一种用于深埋藏矿井缓冲吸能让压井壁结构
阅读说明：本技术 一种用于深埋藏矿井缓冲吸能让压井壁结构 (Buffering, energy-absorbing and yielding well wall structure for deep-buried mine ) 是由 王剑波 姜明伟 刘焕新 张德琦 侯奎奎 王玺 郝英杰 程力 尹延天 范玉赟 刘兴 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明属于岩土工程技术领域,公开了一种用于深埋藏矿井缓冲吸能让压井壁结构,包括井筒外壁、井筒内壁以及吸能缓冲组件；所述吸能缓冲组件包括多个吸能缓冲管,均匀的竖向设置在井筒内壁与井筒外壁之间,且分别与井筒内壁与井筒外壁相接触,所述吸能缓冲管具有竖向中空结构,所述吸能缓冲钢管之间的间隙填充有弹性体；本发明能保证当井筒外壁受到外力时让压结构能吸收外壁传进来的作用力,减少周围土体压力对内壁的冲击保证内壁低压或者不受压,提高井筒结构安全性,确保深部井筒稳定性。(The invention belongs to the technical field of geotechnical engineering, and discloses a buffering, energy-absorbing and yielding well wall structure for a deep-buried mine, which comprises a well wall outer wall, a well wall inner wall and an energy-absorbing buffering assembly, wherein the energy-absorbing buffering assembly is arranged on the well wall outer wall; the energy-absorbing buffer assembly comprises a plurality of energy-absorbing buffer tubes, the energy-absorbing buffer tubes are uniformly and vertically arranged between the inner wall and the outer wall of the shaft and are respectively contacted with the inner wall and the outer wall of the shaft, the energy-absorbing buffer tubes are of vertical hollow structures, and gaps among the energy-absorbing buffer steel tubes are filled with elastomers; the invention can ensure that the yielding structure can absorb the acting force transmitted by the outer wall when the outer wall of the shaft is subjected to the external force, reduce the impact of the pressure of the surrounding soil body on the inner wall, ensure that the inner wall is low-pressure or not pressed, improve the safety of the shaft structure and ensure the stability of the deep shaft.)
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种用于深埋藏矿井缓冲吸能让压井壁结构。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的
背景技术
，而不必然地构成现有技术。矿山立井井筒承担着运人运物、通风降温等任务，是矿山安全高效生产必不可少的一个重要环节，是矿山的命脉。自上世纪80年代深厚表土层段立井井筒受非采动破坏事故频发，随着我国对矿产需求量不断增大，我国很多矿山竖井井壁已经进入千米阶段，目前有多条超1500m深竖井正在施工。
浅埋藏矿井立井井筒施工过程中可以采用即时支护的方法防止井壁破坏，若在深埋藏井壁中应用此种方法岩土压力不能得及时的释放使井壁产生破坏。并且，深埋藏矿井立井井筒施工过程深部土层容易失水稳定，井壁周围的表土层相对于刚性井壁产生竖向位移，井壁与周围表土层相互作用对井壁产生附加压力再加上较大的水平压力压裂井壁。
目前，针对此现状,并没有较为良好的技术方案被提出。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于深埋藏矿井缓冲吸能让压井壁结构，该结构采用让压技术，在井筒的内壁与外壁之间放置一定数量的吸能缓冲钢管能充分吸收井壁外部的能量，可以保证深埋藏井筒的稳定。为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来解决：
本发明提供了一种用于深埋藏矿井缓冲吸能让压井壁结构，包括井筒外壁、井筒内壁以及吸能缓冲组件；所述吸能缓冲组件包括多个吸能缓冲管，均匀的竖向设置在井筒内壁与井筒外壁之间，且分别与井筒内壁与井筒外壁相接触，所述吸能缓冲管具有竖向中空结构，所述吸能缓冲钢管之间的间隙填充有弹性体。
进一步地，所述吸能缓冲管为中空无缝钢管。
进一步地，所述中空无缝钢管的横截面为圆环。
进一步地，所述吸能缓冲管为中空开口钢管，所述中空钢管母线上具有开口。
进一步地，所述中空开口钢管的横截面为优弧环。
进一步地，所述吸能缓冲管为中空无缝钢管和中空开口钢管，所述中空钢管母线上具有开口，中空无缝钢管和中空开口钢管用于压力非对称井筒，设置中空开口钢管位置所受侧向水平压力大于设置中空无缝钢管位置所受侧向水平压力。
进一步地，所述开口方向与所述中空开口钢管与所述井筒外壁接触点切线方向一致。
进一步地，所述开口的角度范围为大于0°小于等于30°。
进一步地，相邻的吸能缓冲管之间的圆心角角度范围为10°～30°。
进一步地，所述弹性体为聚氨酯发泡剂。
上述本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供一种用于竖井井筒内壁与外壁之间的吸能让压结构，该结构在井筒的内壁与外壁之间放置一定数量的吸能缓冲钢管能充分吸收井壁外部的能量，能保证当井筒外壁受到外力时让压结构能吸收外壁传进来的作用力，减少周围土体压力对内壁的冲击保证内壁低压或者不受压，提高井筒结构安全性，确保深部井筒稳定性。
(2)本发明在支护时允许井筒外壁产生一定的变形，外壁受到外界的压力和能量传递给吸能缓冲钢管，通过让压结构吸收能量，因此本发明能够充分发挥结构的让压吸能作用，减少井壁结构混凝土使用量，降低支护成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。还应当理解，这些附图是为了简化和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。现在将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明，其中：
图1示出了本发明深埋藏矿井缓冲吸能让压井壁结构横截面示意图；
图2示出了本发明深埋藏矿井缓冲吸能让压井壁结构纵截面示意图；
图3示出了本发明让压结构的局部放大图；
图4示出了井壁计算力学模型图；
图5示出了井壁支护压力原理图。
图中：1井筒外壁，2井筒内壁，3横截面为圆环的中空无缝钢管，4聚氨酯发泡剂，5井筒周围土体，6横截面为优弧环的中空开口钢管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明一种典型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
井壁未发生破坏正常使用时井壁结构受力状态为弹性受力状态，处于深厚表土中的井筒在疏水状态下井壁受到井筒周围土体5侧向水平压力和疏水引起的竖向附加力。不考虑温度变化对井壁受力影响，建立了以下力学计算模型，图4为井壁计算力学模型图，图中显示的为侧面土压力P(Z)和均匀分布的疏水竖向附加力PV。
正如背景技术所述，深埋藏矿井立井井筒施工过程深部土层容易失水稳定，井筒周围土体5的表土层相对于刚性井壁产生竖向位移，井壁与周围表土层相互作用对井壁产生附加压力(此时由于PV的作用可以使井筒周围土体5侧向水平压力加大)再加上较大的井筒周围土体5自身侧向水平压力压裂井壁。
本实施例提供了一种用于深埋藏矿井缓冲吸能让压井壁结构，如图1和图2所示，包括井筒外壁1、井筒内壁2以及吸能缓冲组件；吸能缓冲组件包括多个吸能缓冲管，均匀的竖向设置在井筒内壁2与井筒外壁1之间，且分别与井筒内壁2与井筒外壁1相接触，吸能缓冲管具有竖向中空结构，吸能缓冲钢管之间的间隙填充有弹性体。
进一步地，相邻的吸能缓冲管之间的圆心角角度范围为10°～30°。
该结构在井筒内壁2与井筒外壁1之间放置一定数量的吸能缓冲管能充分吸收井壁外部的能量，能保证当井筒外壁1受到外力时让压结构能吸收井筒外壁1传进来的作用力，减少井筒周围土体5侧向水平压力对井筒内壁2的冲击保证井筒内壁低压或者不受压，提高井筒结构安全性，确保深部井筒稳定性。
另外，弹性体填充物一方面可以固定吸能缓冲管，另一方面可以与吸能缓冲管相互配合充分吸收外界能量抵抗变形。优选的弹性体为聚氨酯发泡剂4，所用聚氨酯发泡剂4固结后应具有一定的刚度，同时还应具有防水性。
“让压法”支护原理，如图5所示，其中①为土层压力、②为有缓冲结构的井壁压力、③为无缓冲结构的井壁压力、④为土层失稳后的土层压力。设计一种具有缓冲吸能结构的井壁，井壁工作点的压力A将小于工作点B的压力，从而保证井壁的安全。
如图3所示，本实施例中吸能缓冲管为中空开口钢管，中空钢管母线上具有开口，当然可以理解的是，中空开口钢管的横截面可以是带有开口的椭圆环、方形环、多边形环等，优选的，采用横截面为优弧环的中空开口钢管6，开口方向与中空开口钢管与井筒外壁1接触点切线方向一致。
进一步地，开口的角度范围为大于0°小于等于30°。
在一些实施例中，吸能缓冲管为中空无缝钢管，当然可以理解的是，中空无缝钢管的横截面可以是椭圆环、方形环、多边形环等，优选的，采用横截面为圆环的中空无缝钢管3。
横截面为优弧环的中空开口钢管6由于具有开口结构，其具有较大的弹性，可以缓冲较大的压力，主要用于侧向水平压力较大的位置，横截面为圆环的中空无缝钢管3由于不具有开口结构，其不具有较大的弹性，可以缓冲的压力较小，主要用于侧向水平压力较小的位置。
在一些实施例中，吸能缓冲管为中空无缝钢管和中空开口钢管，中空钢管母线上具有开口，中空无缝钢管和中空开口钢管用于压力非对称井筒，设置中空开口钢管位置所受侧向压力大于设置中空无缝钢管位置所受侧向压力。
模拟例1
某煤矿井田内地表大部被第四系黄土覆盖，在工业广场内布置有主井和副井两个井筒。井筒结构在表土段采用钢筋混泥土复合井壁，在松散地层段井壁采用冻冻结法施工，主井井筒穿过第四系表土层，该段由砂质黏土、砂砾层和黏土层组成，其中砂层为主要含水层，其含水砂层特点为结构松散透水性好的砂土，本次模拟为该段含水砂层井壁。井壁及吸能钢管物理力学参数如表1所示。
表1模型物理力学参数
本模型以井筒向上方向为Y轴，Y轴长度为30m，左右边界约束为X方向，X方向9m，前后边界约束为Z方向，Z方向9m，下边界约束为X、Y、Z全部约束，上部边界为压力边界，施加边界荷载，根据计算施加力大小为15MPa。
其中井筒外壁1外半径为4.5m，井筒外壁1内半径4.4m，井筒外壁1壁厚0.1m，井筒内壁2外半径为4.0m，井筒内壁2内半径3.8m，井筒内壁2壁厚0.2m，井筒内壁2与井筒外壁1之间放置若干外直径为0.4m的横截面为优弧环的中空开口钢管6，相邻两钢管之间圆心角为22.5°，开口角度为20°，钢管厚度为0.1m，数值模拟计算模型为库伦-摩尔模型，钢管用单元体模拟，并赋予适当的参数，钢管之间空隙用发泡填充剂填充。
模拟例2
与模拟例1不同的是，本模拟例为传统井壁，中间没有设置横截面为优弧环的中空开口钢管6，模拟外壁厚0.4m，内壁厚0.3m。
模型建好之后分别对两个模型进行初始地压力计算，计算步数为20000步，初始地压力算好后，分别赋予物理力学参数进行计算，参数如表1所示。其中传统井壁模型计算500步左右模型就无法继续计算,说明井壁已经发生垮塌导致计算无法收敛，使用吸能钢管支护的井壁模型虽然钢管产生较大的变形，但井壁未发生明显变形，模型可以完整的计算下去，最终井壁变形量为180mm，因此体现了吸能钢管较好的支护作用。
本发明虽然己以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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