CN110185451B - 一种矿用生根锚固式双层井壁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种矿用生根锚固式双层井壁，包括双层井壁和锚固用构件，锚固用构件第一端设置在围岩中，锚固用构件第二端与双层井壁固定连接，双层井壁上沿双层井壁周向设有多个锚固用构件；双层井壁包括外井壁和内井壁，锚固用构件包括锚杆和钢丝绳；锚杆第一端设置在外井壁外侧的围岩中，锚杆第二端与外井壁内的外井壁用筋网连接；钢丝绳第一端锚杆第二端连接，钢丝绳第二端与内井壁内的内井壁用筋网连接；外井壁和内井壁之间设有隔水塑料板。本发明所在不改变设计方法的前提下，通过对内壁施加柔性约束的方式，提高了整个井壁的承载能力，可以相应减小外壁竖向钢筋直径、掘进面积和冻结面积，降低建井成本。
Description
技术领域
本发明涉及凿井技术领域。具体地说是一种矿用生根锚固式双层井壁。
背景技术
冻结法凿井是我国西部地区煤矿深井建设中的重要方法，冻结法施工的井壁多为双层钢筋混凝土结构，由内壁和外壁组成，外壁主要承受建井时期的冻结压力和井壁自重，内层井壁则主要承受外壁或夹层传来的水压。随着我国煤矿立井建设向西部发展，新建矿井井筒穿越多个含水层，水头高度可达到600m以上，按照《煤矿立井井筒及硐室设计规范GB50384-2016》设计内壁时，井壁厚度急剧增加。巴彦高勒矿副井内壁厚度2m，核桃峪煤矿副井内壁厚度为1.6m，母杜柴登矿副井内壁厚度1.8m。井壁厚度的急剧增大，造成井筒掘进半径变大，掘进面积成倍增加，混凝土的用量、冻结体量大幅增大，增加了井筒的建设成本和施工难度。随着矿井建设向深部发展，开发的井壁结构形式及井壁施工工艺，减薄井壁厚度，降低工程造价的迫切性越来越突出。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种锚固式双层钢筋混凝土井壁，在不改变设计方法的前提下，通过对内壁施加柔性约束的方式，提高了整个井壁的承载能力，可以相应减小外壁竖向钢筋直径、掘进面积和冻结面积，降低建井成本。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种矿用生根锚固式双层井壁，包括双层井壁和锚固用构件，所述锚固用构件第一端设置在围岩中，所述锚固用构件第二端与所述双层井壁固定连接，所述双层井壁上沿所述双层井壁周向设有多个所述锚固用构件；所述双层井壁包括外井壁和内井壁，所述锚固用构件包括锚杆和钢丝绳；所述锚杆第一端设置在外井壁外侧的围岩中，所述锚杆第二端与所述外井壁内的外井壁用筋网连接；所述钢丝绳第一端所述锚杆第二端连接，所述钢丝绳第二端与所述内井壁内的内井壁用筋网连接；所述外井壁和所述内井壁之间设有隔水塑料板。
上述矿用生根锚固式双层井壁，所述锚杆第二端通过闭锁构件与所述外井壁用筋网固定连接。
上述矿用生根锚固式双层井壁，所述闭锁构件包括第一螺母、第二螺母、第一抗拔板和第二抗拔板；所述锚杆第二端依次穿过所述第一螺母、所述第一抗拔板、所述第二抗拔板和所述第二螺母与所述钢丝绳第一端连接，所述锚杆第二端分别与所述第一螺母和所述第二螺母连接；当所述第一螺母和所述第二螺母分别向靠近所述外井壁用筋网旋进并旋紧时，所述第一抗拔板设置在所述外井壁用筋网外侧，所述第二抗拔板设置在所述外井壁用筋网内侧。
上述矿用生根锚固式双层井壁，所述闭锁构件还包括锁扣，所述锚杆第二端通过所述锁扣与所述钢丝绳第一端连接。
上述矿用生根锚固式双层井壁，所述锁扣包括锁紧板，所述锁紧板上设有贯穿所述锁紧板上板面和下板面的钢丝绳锁紧孔和锚杆锁紧孔；在所述钢丝绳第一端与所述锚杆第二端通过所述锁扣连接时，所述钢丝绳第一端设置在所述钢丝绳锁紧孔内，所述锚杆第二端设置在所述锚杆锁紧孔内。
上述矿用生根锚固式双层井壁，当一个所述锚固用构件中的所述钢丝绳大于或等于2根时，所述钢丝绳锁紧孔沿所述锚杆锁紧孔周向等间距设置。
上述矿用生根锚固式双层井壁，所述钢丝绳锁紧孔和所述锚杆锁紧孔在所述锚杆锁紧孔径向上连通；当所述钢丝绳第一端设置在所述钢丝绳锁紧孔内且所述锚杆第二端设置在所述锚杆锁紧孔内时，所述钢丝绳第一端与所述锚杆第二端相接触。
上述矿用生根锚固式双层井壁，所述锚杆第一端通过锚固剂与围岩固定连接；位于围岩内的所述锚杆长度为0.8～1.2m。
上述矿用生根锚固式双层井壁，在采用冻结法凿井时，所述锚杆第一端位于冻结管围成的筒形内侧。
上述矿用生根锚固式双层井壁，位于所述钢丝绳第一端和所述钢丝绳第二端之间的所述钢丝绳上套有弹性材料管。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1.本发明基于井壁设计理论，在外壁上使用柔性材料(钢丝绳)连接内壁，使内壁与外壁、围岩连接在一起共同抵抗水压，钢丝绳外套橡胶管，拉紧内壁钢筋，且橡胶管减弱了约束应力，避免产生裂缝。外壁与围岩使用锚杆连接，联合抵抗冻结压力、支撑井壁自重。
2.本发明中内壁因受水压压力和钢丝绳拉力(由外壁和围岩提供)共同作用，钢丝绳拉力可以抵消部分内壁所受水压，降低井壁设计外荷载，从而减薄内层井壁厚度。
附图说明
图1为本发明矿用生根锚固式双层井壁的结构示意图；
图2为本发明矿用生根锚固式双层井壁的锚固用构件的结构示意图；
图3为本发明矿用生根锚固式双层井壁的锚固用构件另一种视向下的结构示意图；
图4为本发明矿用生根锚固式双层井壁的锁紧板的结构示意图；
图5为本发明矿用生根锚固式双层井壁的在冻结法凿井中应用时的井筒结构示意图。
图中附图标记表示为：1-围岩；2-外井壁；3-内井壁；4-外井壁用筋网； 5-内井壁用筋网；6-锚固用构件；7-锚杆；8-第一螺母；9-第一抗拔板；10- 第二抗拔板；11-第二螺母；12-锁紧板；13-钢丝绳；14-锚杆锁紧孔；15- 钢丝绳锁紧孔；16-冻结管。
具体实施方式
如图1所示，本发明矿用生根锚固式双层井壁，包括双层井壁和锚固用构件6，所述锚固用构件6第一端设置在围岩1中，所述锚固用构件6 第二端与所述双层井壁固定连接，所述双层井壁上沿所述双层井壁周向设有多个所述锚固用构件6。其中，所述双层井壁包括外井壁2和内井壁3，所述锚固用构件6包括锚杆7和钢丝绳13；所述锚杆7第一端设置在外井壁2 外侧的围岩1中，所述锚杆7第二端与所述外井壁2内的外井壁用筋网4连接；所述钢丝绳13第一端所述锚杆7第二端连接，所述钢丝绳13第二端与所述内井壁3内的内井壁用筋网5连接，且位于所述钢丝绳13第一端和所述钢丝绳13第二端之间的所述钢丝绳13上套有弹性材料管，所述弹性材料管为橡胶管，所述橡胶管可以减弱所述钢丝绳13对所述内井壁3的约束，避免所述内井壁3因为约束应力产生裂缝；所述外井壁2和所述内井壁3之间设有隔水塑料板；所述外井壁2上，在所述外井壁2同一水平圆周周向上相邻的两个所述锚杆7之间的间距为1m，在所述外井壁2轴向上相连的两个所述锚杆7之间的间距为2m，上述两个间距均可根据实际应用环境以及所述锚杆7特性进行调整。本实施例中，所述锚杆7第一端通过锚固剂与围岩1固定连接；位于围岩1内的所述锚杆7长度为1m。
本实施例中，所述锚杆7第二端通过闭锁构件与所述外井壁用筋网4固定连接。其中，如图2和图3所示，所述闭锁构件包括第一螺母8、第二螺母 11、第一抗拔板9和第二抗拔板10；所述锚杆7第二端依次穿过所述第一螺母8、所述第一抗拔板9、所述第二抗拔板10和所述第二螺母11与所述钢丝绳13第一端连接，所述锚杆7第二端分别与所述第一螺母8和所述第二螺母 11连接；当所述第一螺母8和所述第二螺母11分别向靠近所述外井壁用筋网 4旋进并旋紧时，所述第一抗拔板9设置在所述外井壁用筋网4外侧，所述第二抗拔板10设置在所述外井壁用筋网4内侧。所述闭锁构件还包括锁扣，所述锚杆7第二端通过所述锁扣与所述钢丝绳13第一端连接，所述锁扣包括锁紧板12，所述锁紧板12上设有贯穿所述锁紧板12上板面和下板面的钢丝绳锁紧孔15和锚杆锁紧孔14，如图4所示；在所述钢丝绳13第一端与所述锚杆7第二端通过所述锁扣连接时，所述钢丝绳13第一端设置在所述钢丝绳锁紧孔15内，所述锚杆7第二端设置在所述锚杆锁紧孔14内。本实施例中，一个所述锚固用构件6中设有5根所述钢丝绳13，所述钢丝绳锁紧孔15沿所述锚杆锁紧孔14周向等间距设置，且每个所述锚固用构件6中，使用三个所述锁紧板12将所述锚杆7第二端与所述钢丝绳13第一端连接。为了利用所述锚杆7对所述钢丝绳13的挤压实现利用所述锁紧板12将所述锚杆7第二端和所述钢丝绳13第一端固定连接，且仅利用所述锁紧板12即可实现所述锚杆7第二端和所述钢丝绳13第一端的稳固连接，本实施例中，所述钢丝绳锁紧孔15和所述锚杆锁紧孔14在所述锚杆锁紧孔14径向上连通；当所述钢丝绳13第一端设置在所述钢丝绳锁紧孔15内且所述锚杆7第二端设置在所述锚杆锁紧孔14内时，所述钢丝绳13第一端与所述锚杆7第二端相接触。
在深部软岩段采用冻结法凿井时，利用所述锚杆7将所述外井壁2与围岩1进行锚固，具体操作为：a，在浇筑所述外井壁2混凝土前且所述外井壁用筋网4绑扎完成后，使用锚杆钻机穿过所述外井壁用筋网4向围岩1内部打入φ22的高强锚杆，所述锚杆7第二端端头留在所述外井壁2内，所述锚杆7第一端在围岩1中通过锚固剂与围岩1粘接，进而实现了所述外井壁2 与围岩1的锚固连接，此时，所述锚杆7第一端位于冻结管16围成的筒形内侧，如图5所示；b，在所述外井壁用筋网4外侧在所述锚杆7第二端上依次安装所述第一螺母8和所述第一抗拔板9，接着在所述外井壁用筋网4内侧在所述锚杆7第二端上依次安装所述第二抗拔板10和所述第二螺母11，安装所述第一抗拔板9和所述第二抗拔板10的目的是增强所述锚杆7的抗拔能力，以避免所述锚杆7与所述外井壁2和围岩1之间发生滑移，当所述第一螺母8 和所述第二螺母11分别向靠近所述外井壁用筋网4旋进并旋紧时，所述第一抗拔板9设置在所述外井壁用筋网4外侧，所述第二抗拔板10设置在所述外井壁用筋网4内侧，即所述第一抗拔板9和第二抗拔板10尺寸大于所述外井壁用筋网4的空隙；c，利用三个所述锁紧板12在所述锚杆7第二端上安装5 根直径为20mm的钢丝绳13，使得所述锚杆7第二端与所述钢丝绳13第一端固定连接，所述钢丝绳13采用304不锈钢制成，提高了所述钢丝绳13对地下水的抗腐蚀能力；d，安装所述外井壁2的浇筑用模板，所述外井壁2的浇筑用模板上开设有可供所述钢丝绳13穿过的小孔，在浇筑所述外井壁2前将所述钢丝绳13第一端经小孔从所述外井壁2的浇筑用模板外侧拉到所述外井壁2的浇筑用模板内侧；e，浇筑所述外井壁2。
在所述外井壁2浇筑完成之后，捆扎所述内井壁用筋网5，然后将所述钢丝绳13第二端张拉闭锁在所述内井壁用筋网5上，然后正常铺设所述内井壁 3和所述外井壁2之间的隔水塑料板，所述隔水塑料板铺设完成之后，浇筑所述内井壁3的混凝土。其中，将所述钢丝绳13第二端张拉闭锁在所述内井壁用筋网5上具体操作方法为：先将所述钢丝绳13第二端缠绕在所述内井壁用筋网5的环向钢筋上，然后用钢丝绳张拉机具对所述钢丝绳13进行张拉，所述钢丝绳13与所述内井壁用筋网5的环向钢筋紧密连接，然后安装5～6个螺栓闭锁机构(如钢丝绳卡头)，将所述钢丝绳13锁紧。
本发明中，所述外井壁2中增加了由所述外井壁2锚固入围岩1中的所述锚杆7，所述锚杆7第二端嵌入所述外井壁2内部，由于所述锚杆7具有一定的抗剪强度，可以承担部分井壁的自重应力，减小了设计中所述外井壁2 的吊挂段高度，因此可以减少所述外井壁用筋网4的竖向配筋。按照本领域的《煤矿立井井筒及硐室设计规范-GB 50384-2016》吊挂段高进行计算，规范值为15～20m，即所述外井壁用筋网4的竖向配筋要可以承担15～20m的所述外井壁2重量，使用本发明后，经过计算，所述锚杆7即可完全承载段高内部所述外井壁2的重量。而所述内井壁3因受水压压力和所述钢丝绳13拉力所述外井壁2和围岩1提供共同作用，所述钢丝绳13拉力可以抵消部分所述内井壁3所受水压，降低井壁设计外荷载，从而减薄所述内井壁3厚度，本实施例中，采用本发明矿用生根锚固式双层井壁的煤矿立井井壁内壁厚度可减少19.8％，外壁厚度可减少23.2％。本发明基于井壁设计理论，在所述外井壁2上使用柔性材料(如所述钢丝绳13)连接所述内井壁3，使所述内井壁3与所述外井壁2、围岩1连接在一起共同抵抗水压，所述钢丝绳13 外套橡胶管，拉紧所述内井壁用筋网5，且所述橡胶管减弱了所述钢丝绳13 对所述内井壁3的约束应力，避免所述内井壁3产生裂缝，而所述外井壁2 与围岩1使用所述锚杆7连接，可以联合抵抗冻结压力、支撑井壁自重。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种矿用生根锚固式双层井壁，其特征在于，包括双层井壁和锚固用构件(6)，所述锚固用构件(6)第一端设置在围岩(1)中，所述锚固用构件(6)第二端与所述双层井壁固定连接，所述双层井壁上沿所述双层井壁周向设有多个所述锚固用构件(6)；所述双层井壁包括外井壁(2)和内井壁(3)，所述锚固用构件(6)包括锚杆(7)和钢丝绳(13)；所述锚杆(7)第一端设置在外井壁(2)外侧的围岩(1)中，所述锚杆(7)第二端通过闭锁构件与所述外井壁(2)内的外井壁用筋网(4)固定连接；所述钢丝绳(13)第一端所述锚杆(7)第二端连接，所述钢丝绳(13)第二端与所述内井壁(3)内的内井壁用筋网(5)连接；所述外井壁(2)和所述内井壁(3)之间设有隔水塑料板；所述闭锁构件包括第一螺母(8)、第二螺母(11)、第一抗拔板(9)和第二抗拔板(10)；所述锚杆(7)第二端依次穿过所述第一螺母(8)、所述第一抗拔板(9)、所述第二抗拔板(10)和所述第二螺母(11)与所述钢丝绳(13)第一端连接，所述锚杆(7)第二端分别与所述第一螺母(8)和所述第二螺母(11)连接；当所述第一螺母(8)和所述第二螺母(11)分别向靠近所述外井壁用筋网(4)旋进并旋紧时，所述第一抗拔板(9)设置在所述外井壁用筋网(4)外侧，所述第二抗拔板(10)设置在所述外井壁用筋网(4)内侧。
2.根据权利要求1所述的矿用生根锚固式双层井壁，其特征在于，所述闭锁构件还包括锁扣，所述锚杆(7)第二端通过所述锁扣与所述钢丝绳(13)第一端连接。
3.根据权利要求2所述的矿用生根锚固式双层井壁，其特征在于，所述锁扣包括锁紧板(12)，所述锁紧板(12)上设有贯穿所述锁紧板(12)上板面和下板面的钢丝绳锁紧孔(15)和锚杆锁紧孔(14)；在所述钢丝绳(13)第一端与所述锚杆(7)第二端通过所述锁扣连接时，所述钢丝绳(13)第一端设置在所述钢丝绳锁紧孔(15)内，所述锚杆(7)第二端设置在所述锚杆锁紧孔(14)内。
4.根据权利要求3所述的矿用生根锚固式双层井壁，其特征在于，当一个所述锚固用构件(6)中的所述钢丝绳(13)大于或等于2根时，所述钢丝绳锁紧孔(15)沿所述锚杆锁紧孔(14)周向等间距设置。
5.根据权利要求4所述的矿用生根锚固式双层井壁，其特征在于，所述钢丝绳锁紧孔(15)和所述锚杆锁紧孔(14)在所述锚杆锁紧孔(14)径向上连通；当所述钢丝绳(13)第一端设置在所述钢丝绳锁紧孔(15)内且所述锚杆(7)第二端设置在所述锚杆锁紧孔(14)内时，所述钢丝绳(13)第一端与所述锚杆(7)第二端相接触。
6.根据权利要求1～5任一所述的矿用生根锚固式双层井壁，其特征在于，所述锚杆(7)第一端通过锚固剂与围岩(1)固定连接；位于围岩(1)内的所述锚杆(7)长度为0.8～1.2m。
7.根据权利要求6所述的矿用生根锚固式双层井壁，其特征在于，在采用冻结法凿井时，所述锚杆(7)第一端位于冻结管(16)围成的筒形内侧。
8.根据权利要求1～5任一所述的矿用生根锚固式双层井壁，其特征在于，位于所述钢丝绳(13)第一端和所述钢丝绳(13)第二端之间的所述钢丝绳(13)上套有弹性材料管。
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