu)井壁的承載能力試驗(yàn)研究??   5.5 凍結(jié)井混凝土井壁的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法??   5.6 雙層鋼筋混凝土滑動(dòng)可縮井壁??   5.7 凍結(jié)井筒內(nèi)壁可縮井壁??   5.8 凍結(jié)井高強(qiáng)混凝土井壁??   參考文獻(xiàn)?? 第六章 鋼筋混凝土鉆井井壁結(jié)構(gòu)??   6.1 鉆井井壁的基本設(shè)計(jì)方法??   6.2 單層鋼筋混凝土鉆井井壁的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法??   6.3 縱向可縮的鉆井井壁??   6.4 高強(qiáng)混凝土鉆井井壁??   6.5 懸浮下沉?xí)r鉆井井壁的軸向穩(wěn)定性問題??   參考文獻(xiàn)?? 第七章 破裂井壁的治理技術(shù)??   7.1 凍結(jié)井外壁的破裂治理??   7.2 負(fù)摩擦力作用下破裂井壁的治理??   參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：深表土的井壁結(jié)構(gòu)形式是由井筒施工方法所確定的，這就使得井壁設(shè)計(jì)不能僅從結(jié)構(gòu)自身特性上考慮，井筒施工工藝會(huì)造成井壁結(jié)構(gòu)的部分甚至整體受力特性的改變。這就要求在井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要充分注意與施工工藝之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。這方面的問題主要表現(xiàn)在凍結(jié)法施工井筒中，下面就主要的幾個(gè)問題進(jìn)行討論。1.3.1 井壁結(jié)構(gòu)與凍土壁的關(guān)系問題井壁結(jié)構(gòu)是在凍土壁的保護(hù)下澆筑和養(yǎng)護(hù)的，如1.1節(jié)所述，凍土壁在壁外水、土壓力作用下會(huì)產(chǎn)生蠕變變形，這使得剛澆筑的井壁混凝土承受這種變形產(chǎn)生的壓力作用，雖然這種變形量是微小的，但它是長(zhǎng)時(shí)期作用，且是累積增長(zhǎng)的，現(xiàn)澆的混凝土結(jié)構(gòu)井壁要在低溫條件下增長(zhǎng)自身的強(qiáng)度，來抵抗變形壓力的作用。反之，現(xiàn)澆的混凝土井壁會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，尤其是對(duì)早強(qiáng)的高強(qiáng)度混凝土而言，水化熱的產(chǎn)生是不可避免的。水化熱會(huì)融化凍土壁與現(xiàn)澆井壁相接觸部分的凍土壁，使得凍土壁的厚度減薄，導(dǎo)致凍土壁的蠕變變形增大，反過來又會(huì)增加對(duì)井壁的作用力。凍土壁是自源型溫度場(chǎng)，而井壁內(nèi)的水化熱總量是一定的，因此凍土壁的融化是局部性的，等水化熱減少或消失后，被融化部分凍土壁又會(huì)逐步恢復(fù)成凍土壁的一部分，即所謂的回凍過程。但這個(gè)過程對(duì)井壁會(huì)產(chǎn)生不利作用。此時(shí)，井壁已有一定的強(qiáng)度，但它在低溫養(yǎng)護(hù)條件下尚不能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，融土回凍時(shí)產(chǎn)生體積膨脹，且內(nèi)側(cè)受到井壁的約束，外側(cè)受到凍土壁的約束，而凍土壁的總剛度遠(yuǎn)大于井壁剛度，則必然會(huì)對(duì)井壁產(chǎn)生一個(gè)壓力，即所謂的凍脹力。井壁結(jié)構(gòu)要適應(yīng)此環(huán)境，首先配井壁內(nèi)混凝土要有早強(qiáng)特性，且較少的水化熱釋放。同時(shí)，井壁要在未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前具有抵抗凍土壁蠕變變形產(chǎn)生的壓力和回凍壓力合力作用的能力。當(dāng)現(xiàn)澆的外層井壁不能立即產(chǎn)生如此抗力時(shí)，則要求外層井壁有別的結(jié)構(gòu)措施或者選用其他形式的井壁結(jié)構(gòu)。比如環(huán)向可縮型井壁，以釋放一部分壓力。采用砌塊井壁的目的之一就是釋放部分內(nèi)力。為了保護(hù)外層井壁的安全，采用強(qiáng)化凍土壁的方法是行之有效的，并在實(shí)踐中取得了良好的效果，即當(dāng)井筒開挖后，井幫的溫度能控制在一12℃以下時(shí)，外層井壁的安全是有保障的。這主要是由于把井幫溫度控制在低水平時(shí)，凍土壁的平均溫度較低，由凍土的性質(zhì)可知，此時(shí)凍土的蠕變性能大大改善，對(duì)井壁的變形壓力也就會(huì)大幅度降低。同時(shí)，當(dāng)凍土壁溫度較低時(shí)，井壁中混凝土水化熱所能融化的凍土壁范圍很小，回凍壓力也就很小，有力地保證了外層井壁的安全。

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