阅读说明：本技术 一种提高断面利用率的竖井结构及其设计方法 (Vertical shaft structure for improving section utilization rate and design method thereof ) 是由 史秀志 饶帝军 喻智 邱贤阳 霍晓锋 陈新 张宗国 张军辉 李泽宇 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高断面利用率的竖井结构及其设计方法,竖井断面包括中间的矩形断面和位于矩形断面两侧的半圆形断面,半圆形断面的直径边与矩形两侧边长度相等并相互重合；竖井断面的内壁平行于半圆形断面的直径边布置至少两组主罐道梁,所述主罐道梁之间设置用于提升容器升降的提升罐道。本发明同时利用了竖井矩形井筒断面利用率高和竖井圆形断面受力好的优点,在断面面积相同的情况下,可以增大梯子间等空间的尺寸,更有利于逃生,增加安全系数,有更大空间布置管道和线缆,也便于管道和线缆的维护修理,提高了竖井断面的利用率,在相同设备的情况下,相对圆形断面,可以减小井筒断面面积,减少工程量,降低造价,缩减工程建设周期。(The invention discloses a vertical shaft structure for improving the utilization rate of a section and a design method thereof, wherein the section of the vertical shaft comprises a middle rectangular section and semicircular sections positioned at two sides of the rectangular section, and the diameter sides of the semicircular sections are equal to the length of the two sides of the rectangular section and are mutually superposed; at least two groups of main cage guide beams are arranged on the inner wall of the cross section of the vertical shaft in parallel with the diameter edge of the semicircular cross section, and a lifting cage guide for lifting a container is arranged between the main cage guide beams. The invention simultaneously utilizes the advantages of high utilization rate of the section of the rectangular shaft of the vertical shaft and good stress of the circular section of the vertical shaft, can increase the size of spaces such as a ladder room under the condition of the same section area, is more beneficial to escape, increases the safety factor, has larger space for arranging pipelines and cables, is also convenient for maintaining and repairing the pipelines and the cables, improves the utilization rate of the section of the vertical shaft, and can reduce the section area of the shaft, reduce the engineering quantity, reduce the manufacturing cost and shorten the engineering construction period compared with the circular section under the condition of the same equipment.)

一种提高断面利用率的竖井结构及其设计方法

技术领域

本发明属于矿山竖井，具体涉及一种提高断面利用率的竖井结构及其设计方法。

背景技术

当矿体赋存在地平面以下，矿体倾角≥45°或者＜15°而埋藏较深时，常常采用竖井开拓，利用竖井形成提升、运输、通风、排水以及动力供应等完整系统，把新鲜空气送入地下并把地下污浊空气排出地表，把矿坑水排出地表，把人员、材料和设备等送入地下和运出地面。当采用一般的提升方法时，竖井的生产能力比斜井大，且易于维护，故竖井开拓是金属矿山最广泛采用的开拓方法。

竖井井筒断面的选择，主要依据井筒用途、服务年限、通过岩层的性质、支护材料等因素来确定。现有的金属矿山的竖井井筒断面形状，大都采用圆形、少数小型矿井采用矩形。由于圆形断面受力条件好，通风阻力小，新设计竖井的断面大多数都是圆形，一般服务年限在15年以上的大中型矿井都采用圆形断面竖井，但是圆形井筒往往断面利用率低，导致工程量增加，进而提升矿井建设成本，增加工期。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对圆形断面竖井存在断面利用率低的问题，提供一种提高断面利用率的竖井结构及其设计方法，对于提升竖井断面利用率从而减少工程量、降低建设成本和工期、缓解矿山还贷压力具有重要意义。

本发明采用如下技术方案实现：

一种提高断面利用率的竖井结构，竖井断面包括中间的矩形断面和位于矩形断面两侧的半圆形断面，所述半圆形断面的直径边与矩形两侧边长度相等并相互重合；

所述竖井断面的内壁平行于半圆形断面的直径边布置至少两组主罐道梁，所述主罐道梁之间设置用于提升容器升降的提升罐道。

上述方案的竖井结构中，所述主罐道梁和半圆形断面内壁之间的空间设置梯子间和/或平衡锤罐道和/或管线。

本发明进一步公开了上述竖井结构的设计方法，具体包括如下步骤：

步骤一、通过勘探获得竖井施工位置的地层信息；

步骤二、根据竖井的用途及性能要求选择竖井井筒内的设备设施；

步骤三、采用计算图解法根据竖井井筒内的设备设施尺寸、设备设施布置方式及对应的安全间隙要求计算竖井断面尺寸，包括矩形断面的宽度W、矩形断面的长度L_J、半圆形断面的半径R_D、竖井断面端部长度L，以上参数之间存在如下关系，R_D＝W/2，L＝L_J+2R_D；

步骤四、根据竖井施工位置的地层信息结合竖井断面尺寸，选择支护方式；

步骤五、按照平面挡土墙理论计算竖井井筒的侧压力，并据此计算井壁设计载荷；

步骤六、根据薄壁理论、厚壁理论及能量理论分别计算竖井井筒的井壁厚度，根据计算结果选择井壁厚度；

步骤七、对竖井井筒的井壁横向稳定性进行验算；

步骤八、对竖井井筒的井壁强度进行验算；

步骤九、按照以上设计结构进行竖井的施工。

上述方案的竖井结构设计方法的步骤一中，

在竖井施工区域打工程地质钻，获得地层信息、含水层状况、节理裂隙发育状况、涌水量工程地质及水文地质资料，通过试验及文献查阅相结合的手段，获得竖井拟施工位置的地层信息，包括但不限于各岩层厚度、重力密度及内摩擦角参数。

上述方案的竖井结构设计方法的步骤二中，

若竖井用于提升矿石、废石，按公式(1)确定矿山生产能力对提升容器提升能力的要求，

式中，

A_s——小时提升量，单位为t/h，

A——年提升量，单位为t/a，

C——提升不均衡系数，箕斗作为提升容器取1.15，罐笼作为提升容器取1.2，

t_r——年工作日数，单位为d/a，

t_s——日工作小时数，单位为h/d，

t_s的选取，当箕斗作为提升容器提升一种矿石时，取19.5h，箕斗作为提升容器提升两种矿石时，取18h，当罐笼作为提升容器作主提升时，取18h，罐笼作为提升容器兼做主副提升时，取16.5h，当箕斗和罐笼混合提升，在有保护隔离措施时，按上面数据选取，若无保护隔离措施则箕斗或罐笼提升的时间均按单一竖井提升时减少1.5h，

然后根据公式(2)计算加权平均提升高度：

式中，

H′——加权平均提升高度，单位为m，

H₁、Q₁——分别为第一阶段提升高度和阶段矿量，箕斗作为提升容器则为第一装矿点提升高度和矿量，

H₂、Q₂——分别为第二阶段提升高度和阶段矿量，箕斗作为提升容器则为第二装矿点提升高度和矿量，

其它符号依次类推，

再根据公式(3)计算提升速度：

式中，

v_t——提升速度，单位为m/s，

如果提升容器是罐笼，还承担升降人员的任务，则其最大速度不应超过12m/s，

再根据公式(4)和公式(5)计算提升容器的容积：

采用双容器提升，

采用单容器提升，

式中，

V′——提升容器的容积，单位为m³，

A_s——每小时提升量，单位为t/h，

H′——加权平均提升高度，单位为m，

u——箕斗在曲轨上减速与爬行的附加时间，取10s，如果是罐笼，取0s，

θ——提升容器的休止时间，根据选用的提升容器按表1、表2取值，

K₁——经验调整系数，根据提升速度按表4进行选取，

γ——矿石或废石松散密度，单位为t/m³，

C_m——装满系数，取0.85～0.9，

再根据计算出的容积V′选定提升容器；

若选用罐笼作为竖井提升容器的同时还用于提升人员材料，则还需根据提升的材料、设备的最大外形尺寸及质量、最大班提升井下生产人员的时间不超过45min来选定罐笼，即45min内运送人数应满足：

式中，

T′——提升人员一次循环时间，单位为s，

n——所选罐笼每次提升人员数，

n₀——最大作业班工人数，

提升人员一次循环时间T′：

式中，

K₁——经验调整系数，根据提升速度按表4进行选取，

θ′——休止时间，根据选用的提升容器按表3取值。

表1罐笼进、出车停歇时间表

表2箕斗装载停歇时间表

表3罐笼升降人员停歇时间表

表4经验调整系数K₁值

上述方案的竖井结构设计方法的步骤三中，竖井内部的安全间隙要求按照表5进行选取，

如果井筒同时用于通风的话，按公式(8)校核竖井井筒断面：

式中，

υ——通过井筒的风速，单位为m/s，

Q——通过井筒的风量，单位为m³/s，

S₀——井筒有效通风断面积，单位为m²，如果竖井井筒内设梯子间，则S₀＝S-A，

S——井筒净断面面积，单位为m²，

A——梯子间断面面积，单位为m²，

υ_y——《冶金矿山安全规程》规定井巷中允许的最大风速，取8m/s；

如果断面不够，则按0.1m晋级加大矩形断面的长度和宽度。

表5提升容器(含平衡锤)与井内装备、井壁间的最小间隙(mm)

上述方案的竖井结构设计方法的步骤五中，

将竖井井筒罐道井壁视作平面挡土墙，竖井穿过n个岩层，则第n层岩层顶面上的垂直压力为：

第n层岩层底面上的垂直压力为：

对于任一分层，其顶面的侧压力为：

对于任一分层，其底面的侧压力为：

式中，

q′_nk、q″_nk——分别为第n层岩石的顶面和底面的侧压力标准值，单位为kN/m²，

γ₁、γ₂……γ_n——不同岩层的重力密度，单位为kN/m³，

h₁、h₂……h_n——不同岩层的厚度，单位为m，

φ₁、φ₂……φ_n——不同岩层的内摩擦角；

井壁设计载荷按公式(13)和(14)计算：

q′_n＝F_sq′_nk (13)，

q_n″＝F_sq_nk″ (14)；

式中，

q′_nk、q″_nk——分别为第n层岩石的顶面和底面的侧压力标准值，单位为kN/m²，

q′_n、q″_n——分别为第n层岩石的顶面和底面的侧压力设计值，单位为kN/m²，

F_s——安全系数，取≥1.2。

上述方案的竖井结构设计方法的步骤六中，

按薄壁理论计算竖井井筒的井壁厚度，按公式(15)计算：

按厚壁理论计算井壁厚度，按公式(16)计算：

按能量理论计算井壁厚度，按公式(17)计算：

式中，

d——井壁厚度，单位为m，

q——井壁单位面积上所受侧压力设计值，单位为kPa，

R——井筒内半径，本发明中取单位为m；

R₁——井筒外半径，R₁＝R+d，单位为m，

f_c——井壁材料的抗压强度设计值，单位为kPa。

上述方案的竖井结构设计方法的步骤七中，

竖井井筒的井壁横向长细比不得超过下列规定：

对混凝土井壁，

对钢筋混凝土井壁，

竖井井筒的井壁横向稳定性按公式(18)计算：

式中，

E——井壁材料受压时的弹性模量，单位为kPa，

b——井壁环计算高度，一般取b＝1m计算，

R₀——井壁截面中心至井筒中心的距离，单位为m，

υ——井壁材料的泊松系数，

L₀——井壁环的横向换算长度，按L₀＝1.82R₀计算，单位为m。

上述方案的竖井结构设计方法的步骤八中，

按照公式(19)和公式(20)验算竖井井筒的井壁强度，

当为薄壁井筒时：

当为厚壁井筒时：

式中，

q——井壁承受的侧压力设计值，单位为kPa，

f_c——井壁材料的设计抗压强度设计值，单位为kPa，

f_cc——素混凝土的轴心设计抗压强度设计值，其值按照混凝土设计强度表中的轴心抗压强度乘以0.95系数选用，单位为kPa，

——井壁环的纵向稳定性系数，按照表6、表7选取；

表6素混凝土构件的稳定系数

表7钢筋混凝土构件的稳定系数

当混凝土井壁采用配置钢筋时，其配筋按照公式(21)和公式(22)计算，对薄壁井筒：

对厚壁井筒：

式中，

A′_s——受压钢筋截面面积，单位为m²，

f_c——混凝土轴心抗压强度设计值，单位为kPa，

f_y′——纵向钢筋的抗压强度设计值，单位为kPa，

b′——井壁环计算宽度，取b′＝1m计算，

d——井壁环计算高度，即为井壁厚度，单位为m，

——钢筋混凝土稳定系数；

以上薄壁井筒和厚壁井筒的划分方法如下：

当时，为薄壁井筒，当时，为厚壁井筒。

本发明的有益效果在于：

本发明的竖井断面同时利用了竖井矩形井筒断面利用率高和竖井圆形断面受力好的优点，相对单一的圆形断面，在断面面积相同的情况下，可以增大梯子间等空间的尺寸，更有利于逃生，增加安全系数，在断面面积相同的情况下，可以有更大空间布置管道和线缆，也便于管道和线缆的维护修理。更重要的是提高了竖井断面的利用率，在相同设备的情况下，相对圆形断面，可以减小井筒断面面积，减少工程量，降低造价，缩减工程建设周期。

以下结合附图及

具体实施方式

对本发明进行进一步的说明。

附图说明

图1a、1b为实施例一中的竖井井筒断面示意图(图1a与图1b中竖井断面及设施种类、尺寸等均完全一致，因图1a中指示、标注等较多，不便于更清楚的说明本实施例的技术方案，特附图1b加以辅助说明)。

图2为实施例二中的竖井井筒断面示意图。

图中标号：

1-电缆，2-梯子间，3-主罐道梁，4-矩形断面井壁，5-罐笼，5’-箕斗，6-主罐道梁，7-平衡锤，8-半圆形断面井壁，9-梯子间外边梁，10-梯子间外边梁，11-管道，12-梯子间安全隔栏，13-罐笼罐道，13’-箕斗罐道，14-平衡锤罐道，15-矩形断面一侧长边，16-矩形断面另一侧长边，17-辅助罐道梁，18-主罐道梁。

O点为左端半圆形断面圆心，O’点为右端半圆形断面圆心，A点为梯子间外边梁9中心线与井壁的交点，B点为平衡锤7临半圆形断面井壁8的侧顶角点，C点为半圆形断面井壁8上距离点B最近的点，C点和平衡锤7位于辅助罐道梁17的同侧，D点、E点为罐笼5两侧临矩形断面井壁4的侧顶角点，H点为矩形断面一侧长边与箕斗5’侧边的交点，J点为箕斗5’临矩形断面井壁或半圆形断面井壁8的侧顶角点，K点为矩形断面井壁或半圆形断面井壁8上距离点J最近的点，K点和箕斗5’位于主罐道梁6的同侧。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创新性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参见图1a和图1b，图示中的竖井断面为本发明的一种具体实施方案，整个竖井断面分成中间的矩形断面和位于矩形断面两侧的半圆形断面，其中，矩形断面一侧长边15和矩形断面另一侧长边16为矩形断面的矩形两侧平行侧边，该两侧长边分别与两侧的半圆形断面的直径边长度相等并相互重合，形成竖井组合断面。

在该竖井断面内设有两组主罐道梁3、6，两组主罐道梁3、6平行于矩形断面一侧长边15和矩形断面另一侧长边16设置，主罐道梁3、6的端部分别锚固在矩形断面井壁4和半圆形断面井壁8内，本实施例的竖井选用罐笼5作为提升容器，在两组主罐道梁3、6之间安装设置罐笼罐道13，作为竖井内的提升罐道，一侧的主罐道梁3外侧与半圆形断面内壁8之间的竖向空间内设置梯子间2，梯子间2通过梯子间外边梁9、10在主罐道梁3和井壁之间搭设，在梯子间2的周边设置安全围栏12，该竖向空间内除梯子间2之外的竖井内壁上固定铺设电缆1和管道11。另一侧的主罐道梁6外侧与另一侧半圆形断面内壁8之间的竖向空间内设置两组辅助罐道梁17，两组辅助罐道梁17垂直于主罐道梁6设置，两端部分别与主罐道梁6和半圆形断面内壁8固定，在两组辅助罐道梁17之间设置平衡锤罐道14，内部安装罐笼5升降时的平衡锤7，该平衡锤7居中布置，即平衡锤中心在井筒断面中心线上。

如图1a和图1b所示，根据本发明的竖井断面设计方法，本实施例的竖井设计包括以下步骤：

步骤一：工程技术人员在竖井拟施工区域打工程地质钻，获得地层信息、含水层状况、节理裂隙发育状况、涌水量等工程地质及水文地质资料，并结合相关试验及文献查阅等手段，获得竖井拟施工位置地层信息，包括各岩层厚度、重力密度及内摩擦角等参数，以上参数的地质试验均为现有试验。

步骤二：该竖井选择罐笼作为提升工具，用于提升人员材料等，不用于提升矿石或废石，所以不需要计算提升容器容积。最大作业班工人数为n₀＝400。

根据需要提升的材料、设备的最大外形尺寸及质量，初选YMGG2.2-1型3^#单层多绳罐笼，该罐笼一次乘人数为n＝15，下面对该罐笼最大班提升井下生产人员的时间进行验算。

已知该矿山有三个阶段，提升高度分别为100m、150m、200m，对应的矿量分别为10万t、116万t、44万t。

根据公式(2)计算加权平均提升高度，

再根据公式(3)计算提升速度，

符合要求；

根据表3，单面车场无人行绕道时，罐笼升降人员休止时间为，

θ′＝(n+10)×1.5＝(15+10)×1.5＝37.5s，

根据公式(7)计算提升人员一次循环时间T′，

根据公式(6)计算45min内运送人数为：

所选罐笼满足要求。

该罐笼外形尺寸为2200mm(L₁)×1640mm(W₁)，高6600mm，最大载荷4.2t。该罐笼要求的罐道之间的水平净间距为W₀＝1720mm，罐笼四角作拐角收缩处理，倒角收缩距离ΔX＝ΔY＝50mm。罐笼自重4.6t，最大提升量4.2t，平衡锤重量应为6.7t，选取重7t平衡锤，尺寸为1000mm(L₂)×400mm(W₂)，该平衡锤要求的罐道之间的水平净间距为Lr＝1080mm。主罐道梁3、6及梯子间外边梁9、10的宽度均为b₀＝102mm，罐笼罐道13的高度d₂＝120mm，平衡锤罐道14的高度d₅＝110mm。

步骤三：本实例中罐笼5的长度L₁为2200mm，罐道在罐笼正面，罐道为钢罐道，所以罐笼5与矩形断面井壁4之间的安全间隙d₁按照表5选取，应满足d₁≥150mm，本实例中取d₁＝400mm，则矩形断面的宽度W＝L₁+2d₁＝3000mm。平衡锤7的罐道为钢罐道，布置在其两侧，平衡锤7与主罐道梁6之间的安全间隙取d₃＝300mm，按照表5要求平衡锤7与半圆形断面井壁8之间的安全间隙应满足d₄≥150mm。梯子间2的两梯子间外边梁9、10的中心线间距取H＝1500mm，考虑方便安装，梯子间外边梁10中心线至井筒中心线的距离d_J应不小于300mm，取d_J＝650mm。d₀是另一侧梯子间外边梁9中心线至井筒中心线的距离，d₀＝H-d_J＝1500-650＝850mm。梯子间外边梁9中心线与井壁的交点A至罐道梁3中心线间距最小为M₀＝1200+m+b₀/2＝1200+50+51＝1301mm(其中m＝50mm，为梯子间安全围栏12的厚度)，即梯子间外边梁9中心线与井壁的交点至主罐道梁3中心线间距需满足M>M₀＝1301mm，本实施例中取M＝1582mm。如图1b所示，根据勾股定理可得出其中R_D是井筒断面两端半圆的半径且R_D＝W/2＝1500mm。根据图1b中几何关系可以得到矩形断面一侧长边15与罐道梁3之间的距离为X₁＝M-M₁＝1582-1236＝346mm。

矩形断面另一侧长边16与D、E两点连线重合(如果罐笼四角未作拐角收缩处理，则D、E两点为罐笼右侧两角)，所以，根据图1b中几何关系可得到如下等式：

等式两边均为矩形断面一侧长边15与主罐道梁6中心线之间的距离，变换等式可得矩形断面的长度为：

所以井筒断面端部长度为L＝L_J+W＝2147+3000＝5147mm。根据以上尺寸数据，利用AutoCAD软件将整个竖井井筒的断面及平衡锤7、辅助罐道梁17等设施画出，在AutoCAD所画断面图中可以很容易找到C点位置，随后量出B、C两点之间的距离为d₄＝371.5mm>150mm，满足要求。如果d₄<150mm，则需要加长L_J，直至d₄≥150mm。

该实施例中井筒不用于通风，故不需要按通风要求核算井筒断面。

所以确定井筒断面尺寸为L＝5147mm，L_J＝2147mm，W＝3000mm，R_D＝1500mm。

步骤四：根据工程地质条件、水文地质资料、地应力状况、井筒断面尺寸等，选择本实施例竖井采用混凝土支护，混凝土强度为C30。

步骤五：按照平面挡土墙理论计算竖井井筒的侧压力，并据此计算井壁设计载荷。

竖井总深230m，穿过三层岩层，各层厚度及岩性见表8。

表8各层岩层特性表

<u>层次</u>	<u>岩层名称</u>	<u>厚度h<sub>1</sub>(m)</u>	<u>重度γ<sub>1</sub>(kN/m<sup>3</sup>)</u>	<u>h<sub>1</sub>γ<sub>1</sub>(kPa)</u>	<u>内摩擦角</u>
						<u>I</u>	<u>砂质粘土</u>	<u>80</u>	<u>20.4</u>	<u>1632</u>	<u>18°12′</u>
<u>II</u>	<u>硬质砂土页岩</u>	<u>100</u>	<u>20.5</u>	<u>2050</u>	<u>75°54′</u>
						<u>III</u>	<u>砂页岩</u>	<u>50</u>	<u>22.0</u>	<u>1100</u>	<u>76°48′</u>

第I层底面侧压力标准值：

第I层底面侧压力设计值：

q₁″＝F_sq_1k″＝1.4×855.1＝1198kPa；

第II层顶面侧压力标准值：

第II层顶面侧压力设计值：

q₂′＝F_sq_2k′＝1.4×24.96＝34.96kPa；

第II层底面侧压力标准值：

第II层底面侧压力设计值：

q₂″＝F_sq_2k″＝1.4×49.89＝69.85kPa；

第III层顶面侧压力标准值：

第III层顶面侧压力设计值：

q₃′＝F_sq_3k′＝1.4×49.29＝69.01kPa；

第III层底面侧压力标准值：

第III层底面侧压力设计值：

q₃″＝F_sq_3k″＝1.4×64.02＝89.63kPa；

步骤六：根据薄壁理论、厚壁理论及能量理论分别计算井壁厚度，计算结果见表9。根据表9中计算出的井壁厚度，选择d＝0.25m的支护厚度，强度不足段，采用配筋方法补强。

表9井壁各段侧压力及壁厚估算表

步骤七：对井壁横向稳定性进行验算。

L₀＝1.82R₀＝1.82×2.6958＝4.911m，

满足要求。

满足要求。

步骤八：对井壁强度进行验算。

所以属于薄壁井筒。

根据表6有：

选用的水泥强度为C30，其抗压强度设计值为f_c＝14300kPa。

根据公式(19)有：

在上述各层侧压力中，凡小于769kPa者均满足强度要求。凡超过q＝769kPa者，壁厚250mm不能满足强度要求，均需配置钢筋。

配筋计算如下：

配筋段

取配筋段长为29m，即井口以下51m～80m处，其余各段可不配筋。选用II级钢筋，f_y′＝310000kPa。为了配置得经济合理，将配筋分为两段进行计算：第一段从井口以下51m～71m，第二段从71m～80m。

第一段：

最大侧压力：

根据表7有：

根据公式(21)有：

选用Φ[email protected]，双层配置。

第二段：

根据公式(21)有：

选用Φ[email protected]，双层配置。

步骤九：按照上述设计断面用普通法进行竖井的施工，包括表土掘进、基岩掘进，基岩掘进包括凿岩、装药爆破、通风、清扫吊盘和临时并圈、排水、装岩清底、提升、支护等工序，具体的掘进、爆破、支护等均为现有施工技术，本实施例在此不做赘述。

实施例二

如图2所示，图示中的竖井断面结构为本发明的另一种具体实施方案，与实施例一相同的是，整个竖井断面分成中间的矩形断面和位于矩形断面两侧的半圆形断面，其中，矩形断面的两侧长边分别与两侧的半圆形断面的直径边长度相等并相互重合，形成竖井组合断面。

与实施例一不同的是，在竖井断面内设有三组平行的主罐道梁3、18、6，三组主罐道梁3、18、6平行于矩形断面与半圆形断面重合的侧边，主罐道梁3、18、6的端部分别锚固在矩形断面井壁4和半圆形断面井壁8内，本实施例采用两组箕斗5’作为提升容器，在主罐道梁3和主罐道梁18之间和主罐道梁18和主罐道梁6之间安装设置两组箕斗罐道13’，作为主罐道。两组箕斗5’成对设置，不需要设置平衡锤。

结合参见图2，根据本发明的竖井断面设计方法，本实施例的竖井设计包括以下步骤：

步骤一：工程技术人员在竖井拟施工区域打工程地质钻，获得地层信息、含水层状况、节理裂隙发育状况、涌水量等工程地质及水文地质资料，并结合相关试验及文献查阅等手段，获得竖井拟施工位置地层信息，包括各岩层厚度、重力密度及内摩擦角等参数。

步骤二：该竖井拟采用双箕斗提升矿石，年提升量为170万t。

根据公式(1)，双箕斗每小时提升量：

已知该矿山有三个阶段，提升高度分别为100m、150m、200m，对应的矿量分别为10万t、116万t、44万t。

据公式(2)计算加权平均提升高度：

根据式(3)计算提升速度：

根据式(4)，计算提升时容器的容积：

根据以上数据选定一对DJS1/2-3.2多绳箕斗，斗箱容积3.2m³，载重7t，自重7.8t，长宽高尺寸为1346mm(L₁)×1214mm(W₁)×10157mm，该箕斗要求的罐道之间的水平净间距为W₀＝1326mm。罐道梁3、18、6的宽度均为b₀＝102mm，箕斗罐道13’的高度d₂＝120mm。

步骤三：本实例中罐道在箕斗正面，罐道为钢罐道，所以箕斗5’与竖井井壁之间的安全间隙d₃按照表5选取，应满足d₃≥150mm。箕斗5’与矩形断面井壁的距离取d₁＝400mm，则矩形断面的宽度W＝2R_D＝L₁+2d₁＝2146mm，其中R_D为竖井断面半圆形断面的半径。如图2所示，根据图中几何关系，可以得到H、J两点之间的距离为：

根据勾股定理可得到：

O’J²＝O’H²+HJ²；

所以，

进而可得J、K两点的距离为：

根据d₃≥150mm可求得L_J≥1618.67mm。取L_J＝2157mm时，d₃＝309mm。

根据以上尺寸数据，利用AutoCAD软件将井筒断面及井筒内设施画出，如图2所示，找出K点位置后发现K点位于箕斗5’与主罐道梁6同侧，所以满足要求。(如果K点不在箕斗5’与主罐道梁6同侧，则需要在半圆形断面井壁8上找出位于箕斗5’与主罐道梁6同侧且距离点J最近的点，并量取该点与点J的距离，检验该距离是否不小于150mm)

所以确定井筒断面尺寸为L＝4303mm，L_J＝2157mm，W＝2146mm，R_D＝1073mm。

该实例中井筒用于通风，按公式(4)校核井筒断面，其中通过井筒的风量Q＝64m³，井筒有效通风断面积S₀＝S＝8.24m²，所以

故井筒断面符合通风要求。

步骤四：根据工程地质条件、水文地质资料、地应力状况、井筒断面尺寸等，选择竖井采用混凝土支护，混凝土强度为C30。

步骤五：按照平面挡土墙理论计算竖井井筒的侧压力，并据此计算竖井井筒的井壁设计载荷。

竖井总深230m，穿过三层岩层，各层厚度及岩性见表8。

各层顶底面侧压力标准值和设计值与实施例1相同，此处不赘述。

步骤六：根据薄壁理论、厚壁理论及能量理论分别计算井壁厚度，计算结果见表10。根据表10中计算出的井壁厚度，选择d＝0.2m的支护厚度，强度不足段，采用配筋方法补强。

表10井壁各段侧压力及壁厚估算表

步骤七：对井壁横向稳定性进行验算。

L₀＝1.82R₀＝1.82×2.2515＝4.098m，

满足要求。

满足要求。

步骤八：对井壁强度进行验算。

所以本实施例设计的竖井属于薄壁井筒。

根据表6有：

选用的水泥强度为C30，其抗压强度设计值为f_c＝14300kPa。

根据公式(19)有：

在上述各层侧压力中，凡小于716kPa者均满足强度要求。凡超过q＝716kPa者，壁厚200mm不能满足强度要求，均需配置钢筋。

配筋计算如下：

配筋段

取配筋段长为33m，即井口以下47m～80m处，其余各段可不配筋。选用II级钢筋，f_y′＝310000kPa。为了配置得经济合理，将配筋分为两段进行计算：第一段从井口以下47m～70m，第二段从70m～80m。

第一段：

最大侧压力：

根据表7有：

根据公式(21)有：

选用Φ[email protected]，双层配置。

第二段：

根据公式(21)有：

选用Φ[email protected]，双层配置。

步骤九：按照上述设计断面用普通法进行竖井的施工，包括表土掘进、基岩掘进，基岩掘进包括凿岩、装药爆破、通风、清扫吊盘和临时并圈、排水、装岩清底、提升、支护等工序。

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。