1、2010年本科毕业答辩,作者姓名：冀虎专 业：矿井建设指导老师：付厚利（教授）答辩时间：10/6/17,论文题目,梁宝寺二号井主井冻结井壁设计Liang Bao-si no.2 shaft wall design of main shaft freezing method,目录,1.井筒概况及地质水文情况2.冻土物理力学性质3.冻结设计4.冻结制冷系统设计5.冻结段井壁设计6.冻结法凿井主要事故分析与防治措施,1.井筒概况及地质水文情况,本章主要内容是：井筒特征、地层概况、地质构造、井田水文地质概况。梁宝寺井田位于山东省西南部，行政区划归嘉祥县，东南距嘉祥县城约20km。地理座标为东经1160
2、8411161516，北纬352934353642。梁宝寺井田属于国家煤炭基地巨野矿区规划主要井田之一，属巨野向斜东翼孤立含煤块段，东、西边界皆为落差大于700m的断层，南部开采边界为3煤层隐蔽露头，北部边界为煤层-1200m等高线。井田南北长约11.4km东西宽约8.4km，面积95.273km2。其他具体不在赘述。,2.冻土物理力学性质,2.1冻土的概念和热物理学性质冻土：含冰的岩石和土壤统称为冻土，由矿物颗粒，冰，未冻水，气体组成的混合体，温度低于0，冻土较天然土层具备较好的强度和稳定性，并改变了其物理力学性质。冻土形成 过程，实质上是土中水结冰过程，充塞岩石颗粒间裂隙的过程。冻土是由矿
3、物颗粒，冰，未冻水，气体组成的四相体，冻土与融土的物理性质有很大的差别。描述冻土热物理性质的重要指标有：导热系数 、比热C、导温系数a、容积比热 等,2.冻土物理力学性质,2.2冻土的抗压强度冻土强度瞬时强度 冻土在极短时间内迅速受到外力作用，蠕变还没有发生，脆性破坏时的强度。长时强度 冻土在外力长时间作用下，发生蠕变而最终失去抵抗外力 能力时强度。蠕变应力不变时，应变随时间变化的特性。冻土是一种流变体，具备流变性，其强度随时间延长而降低。通常所讲的强度指长时强度。,3.冻结设计,1.冻结方案及深度根据梁宝寺二号井实际地质情况及业主对工期质量的实际要求，并参照附近龙固矿井、赵搂等矿井冻结设计、
4、施工情况，确定主、副、风井均采用三圈加防片孔冻结方案。主井冻结深度为510m（自自然地坪算起）。2.冻结设计冻结厚度：根据计算结果并结合国内外已施工或正在施工的深冻结井冻结壁设计厚度，确定梁宝寺主井控制层冻结壁设计厚度：7.8m,3.冻结设计,2）钻孔布置设计a、冻结孔数计算得：外圈孔N外=36个；中圈孔N中=21个；内圈孔N内=28个；防片孔N防片=10个；B、开孔间距计算得：外圈孔L外=1.70m、中圈孔L中=2.17m、内圈孔L辅=1.323m、防片孔L防片=3.01m；3.观测孔设计（包括测温孔、水文孔）,3.冻结设计,为便于掌握冻结壁交圈的时间及冻土扩展情况，需布置适当数量的水文孔和
5、测温孔。水文孔布置在井筒净断面内，距井心1.0m处，布12个，穿过所有含水层，要求深度不得大于冻结深度或偏出井筒。作用：观察交圈情况，水文孔出水是交圈的重要标志。水文孔结构多层套管式。测温孔布置在偏斜较大的两相邻冻结孔界面上，及冻结壁内外侧，一般34个，用测温元件（热电耦）测温。作用：确定冻结壁厚度及井筒开挖时间。,4 .冻结制冷系统设计,三大循环系统：1、氨循环：液态氨饱和气氨高压过热气氨 高压液氨液态氨 再次进入蒸发皿，形成氨循环系统盐水热量被氨吸收。2、盐水循环：箱内低温盐水 冻结管内高温盐水盐水箱低温盐水再进入冻结管 岩层降温，形成冻结壁土层热量被盐水吸收。3、冷却水循环：低温水高温水
6、低温水冷凝器水吸收气氨热量，并把这热分传到大气中去,5.冻结井壁设计,5.1井壁结构设计的发展随着冻结技术的发展，40多年来，我国冻结井的井壁结构设计取得了长足的进步。大概分为五个阶段： 50年代中期至60年代初； 60年代中期；70年代早期； 70年代后期； 1980年至今。在不断总结经验的基础上，又研究应用了泡沫塑料板，由于冻土与外壁之间，以便起到隔热缓压作用；不断改进新型井壁结构，使我国冻结井的设计有了新的提高。,5.冻结井壁设计,钢筋混凝土井壁（外侧）,5.冻结井壁设计,5.2深立井井壁设计应注意：1、立井井壁破裂的力学机理。立井井壁破裂源于4大因素：地压、自重、竖向附加力、温度应力。
7、2、厚表土层中井壁结构设计现状分析。3、深厚表土层中井筒受力分析。有两大因素对井筒的作用存在着极值：地压和竖向附加力。根据上述的分析可知，井壁结构的设计中，存在着较大的优化空间，但是必须首先解决目前深厚表土层中井壁结构设计中所存问题，具体可概括为以下几个方面：1）立井次生地压分布规律的研究,5.冻结井壁设计,2）竖向附加力的分布规律、竖向附加力极值研究、竖向附加力随地下水流失的增长规律与立井地压降低规律之间的动态关系研究。3）钢板普通混凝土井壁与高强混凝土井壁承载效果的差异性研究。4）立井井壁破裂的应力、应变因素分析。5）井壁结构的优化方案该内容是井壁结构设计中最重要的研究内容和最终的研究目标
8、，上面四大研究内容均是服务于这一内容的。,5.冻结井壁设计,5.3井壁类型选择梁宝寺二号井开工于2009年，我国的建井工艺已有了长足的提高和发展，冻结井壁已演绎成钢筋混凝土单层井壁、钢筋混凝土双层井壁、钢筋混凝土夹层井壁以及滑动型或竖向可压缩型等4种结构类型，根据试验梁宝寺二号井主井选用了钢筋混凝土双井壁。,5.冻结井壁设计,立井井壁结构,5.冻结井壁设计,5.4井壁厚度计算设计井壁厚度，必须首先确定井壁上所受的荷载。作用在井壁上的荷载分为恒荷载、或荷载和特殊荷载。恒荷载主要有井壁自重，井口构筑物对井壁施加的荷载；荷载只要有地层的压力，冻结法施工的冻结压力，温度应力，壁后注浆的注浆压力，施工时
9、的吊挂力等；特殊荷载有提升绳时通过井架传给井壁的荷载和地震力。,5.冻结井壁设计,1、井壁厚度计算 （1）垂深150m以上，采用C40混凝土，II级钢筋 P水=0.01H=0.01H=1.5 MP P冻 =0.005H+1.0=0.005150+1.0=1.75 MP 内层井壁钢筋与混凝土综合强度计算：fcz=fc +min + fy=19.1+0.002310=19.72 MP 内层井壁厚度:取h1 =500mm。 外层井壁钢筋与混凝土综合强度计算值fcz=fc+min + fy=14.3+0.002310=14.92 MP外层井壁厚度：取h2 =600mm。,5.冻结井壁设计,（2）垂深1
10、50m450m，采用C45混凝土，II级钢筋 P水= 0.01H=0.01450= 4.5 MP P冻=0.005H+1.0=0.005450+1.0=3.25 MP 内层井壁钢筋与混凝土综合强度计算：fcz=fc +min + fy=21.2+0.002310=21.82 MP 内层井壁厚度:取h1 = 850 mm。外层井壁钢筋与混凝土综合强度计算值fcz=fc +min + fy=21.2+0.002310=21.82 MP 外层井壁厚度取h2 =620 mm,5.冻结井壁设计,井壁厚度经验数据表,5.冻结井壁设计,2、验证各项稳定性、计算配筋率：1）验证环向井壁稳定性2) 按冻胀土对外
11、层井壁的压力环向配筋的计算3）内层井壁按承受静水压力的环向配筋计算4）按调挂力计算外层井壁竖向钢筋及抗裂计算5）表土与基岩分界处井壁竖向弯曲强度验算,5.冻结井壁设计,5.冻结井壁设计,5.冻结井壁设计,5.5井颈和壁座的设计1、井颈的设计1）井颈的结构和类型选择井颈形式主要取决于井筒断面形状及用途、井口构筑物传递给井颈的垂直荷载、井颈穿过地层的稳定情况和物理力学性能、井颈支护材料以及施工方法等因素。,5.冻结井壁设计,常用的井颈形式有下述几种： 1）台阶形井颈2）倒锥形井颈3）倒圆锥壳形4）倒锥台形5）倒圆台形选择倒锥台形比较合适图5-5-1 台阶形井颈1锁口；2井颈壁；3壁座,5.冻结井壁
12、设计,2）井颈的深度和厚度设计a.梁宝寺二号井属深表土，井颈深度可取为表土全厚的一部分，但头一个壁座要选择在不透水的稳定土层中。b.井颈壁的厚度通常先按照构造要求设计，然后再演算井颈在垂直荷载和水平荷载作用下的承载能力。根据经验井颈厚度设计为1.5m。,5.冻结井壁设计,2、壁座设计立井井颈的下部需要设置壁座，用于承托井颈和作用在井颈上的井架、设备等的部分或全部重力。在厚表土上下部基岩处、马头门上部、需延伸井筒的井底，以及根据需要在井身的其它部分也需要设置壁座。壁座的主要作用除承托上段井壁的部分或全部重力外，还可以用于悬挂向下掘进段的临时支架，封堵砌筑段的涌水，防止下部井壁围岩偏帮垮落时向上扩展。壁座应设在稳定性较好、涌水量小的岩层中。,5.冻结井壁设计,图5-5-1壁座结构和计算图,5.冻结井壁设计,目前壁座的尺寸多数按经验选取：高度 不小于壁厚的2.5倍，取1.52.0。宽度b不小于壁厚的1.5倍，在坚固岩层内取0.60.8m；普通岩层取1.01.2；最大不超过1.5m。角约40梁宝寺二号井主井壁座高度取2.0，宽度取1.0m。,2010年本科毕业答辩,谢谢,
