徐鴻明

(中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

根據(jù)我國煤炭行業(yè)的發(fā)展趨勢，煤炭礦井的開采布局情況發(fā)生了較大的變化，逐步從傳統(tǒng)產(chǎn)地向西北地區(qū)轉(zhuǎn)移，開采深度不斷增加[1-5]。尤其是鄂爾多斯東勝煤田深部開發(fā)的新街礦區(qū)、呼吉爾特礦區(qū)、納林河礦區(qū)，以其煤層開采條件較好、工作面單產(chǎn)能力大而規(guī)劃了近十多對千萬噸深礦，這些礦井建設(shè)典型的特點(diǎn)是煤層埋深大多超過600m，特別是大埋深千萬噸級特大型現(xiàn)代化礦井的建設(shè)，提煤采用主立井，可以大幅度減少礦井工程量，縮短礦井的建設(shè)周期，降低建設(shè)費(fèi)用，成為目前國內(nèi)外較普遍采用的主提升方式。然而制約礦井常規(guī)設(shè)計(jì)理念發(fā)展的是特大型礦井提升裝備、大型提升容器以及井筒井壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因此必須在這些方面進(jìn)行創(chuàng)新[6-12]。

1 概 述

紅慶河礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1500萬t/a，服務(wù)年限為111.3a，位于內(nèi)蒙古伊金霍洛旗札薩克鎮(zhèn)境內(nèi)，井田南北長約19km，東西寬約8.6～13km，面積181.44km2，井田資源儲量豐富，資源儲量426386萬t。紅慶河礦井是中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)的特大型立井提升礦井，采用1個主立井裝備2對50t箕斗，采用5×6內(nèi)裝式塔式提升機(jī)配置9000kW 58r/min低頻交流同步電動機(jī)[13-15]。目前，該主井井筒提升系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，狀態(tài)良好，提升能力已經(jīng)達(dá)到120～140萬t/月。

2 主立井井筒設(shè)計(jì)研究

2.1 井筒直徑設(shè)計(jì)研究

根據(jù)紅慶河煤礦箕斗裝載硐室周圍巖性及1500萬t/a提升能力需求，確定主井裝備設(shè)計(jì)兩對50t大型多繩提煤箕斗，箕斗在井筒內(nèi)有“一”字形布置與“四角”形布置兩種方式，但“四角”形布置形式由于井塔內(nèi)提升絞車布置間距4.8m的要求使井筒凈直徑加大至9.8m，并需在井口、井底只能在井筒兩側(cè)裝卸煤，不僅造成井下箕斗裝載硐室布置復(fù)雜，也將造成井口卸煤系統(tǒng)的復(fù)雜性大大增加、環(huán)節(jié)增多、投資加大，而“一”字形布置恰恰避免了上述弊端，因此采用“一”字形布置方式。按50t箕斗截面及安全間距需要，主井筒凈直徑9.5m，主井井筒斷面如圖1所示。

圖1 主井井筒斷面(mm)

單立井承擔(dān)1500萬t/a提升能力，勢必造成井筒斷面大，而該礦井煤系地層上覆521.39m巨厚松軟富水的白堊系地層，井筒需要采取特殊施工法，因此，需要同時研究大斷面井筒井壁結(jié)構(gòu)和超大箕斗安全運(yùn)行的井筒裝備。

2.2 井壁結(jié)構(gòu)研究

紅慶河煤礦主立井全深787.6m，井口至一水平(3-1煤)埋深680.6m、一水平以下深107m。

2.2.1 地層的地質(zhì)、水文地質(zhì)特性

1)志丹群、安定組、直羅組巖石抗壓強(qiáng)度較低，均小于30MPa(尤其是礫巖、含礫粗砂巖、粗粒砂巖巖石抗壓強(qiáng)度值大部分小于20MPa)；巖體完整性從差～較完整，屬軟弱巖層；延安組巖石抗壓強(qiáng)度值大多大于30MPa，少量在20～29MPa之間，其巖芯完整性中等-較完整。為軟弱巖層～半堅(jiān)硬巖層[16-19]。

2)隨著鉆孔深度加深，各類巖石強(qiáng)度值也隨之增高(志丹群、安定組、直羅組、延安組各類巖石自然狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度值分別在1.4～29.6MPa、8.3～17.2MPa、4.5～25.1MPa、4.0～51.3MPa之間)。

3)砂質(zhì)泥巖、泥巖質(zhì)地較軟，遇水膨脹，失水易干裂破碎；礫巖及各粒級的砂巖均為孔隙式砂泥質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較疏松；志丹群個別粗粒砂巖在室內(nèi)浸泡3～5h以后變?yōu)樯⑸碃?即遇水砂化)。

4)各井檢孔所預(yù)計(jì)的井筒涌水量有較大差異，說明地層富水性不均一。三個主要含水巖組中，主井筒第Ⅰ含水巖組預(yù)計(jì)井筒涌水量為520m3/d遠(yuǎn)大于第Ⅱ含水巖組的97m3/d、第Ⅲ含水巖組的84m3/d；在第Ⅰ含水巖組中，水量主要集中在上、中、下三段中的上、中二段。

5)各地層巖(土)凍結(jié)溫度，砂最高為-0.8℃左右；其他巖石一般為-2.0～-3.5℃。各地層巖石凍結(jié)后，大多體積膨脹，凍脹率一般為0.10%～0.50%；少量巖石凍結(jié)后體積萎縮，凍脹率一般為-0.10%～-0.20%。表土、巖石凍結(jié)時，單軸抗壓強(qiáng)度總體隨溫度降低而提高；凍結(jié)巖石強(qiáng)度隨溫度降低而提高的趨勢主要體現(xiàn)在-5～-10℃之間。

2.2.2 井筒施工方法選擇

白堊系地層不僅含水較豐富，砂巖、礫巖巖體均為泥質(zhì)或砂泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較疏松，巖層注漿效果較差，存在不確定因素；且?guī)r體強(qiáng)度低，為軟弱巖類；泥巖遇水后膨脹崩解，具有可塑性，失水后，易干裂破碎；井筒設(shè)計(jì)直徑大，掘砌速度慢，空幫時間較長，圍巖涌水較大且?guī)r性差時不僅容易發(fā)生片幫等事故，井壁質(zhì)量也難以保證。因此該井筒采用特殊鑿井法施工。常用特殊鑿井方法的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 常用特殊鑿井方法的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)

紅慶河煤礦主井井筒將穿過的地層中，除厚度為10.0m左右的第四系地層為砂土外，其它均為巖層，因此紅慶河礦井主井井筒不適宜采用鉆井法。井筒檢查鉆孔資料表明井筒將穿過白堊系地層和侏羅系部分地層，其巖性多為砂巖、礫巖巖體，均為泥質(zhì)或砂泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度較疏松，若采用注漿法施工，巖層注漿效果較差，存在不確定因素。陜西亭南礦井、內(nèi)蒙塔然高勒礦井等初期采用注漿封堵涌水，但效果較差，后改為凍結(jié)法施工，因此井筒采用凍結(jié)法施工。

2.2.3 凍結(jié)深度

經(jīng)研究一水平(3-1煤層)以上各地層巖石松軟，預(yù)測井筒涌水量大，水平以下巖石為半堅(jiān)硬巖層，預(yù)測井筒涌水量較小(4～5m3/h)，因此主井井筒水平以上采用凍結(jié)法施工，水平以下采用普通法施工，主井井筒凍結(jié)段井壁深度為689.6m。

2.2.4 井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凍結(jié)法施工的井壁結(jié)構(gòu)形式有兩種：一是雙層現(xiàn)澆鋼筋混凝土(或鋼纖維混凝土)HDPE塑料夾層復(fù)合井壁；二是單層鋼筋混凝土。由于單層鋼筋混凝土在接茬處漏水問題不能解決尚不適宜使用，因此采用成熟的雙層現(xiàn)澆鋼筋混凝土(或鋼纖維混凝土)HDPE塑料夾層復(fù)合井壁，下部非凍結(jié)段井壁采用單層鋼纖維+鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)。

1)凍結(jié)段外層井壁。外壁與井幫之間不設(shè)泡沫塑料板，以增加地層對井壁的圍抱力。外層井壁采用鋼筋混凝土構(gòu)造厚度，并用均勻凍結(jié)壓力進(jìn)行核算及強(qiáng)度，經(jīng)計(jì)算為埋深0～-70.6m厚度800mm、 -70.6～-450.6m厚度550mm、-450.6～-689.6m厚度600mm。

2) 凍結(jié)段內(nèi)層井壁。按規(guī)范井壁厚度計(jì)算內(nèi)層井壁厚度為：

P=vkPk(vk按靜水壓力取1.35)

表2 井壁荷載一覽表

經(jīng)此公式計(jì)算內(nèi)層井壁-689.6m控制截面處C70鋼筋混凝土厚度為1.8m，屬“大體積混凝土”；大體積混凝土在固化過程中釋放的水化熱會產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用，從而產(chǎn)生的溫度和收縮應(yīng)力可能導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。因此有必要從混凝土受力及高強(qiáng)高性能混凝土方面進(jìn)行研究，以減少內(nèi)層井壁厚度及溫度應(yīng)力。

經(jīng)過“深厚軟巖大直徑井筒凍結(jié)井壁三維受力計(jì)算結(jié)構(gòu)優(yōu)化”研究表明：當(dāng)鋼筋混凝土井壁處于多軸受壓應(yīng)力狀態(tài)時，井壁混凝土極限抗壓強(qiáng)度是其單軸抗壓強(qiáng)度的m(m=1.562～1.859)倍。

根據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》：在內(nèi)層井壁內(nèi)緣混凝土處于二向受壓應(yīng)力狀態(tài)時，混凝土抗壓強(qiáng)度提高系數(shù)m應(yīng)大于1；內(nèi)壁厚度設(shè)計(jì)時，取混凝土抗壓強(qiáng)度提高系數(shù)m可在1.2～1.5之間選取。綜合考慮試驗(yàn)研究結(jié)果和規(guī)范要求，紅慶河礦井凍結(jié)井筒內(nèi)壁計(jì)算中，取混凝土抗壓強(qiáng)度提高系數(shù)m=1.35。

內(nèi)層井壁厚度計(jì)算公式：

另考慮混凝土溫度應(yīng)力在厚度較大混凝土增加鋼纖維以約束應(yīng)力產(chǎn)生裂縫，經(jīng)此公式計(jì)算內(nèi)層井壁-689.6m控制截面處CF70鋼筋混凝土厚度為1.5m，比原規(guī)范規(guī)定公式減薄300mm。內(nèi)層井壁厚度為埋深0～-280.6m厚度800mm、-280.6～-450.6m厚度1150mm、-450.6～-689.6m厚度1500mm。

3)下部非凍結(jié)段井壁厚度。按井壁圍巖壓力及CF50混凝土、構(gòu)造厚度計(jì)算為埋深-689.6～-700.6m厚度1500mm、-700.6～-770.6m厚度1200mm、-770.6～-787.6m厚度850mm。井壁結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 主井筒井壁結(jié)構(gòu)簡圖(mm)

綜上所述，主井筒上部采用凍結(jié)法施工，下部為普通法施工。井筒凍結(jié)段采用雙層現(xiàn)澆鋼筋混凝土(或鋼纖維混凝土)HDPE塑料夾層復(fù)合井壁，混凝土強(qiáng)度等級為C40～CF70，配置雙(或三)層HRB335(或400)鋼筋；非凍結(jié)段井壁采用單層鋼纖維+鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級為CF50。

凍結(jié)深度超過井筒相關(guān)聯(lián)硐室(如尾繩更換硐室)時，要求井筒凍結(jié)前采用緩凝泥漿置換技術(shù)對凍結(jié)孔環(huán)形空間進(jìn)行治理，以防凍結(jié)孔形成導(dǎo)水通道，并擇機(jī)對內(nèi)外層井壁間及壁后進(jìn)行注漿封水。

2.3 井筒裝備設(shè)計(jì)研究

井筒裝備設(shè)計(jì)中，根據(jù)兩對50t箕斗荷重以及箕斗上下運(yùn)行對罐道、罐道梁所產(chǎn)生的較大作用力(含豎向、水平方向)，按《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50384— 2007)的有關(guān)規(guī)定并考慮不同層間距、罐道截面倒角等因素，并應(yīng)用三維整體模型計(jì)算罐道及罐道梁，具體計(jì)算如下：

2.3.1 計(jì)算模型

材料選用Q345鋼材，3m層間距，采用多跨連續(xù)梁計(jì)算模型，荷載選用Q/12計(jì)算得來，強(qiáng)度驗(yàn)算考慮上下層罐道梁及罐道的相互作用，采用三維建模，如圖3所示。

圖3 多跨連續(xù)梁力學(xué)計(jì)算模型

強(qiáng)度驗(yàn)算采用規(guī)范公式，即：

2.3.2 計(jì)算荷載

尾繩長度：791m；單重：21.2×2+19.5=61.9kg/m。

載重：50×1.1=55t；總自重：62t。

運(yùn)行加速度：0.8m/s2，最大為1m/s2；速度最大15.18m/s。

提升繩端荷載：166t。

在Q/12荷載下計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 層間距不同計(jì)算結(jié)果對比圖

材料消耗量對比：3.0m層間距比4.0m層間距節(jié)省鋼材180kg/m×720m=129.6t。

2.3.3 計(jì)算選型

在保證箕斗安全運(yùn)行的情況下，綜合考慮罐道型鋼冷彎工藝、材料消耗量的前提下，井筒內(nèi)裝備220mm×220mm×14mm(倒角R=24)較大截面尺寸的冷彎方形空心型鋼罐道、豎向和橫向均具有較大承載(抗壓、彎)能力的300mm×200mm×14mm(倒角R=21mm)冷彎矩形空心型鋼罐道梁、32c工字鋼支撐梁、采用250mm×250mm×25mm最大型號的角鋼制作罐道梁支座；罐道梁和支撐梁較為罕見的采用3.0m層間距以提高罐道的承載能力、減小罐道對每道罐道梁和支撐梁的作用力，確保了提升容器的安全運(yùn)行。

3 工程應(yīng)用

紅慶河礦井主井井筒水平以上采用凍結(jié)法施工，水平以下采用普通法施工，主井井筒凍結(jié)段井壁深度為689.6m。主井提升系統(tǒng)實(shí)際提升能力為115～144萬t/月(井下正常生產(chǎn)時)，提升最大速度為15.19m/s、箕斗休止時間為33s、一勾循環(huán)時間為109s。

4 結(jié) 語

該項(xiàng)目的成功研發(fā)標(biāo)志著從系統(tǒng)上解決了約束特大型深主立井工程項(xiàng)目建設(shè)的核心難題，突破了埋深超過600m的立井開拓煤礦年生產(chǎn)能力大于千萬噸就必須建設(shè)兩個主立井的現(xiàn)狀，通過優(yōu)化布置箕斗布置方式，實(shí)現(xiàn)井筒直徑選取最優(yōu)的“一”字型布置方式，節(jié)省大量投資及運(yùn)營費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)顯著。分析了井筒圍巖地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)采用了雙層現(xiàn)澆鋼筋混凝土(或鋼纖維混凝土)HDPE塑料夾層復(fù)合井壁，下部非凍結(jié)段井壁采用單層鋼纖維+鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)。截止目前，提升系統(tǒng)工作狀況良好，運(yùn)行正常，實(shí)現(xiàn)了礦井1500萬t/a設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力的目標(biāo)，該項(xiàng)目的成功從系統(tǒng)上解決了約束特大型深主立井工程項(xiàng)目建設(shè)的核心難題，也為我國非煤礦山立井提升和國防地下工業(yè)領(lǐng)域提供研究基礎(chǔ)。