CN209129607U - 一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置，该装置设置在深部立井自上而下的多节筒壁之间，该装置包括：上部模块：包括圆环形顶板、中空环形外密封筒以及恒阻大变形杆体；下部模块：包括圆环形底座、中空环形内密封筒以及恒阻大变形套筒，所述的内密封筒套插在外密封筒内；密封模块：设置在外密封筒与内密封筒相互套插缝隙处的钢丝刷及填充于钢丝刷内部的油脂；恒阻体：安装在恒阻大变形杆体的下表面上，其下表面与恒阻大变形套筒压紧接触，在受到上部下压时，恒阻体下表面压入变形套筒中，使其撑开变形。与现有技术相比，本实用新型具有有效防护、密封性好、保证深部立井井筒结构安全、安装灵活、监测预警等优点。

Description

一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置

技术领域

本实用新型涉及立井井筒结构的防护工程领域，尤其是涉及一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置。

背景技术

在矿山开采过程中发生的立井井筒非采动破坏是一种特殊的矿山地质灾害，其主要表现为煤矿立井井筒在具有足够的保安矿柱条件下，立井井筒的部分井壁发生严重的变形和破裂，致使提升运输困难，一些井筒在破坏的同时还伴有大量的涌水冒砂，而且立井井筒非采动破坏具有一定周期性，即许多治理后的立井井筒在正常使用一段时间后发生重复变形破坏，因此立井井筒非采动破坏的工程地质灾害严重地影响着矿山的正常运营，危及生产安全。根据调查发现，立井井筒的破坏主要是由于表土层与基岩层交界处附近的底部含水层失水，致使表土层带动立井井筒下沉，井筒受到额外的负摩阻力作用产生较大的轴压力，最后导致井筒内部发生剥落、压损或更严重的破坏。因此，对立井井筒结构采取一定的防护技术，是减少甚至防止立井井筒破坏的关键技术内容，不仅具有领先的技术意义，更具有极大的社会及经济意义。

目前，对井壁破裂的治理和预防主要有以下几个方面。

1)开卸压槽。在立井井筒危险位置破壁注浆堵水、防水，然后对此部位进行控制爆破，使卸压槽成型。最后在卸压槽内填充可压缩的PVC板以适应地层沉降。

2)破壁注浆加固地层。由于采矿工程中的疏排水，从而引起表土层固结沉降，使立井井筒受到负摩阻力。因此，对井筒周围土层进行加固，可使土层沉降减少，提高井壁的稳定性。

3)地表注浆加固地层。在不影响立井井筒正常施工的条件下，从井壁四周地表向下注浆以加固地层，从而减小立井的附加竖向应力。

现有防护措施技术存在以下几方面的不足：

(1)当卸压槽压缩量达到设计值后，需再次开卸压槽；

(2)治理费用高，工期长。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置，该装置设置在深部立井自上而下的多节筒壁之间，该装置包括：

上部模块：包括与上节立井井筒筒壁内预埋钢筋焊接的圆环形顶板、顶部与顶板内外缘处焊接且开口向下的中空环形外密封筒以及顶端与顶板中心处焊接且横截面呈圆环形的恒阻大变形杆体；

下部模块：包括与下节立井井筒筒壁内预埋钢筋焊接的圆环形底座、底部与底座焊接且开口向上的中空环形内密封筒以及底部焊接在底座中心处呈圆环形的恒阻大变形套筒，所述的内密封筒套插在外密封筒内；

密封模块：设置在外密封筒与内密封筒相互套插缝隙处的钢丝刷及填充于钢丝刷内部的油脂；

恒阻体：安装在恒阻大变形杆体的下表面上，其下表面与恒阻大变形套筒压紧接触，在受到上部下压时，恒阻体下表面压入变形套筒中，使其撑开变形。

该装置在围岩破碎带、表土层与岩层的交界处的区域内数量加密设置。

所述的恒阻大变形杆体为实心杆体，

当所述的恒阻体数量为1时，其结构为环形倒锥台实体，其上表面与恒阻大变形杆体下表面固接，并且上表面宽度大于下表面宽度，下表面宽度小于内密封筒的开口宽度；

当所述的恒阻体数量大于1时，则分别沿恒阻大变形杆体下表面布置，其结构为环形倒圆锥台实体，恒阻体的上表面直径大于下表面直径，下表面直径小于内密封筒的开口宽度。

所述的恒阻体的变形强度大于恒阻大变形套筒，保证在受压时恒阻体向下压入恒阻大变形套筒内时，恒阻大变形套筒发生形变而恒阻体不发生形变。

所述的内密封筒的长度小于恒阻大变形杆体。

所述的密封模块包括至少三道钢丝刷以及填充在钢丝刷之间的油脂，用以防水。

在该装置正常服役阶段，当井筒仅受自身自重时，使恒阻体产生滑动的作用力大于上部立井井筒自重G，当上部井筒所受负摩阻力达到设定值时，恒阻体产生滑动，当上部井筒所受负摩阻力继续增大时，恒阻体完全进入恒阻大变形套筒内，此时恒阻大变形结构传递给下方立井井筒竖向作用力为N，立井井筒破坏时所受竖向作用力为F，则有G<N<F。

该装置的施工方法包括以下步骤：

1)在井筒结构施工前，确定装置的布设位置以及恒阻大变形套筒的型号及恒阻大变形杆体的尺寸；

2)在井筒结构施工前，将钢丝刷焊接于内密封筒上。

3)在井筒结构施工前，将内密封筒、恒阻大变形套筒焊接于底座上，将外密封筒和恒阻大变形杆体焊接于顶板上；

4)在井筒结构施工过程中，将预埋钢筋分别与底座和顶板焊接，形成预制结构模块，包括上部模块和下部模块；

5)在内外密封筒之间填充油脂，完成施工。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

一、有效防护：本实用新型通过恒阻大变形结构，使立井井筒能够随着周围土体的压缩沉降产生相应的变形，从而对立井井筒进行防护。

二、密封性好：本实用新型通过设置钢丝刷和密封装置以及在密封装置之间填充油脂能够很好的防止水土进入装置内，延长本装置的寿命，使本装置更好地发挥功能；同时密封装置也是承载外部水土压力的载体。

三、安装灵活：本实用新型根据井筒的承载能力以及附加负摩阻力的大小设置不同数量的防护装置。

四、保证深部立井井筒结构安全：本实用新型通过恒阻大变形结构能够使得上部立井井筒传给下部立井井筒的作用力小于某一恒定值(恒阻体的恒阻值)，从而能保证下部立井井筒的正常使用，即当井筒仅受自身自重时，为了保证本装置能够发挥其功能，在恒阻大变形结构处满足使其产生滑动的作用力应大于上部立井井筒自重G，当上部井筒所受负摩阻力达到一定值f时，恒阻大变形结构应能产生一定的滑动，当上部井筒所受负摩阻力继续增大时，恒阻体完全进入套筒内，此时恒阻大变形结构传递给下部立井井筒竖向作用力为一恒定值N。假设立井井筒破坏时所受竖向作用力为F，则在设计本装置时，使G<N<F。本装置能够根据负摩阻力的发展而自适应发生变形，降低负摩阻力的影响，实现深部立井井筒结构的安全。

五、监测预警：依据恒阻结构的受力监测还能够实现井筒结构安全状态的监测预警，在可能发生破坏时实现井筒结构的加固，避免井筒结构破坏的发生，确保生产安全，降低生产成本。因此，本装置具有很重要的社会经济意义。

附图说明

图1为本实用新型结构纵截面示意图。

图(2a)为本实用新型横截面示意图，图(2b)为图(2a)中A部的局部放大图。

图3为本实用新型与立井井筒连接示意图。

图4为本实用新型于立井井筒结构中竖向布置示意图。

图5为钢丝刷(油脂)详图。

图6为本实用新型工作时变形示意图。

图7为另一种备选结构形式。

图8为图7中4-4的截面图。

图中标记说明：

11、顶板，12、外密封筒，13、恒阻大变形杆体，21、底板，22、内密封筒，23、恒阻大变形套筒，31、钢丝刷，32、油脂，41、恒阻体。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

须知，本说明书中所附图式所绘示的结构、比例、大小等均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

实施例：

本实施案例中的一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置，如图1所示，通过将恒阻大变形装置通过顶板与底座固定于井筒上，将密封装置焊接在顶板与底座上，钢丝刷固定于内密封筒上。当井筒所承受负摩阻力达到一定值时，大变形装置中的恒阻体克服摩擦力向下产生移动，从而释放一定的负摩阻力起到保护立井井筒的作用。

该装置包括：恒阻大变形装置、密封结构和连接结构。

密封结构包括内密封筒21、外密封筒22、钢丝刷23和油脂24。当该装置安装于距地表100米时，密封装置中所用钢板厚度均为20mm，内部套筒所用钢材厚度为50mm。

恒阻大变形装置由恒阻大变形套筒11、恒阻大变形杆体12和恒阻体13组成。当该装置安装于距地表100米时，杆体和套筒长度均为60cm，套筒内径差为160mm，恒阻体下端直径为150mm，上端直径为200mm,钢材均采用Q345钢；当该装置安装于距地面更深处100m时，应根据在满足几何尺寸的要求下，根据受力条件加大各构件的型号。

连接结构包括底座31和顶板32，该装置安装于距地表100米，顶板和底座均为50mm，钢材均采用Q345。

如图1所示，该装置为密闭的自适应防护装置，通过恒阻体来实现控制下部立井井筒所受的上部荷载，当井筒所受负摩阻力达到一定值时，由于恒阻体克服负摩阻力向下移动，从而释放所受部分负摩阻力，从而对下部立井井筒进行防护。

如图(2a)和(2b)所示，该装置为环形装置，与立井井筒尺寸相匹配，第一：能达到维持立井净空的效果；第二：可以更好的保证本装置能承担上部荷载而不至于发生破坏，第三：能有效的承担水平向的水土压力，防止井筒产生破坏。

如图3所示，底座和顶板上都焊接有钢筋，在立井井筒施工过程中，将钢筋埋入混凝土结构中，使顶板和底座固定于立井井筒上，从而使本装置能正常工作。预埋钢筋应具有一定长度，保证该防护装置与井筒结构的连接。

如图4所示，该装置应在围岩破碎带、表土层与岩层的交界处等围岩易发生变形的区域加密布置，在其他区域适当布置。

如图5所示，该装置中钢丝刷应固定于内密封筒处，并且在内外密封筒中间应该填充有油脂，进而能有效的防止水、土等物质进入本装置甚至是立井井筒内，影响本装置的正常工作或立井的正常服役

如图6所示，该装置在正常服役阶段，当井筒仅受自身自重时，为了保证本装置能能够发挥其功能，恒阻大变形结构处能够使恒阻体产生滑动的作用力应大于上部立井井筒自重G，当上部井筒所受负摩阻力达到一定值f时，恒阻大变形结构应能产生一定的滑动，当上部井筒所受负摩阻力继续增大时，恒阻体完全进入套筒内，此时恒阻大变形结构传递给下部立井井筒竖向作用力为一定值N。假设立井井筒破坏时所受竖向作用力为F，则在设计本装置时，应使G<N<F。

如图7、8所示，为该装置的一种备选布置方式，当该装置布置于立井井筒浅埋段时，由于其所需承担的立井井筒自重较小，且立井井筒所受负摩阻力较小，故可将本装置独立成圆形个体，从而达到降低施工难度，提高经济效益的作用。

本实施例中的一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置，其施工步骤如下：

S1在井筒结构施工前，根据其设计参数确定该装置的布设位置，并确定该装置所用恒阻大变形套筒型号及杆体的尺寸。

S2在井筒结构施工前，于工厂将钢丝刷焊接于内密封筒上。

S3在井筒结构施工前，于工厂将内密封筒、恒阻大变形套筒焊接于底座上，将外密封筒和恒阻大变形杆体焊接于顶板上。

S4在井筒施工过程中，将预埋钢筋分别和底座、顶板在工厂实现焊接，形成结构模块，以便现场施工。其中，上部模块由预埋钢筋、顶板、外密封筒和恒阻大变形杆体组成；下部模块由预埋钢筋、底座、内密封筒、钢丝刷和恒阻大变形套筒组成。

S5在本装置内外密封筒之间填充油脂。

本实用新型通过利用恒阻大变形结构的大变形特点，将井筒所受的负摩阻力通过变形释放，从而达到保证井筒筒壁安全的特点。本技术容易施工的结构体系有利于立井井筒破坏的控制，不仅具有领先的技术意义，更具有极大的社会及经济意义。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置，该装置设置在深部立井自上而下的多节筒壁之间，其特征在于，该装置包括：

上部模块：包括与上节立井井筒筒壁内预埋钢筋焊接的圆环形顶板(11)、顶部与顶板(11)内外缘处焊接且开口向下的中空环形外密封筒(12)以及顶端与顶板(11)中心处焊接且横截面呈圆环形的恒阻大变形杆体(13)；

下部模块：包括与下节立井井筒筒壁内预埋钢筋焊接的圆环形底座(21)、底部与底座(21)焊接且开口向上的中空环形内密封筒(22)以及底部焊接在底座(21)中心处呈圆环形的恒阻大变形套筒(23)，所述的内密封筒(22)套插在外密封筒(12)内；

密封模块：设置在外密封筒(12)与内密封筒(22)相互套插缝隙处的钢丝刷(31)及填充于钢丝刷内部的油脂(32)；

恒阻体(41)：安装在恒阻大变形杆体(13)的下表面上，其下表面与恒阻大变形套筒(23)压紧接触，在受到上部下压时，恒阻体(41)下表面压入变形套筒(23)中，使其撑开变形。

2.根据权利要求1所述的一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置，其特征在于，该装置在围岩破碎带、表土层与岩层的交界处的区域内数量加密设置。

3.根据权利要求1所述的一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置，其特征在于，所述的恒阻大变形杆体(13)为实心杆体，

当所述的恒阻体(41)数量为1时，其结构为环形倒锥台实体，其上表面与恒阻大变形杆体(13)下表面固接，并且上表面宽度大于下表面宽度，下表面宽度小于内密封筒(22)的开口宽度；

当所述的恒阻体(41)数量大于1时，则分别沿恒阻大变形杆体(13)下表面布置，其结构为环形倒圆锥台实体，恒阻体(41)的上表面直径大于下表面直径，下表面直径小于内密封筒(22)的开口宽度。

4.根据权利要求3所述的一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置，其特征在于，所述的恒阻体的变形强度大于恒阻大变形套筒(23)，保证在受压时恒阻体(41)向下压入恒阻大变形套筒(23)内时，恒阻大变形套筒(23)发生形变而恒阻体(41)不发生形变。

5.根据权利要求1所述的一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置，其特征在于，所述的内密封筒(22)的长度小于恒阻大变形杆体(13)。

6.根据权利要求1所述的一种基于恒阻大变形结构的深部立井井筒自适应防护装置，其特征在于，所述的密封模块包括至少三道钢丝刷(31)以及填充在钢丝刷(31)之间的油脂(32)，用以防水。