葫芦素矿井西翼风井井壁结构设计思考
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摘要：本文根据葫芦素矿井西翼风井主要为基岩冻结的实际情况，结合该地区建井经验，提出了进一步减小水压折减系数，取消内外壁之间的塑料薄板、使内外壁成为整体，采用单层井壁三种减薄井壁厚度的思路，以供探讨。
关键词：葫芦素矿井西翼风井；井壁结构；设计
一、工程及地质概况
葫芦素矿井位于东胜煤田呼吉尔特矿区，地处内蒙古自治区鄂尔多斯市境内。葫芦素矿井西翼风井井筒净直径为5.5m，井口标高±0.00m（绝对标高+1308.5m），井底相对标高为-650.0m（绝对标高为+658.5m），井筒落底于2-1煤顶板。
井筒穿过的地层地质及水文地质情况如下：
（一）地质条件
井筒穿过的地层从上到下依次为第四系松散层、白垩系和侏罗系煤系地层。各地层参数见表1。
（二）水文地质情况
第四系水位绝对标高+1305.92m，钻孔单位涌水量q=2.198～3.449L/s.m，含水层富水性强。白垩系含水层水位绝对标高+1310m，钻孔单位涌水量q=0.302～0.304L/s.m，富水性中等。侏罗系中统安定组水位绝对标高为+1307.14m，钻孔单位涌水量q=0.0225～0.0229L/s.m，含水层富水性弱。侏罗系中统直罗组、延安组含水层水位绝对标高+1292.46m，钻孔单位涌水量q=0.0333～0.0345L/s.m，含水层富水性弱。
二、按现行规范井壁结构设计情况
葫芦素西翼风井采用全深冻结法施工。井筒采用聚乙烯塑料薄板夹层双层钢筋混凝土井壁结构。根据《煤矿立井井筒及硐室设计规范》，内层井壁按静水压力计算，其中基岩冻结段（白垩系下部及侏罗系）考虑0.81的折减系数。外层井壁按承受冻结压力计算，表土段冻结压力按规范取值，基岩段无计算公式，参考表土段厚度，按临时支护考虑。各段井壁厚度取值见表2。
井筒-650m处采用C75混凝土内层井壁厚度达到1.0m，总壁厚达到1.3m，若采用C65混凝土内层井壁厚度将达到1.2m，总壁厚将达到1.5m，掘砌效率低下，而且井壁厚度大，混凝土浇筑时水化热大、施工质量难以保障。
三、井壁结构设计的几点思考
目前，冻结立井井壁设计依据是《煤矿立井井筒及硐室设计规范》和《煤矿冻结法开凿立井工程技术规范》。《规范》中冻结法井壁设计理论主要适用于东部地区表土冲积层和流沙层等不稳定地层，以及基岩风化带和接近风化带的强含水层。
西部地区与东部地区的矿井水文与工程地质不尽相同，主要为：新生届地层：西部地区新生界地层均较浅（多在100m以浅）；中生届地层：西部地区中生届地层多为以白垩系和侏罗系为主的软岩地层。总体来看，西部地区多为基岩冻结。
本次根据葫芦素矿井西翼风井主要为基岩冻结的特点，从进一步减小水压折减系数，取消内外壁之间的塑料薄板、使内外壁成为整体，采用单层井壁三个方面对-460m以深井壁结构进行探讨。
（一）进一步减小水压折减系数
根据本区地层岩性及含水情况，同时考虑壁间注浆，并参考相关资料，新上海庙回风立井-411m处实测水压为2.618MPa，约为0.7倍的静水压力。因此，葫芦素西翼风井-460m以深，计算内层井壁厚度时，水压折减系数按0.7考虑。
经计算，内层井壁混凝土强度等级取C75，计算厚度为0.76m，设计取0.8m，井壁总厚度为1.1m，与原井壁厚度相比，可减少0.2m。
（二）取消内外壁之间的塑料薄板、使内外壁成为整体
中国矿业大学的研究表明，在水泥水化热的作用下，一般情况下内层井壁的温度在砌筑后1d～2d左右升至峰值（约40℃～80℃，内壁越厚，峰值温度越高），随后内壁温度下降，内壁产生冷缩。内壁由于受外壁的约束不能自由收缩而产生约束温度应力。在该约束温度应力作用下，内壁易出现近水平裂缝。
本次考虑取消内外壁之间的塑料薄板，在内层井壁使用补偿收缩混凝土，内壁混凝土凝固过程中，基本不产生冷缩，可有效避免温度应力作用时产生的裂缝。同时，考虑采用补偿收缩混凝土后，内外壁浇筑为整体共同受力。
内外壁浇筑为整体后，直接与围岩接触，受力情况发生变化，井壁荷载按现行规范中公式计算，如下：
P=γHtan2（45°-φn/2）。
式中：γ——岩层重力密度（MN/m3），取0.024；
H——岩层厚度（m）；
φn——为内摩擦角，取36°。
根据计算，-650m处井壁混凝土强度等级取C65，计算总厚度为0.78m，设计取0.8m。
考虑内外壁为分次施工，外壁厚度取0.3m，内壁厚度取0.5m，总厚度为0.8m，与原井壁厚度相比，可减少0.7m。
（三）采用单层井壁结构
葫芦素矿井中央风井采用了单层冻结井壁结构，为防止单层井壁接茬处漏水，增加了井壁接茬止水钢板，并采取了壁后有效注浆堵水措施，确保井筒封水效果。该井筒于2013年底竣工，井筒涌水量控制在5m3/h以内，达到了预期效果。该井筒净直径为8.0m，-650m处单层井壁厚度为1.0m，混凝土强度等级为C65。根据与中央风井类比，葫芦素西翼风井若采用单层井壁结构，混凝土强度等级取C65，厚度为0.69m，设计取0.7m，与原井壁厚度相比，可减少0.8m。
四、结语
根据葫芦素矿井西翼风井主要为基岩冻结的实际情况，结合该地区建井经验，提出了几种减薄井壁的思路，由于理论支撑不足，西部区域冻结立井井壁受力机理和厚度计算方法尚不明确，本文观点只做探讨。可以肯定，西部地区井壁受力机理和建井理论的完善是非常重要且复杂的科研问题，期待科研、设计单位共同努力，使问题得以解决。
参考文献：
[1]华召文，鄭忠友.西部矿区立井基岩冻结井壁的设计研究.第六届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集[C].北京：煤炭工业出版社，2011：487-491.
[2]姚直书，程桦，荣传新.西部地区深基岩冻结井筒井壁结构设计与优化[J].煤炭学报，2010，35（5）：760-764.
[3]GB 50384-2016，煤矿立井井筒及硐室设计规范[S].