一种深立井及其构建方法
阅读说明：本技术 一种深立井及其构建方法 (Deep vertical shaft and construction method thereof ) 是由 张帅帅 汪小东 朱志根 李华华 乔俊宇 余一松 于 2021-01-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种深立井及构建方法,包括井体,所述井体的井壁沿周向分为圆筒段和凸缘段,所述凸缘段的内轮廓与圆筒段的内轮廓一体连接形成井体的内侧壁,凸缘段的厚度大于圆筒段的厚度；所述凸缘段内设有若干管路,所述管路沿井体的长度方向延伸。与相关技术相比,本发明所提供的深立井,井体内需布置的压风、供水、排水等管路移到井壁的凸缘段预埋,可减小立井井筒直径,整体结构受力合理,可节省管路的防腐、检修维护的费用,管路还可作为电缆敷设以及各中段泄水的通道,综合造价更优。(The invention relates to a deep vertical shaft and a construction method thereof, wherein the deep vertical shaft comprises a shaft body, the wall of the shaft body is divided into a cylindrical section and a flange section along the circumferential direction, the inner contour of the flange section and the inner contour of the cylindrical section are integrally connected to form the inner side wall of the shaft body, and the thickness of the flange section is greater than that of the cylindrical section; the flange section is internally provided with a plurality of pipelines which extend along the length direction of the well body. Compared with the prior art, the deep vertical shaft provided by the invention has the advantages that pipelines such as compressed air pipelines, water supply pipelines, water drainage pipelines and the like which need to be arranged in the shaft body are moved to the flange section of the shaft wall to be embedded, the diameter of the shaft body of the vertical shaft can be reduced, the stress of the whole structure is reasonable, the cost of corrosion prevention and maintenance of the pipelines can be saved, the pipelines can also be used as channels for laying cables and draining water from various middle sections, and the comprehensive cost is higher.)
技术领域
本发明涉及一种深立井及其构建方法，尤其涉及适用于非均匀水平围压及高地应力环境的深立井及构建方法，属于矿山领域。
背景技术
随着我国矿山深部资源的接替需要，我国许多矿山立井埋深超过千米。国内某些深部矿区地应力实测发现深部基岩段围岩往往是以水平应力为主的非均匀应力场，非均匀水平围压是导致深立井井壁失效不可忽视的因素。而目前深立井净断面以圆形最为常用，采用的井壁结构以圆筒形的混凝土结构为主，未充分考虑井壁围岩非均压的应力环境，往往会使得浇筑的井壁在施工或运行期间出现最小水平主应力方向的大变形、剥落甚至完全失效，严重威胁矿山的正常施工、生产活动。
与此同时，根据矿山生产需求，目前通常需要在井筒内通过井梁或贴近井壁內缘敷设排水管路、压风管路、供水管路等，管路的固定结构依托井梁或井壁布置时，井梁开孔作业或井壁钻孔施工不仅会影响井梁或井壁的设计、应用质量，而且会显著增加管路安装、敷设的作业工程量、作业难度和施工工期；同时，现有的管路布置形式需占用宝贵的井筒断面空间，也会影响竖井井筒的通风效果。对井筒断面可利用率要求较高的竖井工程就需要增大井筒断面尺寸，相应地会增大井筒支护难度和工程投资。综上所述，面对深立井非均匀水平围压及高地应力环境，以及结合排水管路、压风管路、供水管路等管路的敷设需求，如何确保深立井井壁结构安全、经济且施工方便是工程技术人员面临的难题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种结构更优的深立井；本发明的目的之二在于提供一种深立井的构建方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种深立井，包括井体，所述井体的井壁沿周向分为圆筒段和凸缘段，所述凸缘段的内轮廓与圆筒段的内轮廓一体连接形成井体的内侧壁，凸缘段的厚度大于圆筒段的厚度；优选地，所述凸缘段内设有若干管路，所述管路沿井体的长度方向延伸。
进一步地，所述凸缘段的外轮廓为弧形曲面，可选地，为圆柱形曲面或椭圆柱形曲面。
进一步地，所述凸缘段的矢高h为d+（400~1000mm），且不小于d+D-100mm；其中，d为圆筒段的厚度，取300-800mm，D为管路的外径，D为200-800mm，进一步为300-800mm。矢高h太大时会增加凸缘段11的掘砌工程量和工程投资，矢高h太小时难以满足管路的埋设要求，且对改善井体应力状况的作用有限。
进一步地，管路的外壁上固定有若干生根钩，所述生根钩伸入凸缘段内。生根钩采用直径10~25mm的钢筋或焊钉，生根钩的分布间排距为150~400mm。生根钩可防止管路松动脱落。
进一步地，所述凸缘段的分布角度α为30~60°。本发明中，分布角度α是指以井体的中心轴线为中心线，凸缘段所跨角度。
进一步地，所述圆筒段的数量为2个，所述凸缘段的数量为2个，圆筒段和凸缘段相互间隔分布。
进一步地，所述2个凸缘段分别位于井体外围的围岩的最小水平主应力方向的井筒两侧。
进一步地，每个凸缘段内管路的数量为1-4根。
可选地，所述管路采用无缝钢管或螺旋钢管。
进一步地，所述深立井的长度不小于1200m。
如所述的深立井的构建方法，包括如下步骤：
S1、提供长度为H的若干管路单元；
S2、按照井体的外轮廓在目标区域竖直向下掘进H的距离，再根据待构建深立井的结构在目标位置下放所述管路单元至立井施工掌子面上，然后下放液压模板至立井施工掌子面，浇筑；
S3、重复S2，并连接上、下相邻的管路单元以形成管路，直至完成深立井的构建。
进一步地，S2中，在目标位置下放所述管路单元至立井施工掌子面上，使得管路单元的下端伸入施工掌子面上的渣石层内50mm以上，以便于管路两端接头的拼接。
进一步地，H与液压模板的高度相同。
可选地，上、下相邻的管路单元采用法兰、快速接头或套管焊接连接。
可选地，管路连接前，为防止渣石或混凝土灌入管路单元，可用木棒、麻丝等材料封堵管路单元的下口。
进一步地，所述深立井的构建方法包括如下步骤：
步骤1：根据生产需要并结合井壁受力和工程经济性考虑，确定需要在带凸缘圆筒井壁内埋设的管路的规格，并进一步确定在带凸缘圆筒井壁两侧的每个凸缘内埋设的管路数量。按照管路分段高度H和生根钩、管路两端接头要求预制好管路，将预制出的管路运输至施工现场备用。
步骤2：按照带凸缘圆筒井壁的外轮廓竖直向下掘进出一个管路分段高度H的距离，接着下放预制好的管路至立井施工掌子面，用木棒、麻丝等材料封堵本分段的管路的下口，并竖直拼接安装本分段的管路。为方便管路两端接头的拼接，本分段的管路的下端嵌入掌子面渣石50mm以上。
步骤3：下放液压模板至立井施工掌子面，进行带凸缘圆筒井壁的浇筑。
步骤4：重复步骤2和步骤3直至预制出管路全部埋设完成。
本发明的深立井适用于非均匀水平围压及高地应力环境，受力合理、井筒断面可利用率高且施工方便。
与相关技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）深立井非均匀水平围压及高地应力环境下，分析目前常用的圆筒井壁和围岩的应力分布可知，围岩最小水平主应力方向的塑性区分布范围更集中，同时围岩最小水平主应力方向圆筒井壁的环向应力较大，通过加厚围岩最小水平主应力方向的井壁形成凸缘段，可以有效改善井壁应力状况。但是，单纯的带凸缘圆筒井壁或内圆形外椭圆形井壁结构均会增加井壁混凝土的浇筑量和工程投资。本发明在凸缘段内预设管路，将深立井内需布置的压风、供水、排水等管路移到井壁的凸缘段内，可减小立井井筒直径，整体结构受力合理，综合造价更优，施工也更为方便。
（2）针对要求具有较高井筒断面可利用率的竖井，本发明可以扩大井筒断面可利用空间，同时减小竖井井筒通风阻力，增强竖井通风效果，相应地节省了工程投资，因此综合造价更优。
（3）本发明将立井井筒内需布置的压风、供水、排水等管路布置在井壁的凸缘处进行预埋，省去了管路的固定、导向结构的安装工序，在降低了井筒装备期施工难度的同时，避免了井筒内管路安装的钻孔和固定作业对井梁或圆筒井壁结构的破坏，提高了井梁的应用质量以及井壁的防水性能和整体稳定性。
（3）凸缘段内埋设的管路可作为电缆敷设的通道，进一步节省井筒断面，提高利用率。
（4）管路埋设在凸缘段内，管路四周均有井壁混凝土包裹，可节省管路的防腐、检修维护的费用；管路还可作为电缆敷设以及各中段泄水的通道，综合造价更优。
（5）可利用凸缘段内埋设的管路作为矿山各中段的泄水通道，避免施工目前常用的泄水钻孔，相应地降低了工程建设投资。
附图说明
图1是本发明的一种深立井的横截面结构示意图。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
如图1所示，一种深立井，包括井体1，所述井体1的井壁沿周向分为圆筒段13和凸缘段11，所述凸缘段11的内轮廓与圆筒段13的内轮廓一体连接形成井体1的内侧壁，凸缘段11的厚度大于圆筒段13的厚度；所述凸缘段11内设有若干管路2，所述管路2沿井体1的长度方向延伸。
所述凸缘段11的外轮廓12为弧形曲面，向外凸起。所述凸缘段11的矢高h为d+400~1000mm，且不小于d+D-100mm；其中，d为圆筒段13的厚度，取300-800mm，D为管路的外径，D为200-800mm。
管路2的外壁上固定有若干生根钩21，所述生根钩21伸入凸缘段11内。所述凸缘段11的分布角度α为30~60°。
所述圆筒段13的数量为2个，所述凸缘段11的数量为2个，圆筒段13和凸缘段11相互间隔分布。所述2个凸缘段11分别位于井体1外围的围岩3的最小水平主应力σh方向的井筒两侧。
左侧的凸缘段11内管路的数量为3根。右侧的凸缘段11内管路的数量为2根。
以井筒中心为原点，所述带凸缘圆筒井壁1的凸缘11分布角度α为30°~60°。α值太小，改善带凸缘圆筒井壁1应力状况的效果不佳，α值偏大时，凸缘11的掘砌工程量大，对改善带凸缘圆筒井壁1应力状况有利，对工程投资控制不利。
所述管路2的外直径根据生产需要取200~800mm，所述管路2采用无缝钢管或螺旋钢管。在带凸缘圆筒井壁1两侧的每个凸缘11内埋设的管路2数量为1~4根。
当所述管路2的外直径大于300mm，在所述管路2的外边缘焊接固定生根钩21，生根钩21采用直径10~25mm的钢筋或焊钉，生根钩21的分布间排距为150~400mm。通过生根钩21将管路2锚固于凸缘11内，避免大直径的管路2由于温度应力或变形不协调与凸缘11的混凝土脱离。
所述管路2分段竖直埋设于带凸缘圆筒井壁1内，管路2分段高度H与立井浇筑混凝土用液压模板高度相同，管路2两端采用法兰、快速接头或套管焊接连接。
带凸缘圆筒井壁1浇筑混凝土前，为防止井壁1混凝土灌入，用木棒、麻丝等材料封堵管路2的下口；为方便管路2两端接头的拼接，所述管路2的下端嵌入掌子面渣石50mm以上。
本发明提供的一种内埋管路深立井井壁结构的施工方法，包括以下步骤：
步骤1：根据生产需要并结合井壁受力和工程经济性考虑，确定需要在带凸缘圆筒井壁1内埋设的管路2的规格，并进一步确定在带凸缘圆筒井壁1两侧的每个凸缘段11内埋设的管路2数量。按照管路2分段高度H和生根钩21、管路2两端接头要求预制好管路2，将预制出的管路2运输至施工现场备用。
步骤2：按照带凸缘圆筒井壁1的外轮廓竖直向下掘进出一个管路2分段高度H的距离，接着下放预制好的管路2至立井施工掌子面，用木棒、麻丝等材料封堵本分段的管路2的下口，并竖直拼接安装本分段的管路2。为方便管路2两端接头的拼接，本分段的管路2的下端嵌入掌子面上的渣石层内50mm以上。在掘进过程中需要严格按照所述圆筒井壁1的外轮廓进行井筒掘进爆破设计，以形成符合要求的井筒断面；其中所述带凸缘圆筒井壁1的凸缘外轮廓为圆弧形。
步骤3：下放液压模板至立井施工掌子面，进行带凸缘圆筒井壁1的浇筑。
重复步骤2和步骤3，直至完成深立井的构建。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。