Research on Stress and Strength of High Strength Reinforced Concrete Drilling Shaft Lining in Thick Top Soils

High strength reinforced concrete drilling shaft linings have been adopted to solve the difficult problem of supporting coal drilling shafts penetrating through thick top soils. Through model experiments the stress and strength of such shaft linings are studied. The test results indicate that the load beating capacity of the shaft lining is very high and that the main factors affecting the load bearing capacity are the concrete strength, the ratio of lining thickness to inner radius and the reinforcement ratio. Based on the limit equilibrium conditions and the strength theory of concrete under multi-axial compressive stressed state, a formula for calculating the load-beating capacity of a high strength reinforced concrete shaft lining was obtained. Because the concrete in a shaft lining is in a multi-axial compressive stress state the compressive strength increases to a great extent compared to uni-axial loading. Based on experiment a formula for the gain factor in compressive strength was obtained： it can be used in the structural design of the shaft lining. These results have provided a basis for sound engineering practice when designing this kind of shaft lining structure.

钻井法凿井气-液-固耦合排渣流场及刀盘吸渣口优化

针对西部地区侏罗系地层煤矿立井钻井法施工中出现的气举反循环洗井排渣与钻进效率低下问题,以陕西可可盖煤矿中央回风立井ϕ4.2 m超前钻井为工程背景,基于CFD-DEM(计算流体力学和离散单元法耦合)研究方法,建立了气-液-固多相耦合排渣数值模型,揭示了排渣管内、井底流场的速度及压力分布规律,并基于自研的气举反循环排渣试验装置,采用PIV(粒子图像测速法)测试技术对流场分布的正确性进行验证;提出了优化刀盘吸渣口评判指标和方法,对吸渣口的数量、长径比、面积比、总面积占比进行优化,得到了超前钻头刀盘吸渣口布置的最佳方式和相关参数;讨论了钻头转速、注气量、风管没入比和泥浆黏度等主要因素对排渣流场的影响。研究结果表明:(1)排渣管内流体的运移以轴向流动为主,且途经注气端时,流速发生跳跃式剧增;井底流体的运移主要以水平流动为主,流体的垂直上返仅存在于吸渣口附近;井底流体的水平流动以切向流动为主,径向流动仅在吸渣口两侧较为明显,且远离吸渣口处,径流速度较小易产生岩屑沉积;(2)当刀盘吸渣口数量为2,长径比为0.4,面积比为1,总面积占比为1.94%时,吸渣口的布置方式最佳,且清渣率较现行吸渣口布置方式提高66%;(3)增大钻头转速可显著增强吸渣口的吸附作用,注气量、风管没入比与井底和排渣管内流体的轴向速度均呈正相关关系,低黏、低密度的泥浆易获取高流速,但携岩能力较差。研究结果可为破解侏罗系地层深大立井钻井法洗井排渣与钻进效率低下技术难题,提供有益的理论参考。

高海拔铁路隧道斜井机械化配套与快速施工

为解决高海拔高寒地区斜井施工存在气压低、含氧量低、温差大、严寒干燥等问题,以某高海拔铁路隧道斜井工程为背景,结合围岩等级、断面大小、海拔高度,根据斜井施工机械化配套原则,提出高海拔陡坡长斜井机械化安全快速进洞施工工法,并选配超前支护、钻爆、装运、喷锚支护、衬砌等机械化作业线的成套设备。基于高度机械化的设备配套,提出“快挖、快运、快支”的高效施工技术以及各工序快速衔接工艺。以控制围岩变形为核心,构建一套积极干预加固围岩、注重早期支护并快速闭合的主动支护体系。结果表明:与普通钻爆法施工相比,采用三臂凿岩台车高度机械化配套施工效率高,月最快进尺为180 m,较人工钻爆法施工月进尺为130 m相比提高了近30%,施工质量稳定,作业人员投入少,且拱顶沉降和周边收敛均小于规范要求值,衬砌强度可靠,可实现高海拔小断面隧道“快挖、快支、主动支、快封闭”。

700m深级公路隧道超大竖井掘进工法比选——以天山胜利隧道2-2竖井为例

为解决700 m深级高寒高海拔地区高速公路大直径竖井施工前施工工法难以抉择的问题,考虑到新疆严苛的环保要求,天山复杂的工程地质,钻爆法与TBM法“3洞”组合洞内通风的迫切需求,以及施工条件、工期、成本控制等诸多因素,调研国内外不同行业、不同级别井深的井筒正井法、反井法、竖井钻井法及竖向掘进机法等掘进工法,从地质适应性、工期要求、场地条件、技术成熟度、安全性、环保、成本等方面进行综合比选,结合天山胜利隧道2-2竖井工程的经验,得出主要结论如下:1)正井法、反井法、钻井法在煤矿等其他行业技术成熟,设备市场齐全,而在高速公路隧道700 m深级超大竖井施工尚属首次,施工难度极大,应引起项目决策者高度重视;2)高速公路隧道700 m深级超大竖井施工前,再次进行渗透系数、涌水量、围岩岩性、强度、破碎带位置及长度等的详勘或校核,是进行方案比选的重要前提;3)采用钻井法对应充分考虑坚硬地层导致的成本增加和工期延长等不利后果;4)超大竖井掘进机掘进设备、技术尚处在探索阶段,会因设备制造周期长以及泥浆泵更换、垂直度纠偏、刀盘漏油修复、频繁换刀等问题带来的工期不确定性和成本大幅增加,采用竖向掘进机法应慎之又慎。

下沉式竖井掘进工法在软土地区的应用研究

城市地区的深层地下管网建设产生了大量超深竖井建设需要,而传统施工技术难以同时满足超深竖井施工低影响、高效且节约的需求。为此,本文介绍了一种新型施工技术——下沉式竖井掘进工法(VSM),与沉井工法、地下连续墙围护开挖工法等传统施工方法相比,该工法具有施工速度快、环境友好、工程造价低等优点。通过对VSM工法特点的总结,探讨了基于该工法的超深竖井设计要点。该工法应用于软土地区时,应注意需要满足土体抗隆起稳定性及地基承载力要求。最后,介绍了上海软土地区首个采用VSM工法的超深竖井工程。对该竖井施工过程的监测结果表明,VSM工法在上海软土地区有较好的适用性,竖井开挖施工对周边环境的影响可满足上海地区环境保护等级为一级的基坑变形控制要求。

台格庙矿区钻井法凿井钻进工艺可行性研究

神华新街台格庙矿区一井东部风井井筒设计成井深度857.5 m,设计净直径7.0 m,设计井壁厚度850 mm,以此为工程背景,从地质特征、工程条件、装备能力、钻井分级工艺等方面,分析了采用竖井钻机钻井法凿井钻进工艺的可行性。研究了拟建井筒穿越的地层及其岩石力学特性,基岩厚度将达到870 m,基岩占比达到99.3%;基于地质条件、井筒功能和井筒设计参数,计算得出钻井深度将达875 m、钻井直径为10.2 m,并梳理了全岩地层深大直径井筒机械破岩钻进面临的难题;对比分析了东部深厚冲积地层和西部厚基岩地层钻进分级工艺,分析确定了“一扩成井”钻进工艺具有可行性,超前钻孔直径范围为6.5~7 m,扩孔钻进直径为10.2 m。

“科技乙方”商业服务模式创新及应用

基于矿山特殊施工高科技企业专业和核心技术优势,研究提出了“科技乙方”商业服务模式,通过提供科技含量更高的产品和服务,有效释放新质生产力的科技效能,该模式成功解决特殊凿井领域中大量“卡脖子”技术难题,并引领我国地下工程特殊施工技术的发展。“科技乙方”以技术力量实现价值创造,主要服务产品包括冻结技术、注浆技术、钻井技术及装备、智能化建井设计及建设、国家重大引调水技术服务。“科技乙方”是“技术+装备+工程”整体解决方案的提供商,在实施过程中对新出现的技术难题即时研究解决能力更加突出,已经在山西省中部引黄工程地面定向钻孔预灌浆工程和涌水应急抢险堵水工程中得到了实践检验。

钻井法深大直径立井悬浮下沉研究

针对新街能源钻井法深井井壁悬浮下沉设计问题,基于阿基米德浮体悬浮原理,建立了同一断面和分段变断面的井壁结构形式在泥浆中悬浮平衡表达式,探讨了井壁混凝土重量、泥浆容重、井壁厚度对辅助钢梁支撑力和辅助钢梁施加高度的影响。并分析了泥浆容重与井壁许用临界厚度相关关系,最后验算了新街台格庙风井是否满足悬浮下沉要求。研究成果表明:(1)通过井壁混凝土减重、增加泥浆容重和减小井壁厚度,可以有效减小辅助钢梁在悬浮下沉中承受的荷载,同时显著降低辅助钢梁施加高度;(2)井壁厚度过高、泥浆容重过小将导致辅助钢梁支撑力在井壁下沉过程逐渐增大,无法实现悬浮下沉工艺;(3)泥浆容重的增大可使井壁许用临界厚度增大,同时泥浆容重一定时,井壁厚度是受限制的,实际工程中应通过增大井壁材料强度来满足施加荷载需要。研究成果可为类似钻井法凿井设计及施工提供参考。

超深厚表土层特殊凿井技术探究

为了开发超深厚土层下的固体矿物资源,以2000m深厚表土层建井为工程背景,通过总结深厚土层中井筒建设成果,并参考深土层井筒施工经验与理论研究,对冻结法、钻井法及混凝土帷幕法等特殊凿井法进行了可行性分析。研究表明:在本工程背景下,使用单一的冻结法或使用单一的钻井法作为建井技术尚不成熟且实现难度较大;而采用冻结-帷幕凿井工艺具有一定的可行性。由于深井建设面临“高地应力、高地温、高水压”问题,为确保工程安全性,提出了冻结-帷幕凿井法,为后续超深厚土层凿井方法的选取提供了方向性的参考。

古皂水库放水塔竖井开挖施工技术

蒙山县古皂水库放水塔竖井的施工采用了正井法与反井法结合的方法,确保了竖井施工安全,同时又保证了施工进度。探讨了竖井施工工艺流程中的技术难点。

基于BIM技术的煤矿井巷工程成本精准估计研究

为了提升煤矿井巷工程成本估计精度,提出了基于BIM(建筑信息模型)技术的煤矿井巷工程成本精准估计方法。以某项工程为依托,基于BIM技术的网格生成方法和三角剖分方法建立煤矿井巷工程的地质模型,投影主井、副井、风井空间数据,综合构建出煤矿井巷工程的演进模型。对影响工程成本的影响因子进行分析,将分析所得的影响因子数据代入到演进模型中,得出不同施工阶段的过程成本估计数据。研究结果表明,该方法的估计成本与实际成本一致度达到99.9%,估计结果较为精准,满足煤矿井巷工程施工的现实需求。

西部钻井法“一钻成井”新型高强复合井壁力学特性

针对西部地区富水弱胶结地层中深、大钻井井筒“一钻成井”支护难题,提出采用高强钢板-混凝土复合井壁新型结构。首先,以内蒙古鄂尔多斯市陶忽图煤矿北风井为工程原型,基于相似理论推导了复合井壁结构模型试验相似指标,通过正交模型试验,研究了不同井壁厚度、混凝土强度等级和钢板型号情况下高强钢板-混凝土复合井壁的力学特性。其次,采用数值模拟方法,计算分析了高强钢板-混凝土复合井壁极限承载力的影响因素及其变化规律。然后,根据模型试验与数值计算结果,构建了高强钢板-混凝土复合井壁承载力和混凝土抗压强度提高系数计算公式,并给出了各影响因素的取值范围,同时提供了该种井壁结构的工程应用设计优化方法。最后,分析了复合井壁结构中锚卡的力学作用效应。研究结果表明,在复合井壁结构中,由于高强钢板屈服强度高,可更好地对中间混凝土产生复合约束作用,混凝土抗压强度提高系数可达2.3~2.6,井壁承载力显著提高。在相同条件下,与Q345钢板相比,高强钢板(Q460~Q620)-混凝土复合井壁的极限承载力可提高7.14%~19.46%,井壁厚度可减薄8.18%~19.52%,且增大内层钢板厚度更有助于提高井壁极限承载力。复合井壁结构中锚卡约束着内钢板,使其达到屈服应力后不会过早发生屈曲失稳,同时对中间混凝土提供约束作用,保证其处于三向受压状态,2者起到很好的复合作用,有利于井壁结构整体受力。

中深孔爆破成井在逊克金矿的应用

逊克金矿采用Simba1354凿岩台车施工切割井中深孔,对掏槽方式、炮孔直径、施工精度、装药结构、爆破次数进行了优化,选择桶形掏槽提供自由面和补偿空间,120 mm大直径炮孔减小穿孔数量,导向钎杆提高了施工精度。通过提高装药密度和增加导爆索等措施改善爆破效果,通过分次爆破减少了天井被堵死的概率。采用该方法成功实施了中深孔爆破成井,提高了生产效率,降低了天井掘进存在的炮烟、粉尘、浮石等安全风险,保证了采出矿量和各生产矿块的生产接续,为工程进展提供了有力保障,可为同类矿山的开采提供借鉴经验。

立井钻爆法施工智能化现状与展望

立井施工普遍应用的是普通钻爆法,立井普通钻爆法施工是立井智能化建设的关键。分析了立井钻爆法施工的提升、悬吊、凿岩、抓岩等关键工序装备发展历程和智能化技术现状,提出了立井钻爆法施工提升、悬吊、凿岩、抓岩以及管控平台的智能化技术发展展望,可为从事立井建设行业的工程技术人员及学者提供参考。

厚基岩地层竖井钻机钻井法钻进技术参数及其速度分析

竖井钻机钻井法具有施工安全性好、机械化程度高、井壁质量好等优点,可实现打井不下井,本质安全的目标。分析了我国西部与中东部钻井地层的差异性,中东部地层基岩占比不超过20%,而西部地层基岩占比超过80%;针对西部煤系地层厚基岩特性、井筒设计和钻机能力等条件,分析并计算了厚基岩地层竖井钻机钻井直径、深度和钻进分级,提出了进风立井“一钻成井”和回风立井“一扩成井”的钻井工艺;分析了不同地层条件下机械破岩钻进的钻压、转速等技术参数及对应的钻进速度,一次全断面钻进ϕ8.5m井筒,钻头的破岩面积近56.8 m^(2),宜采用低钻压和低转速的方式钻进,而ϕ4.2m钻头超前钻孔和ϕ8.5m钻头扩孔钻进时,可适当提高钻压以达到体积破岩的目的;根据钻井工程数据实测统计,进风井ϕ8.5m全断面一次钻进深度达到491.0m,最高月进尺62.3m,回风井ϕ4.2m钻头超前钻进深度513.1m,最高月进尺110.4m,ϕ8.5m钻头扩孔钻进深度为511.0m,最高月进尺171.3m。陕北可可盖煤矿中央进、回风竖井是竖井钻机钻井法在西部煤系地层的首次成功应用,可为西部厚基岩地层竖井钻机钻井法凿井提供参考。

西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩影响因素分析

竖井钻机钻井法凿井是现阶段我国盲竖井机械化、无人化、智能化建设的重要工艺技术之一。西部矿区厚基岩地层以胶结程度低、遇水易泥化、强度低的弱胶结岩石为主,与我国中东部竖井钻机钻进的深厚表土地层力学特性不同。针对西部富水弱胶结厚基岩地层条件,简述了竖井钻机钻井技术的发展历程、竖井钻机装备及旋转破岩方式,探讨了竖井钻机机械破岩钻进面临的厚基岩地层高效破岩、钻进技术参数随钻实时控制、地层自稳性差导致井帮失稳风险、泥包钻头或砂包钻头、泥浆性能参数随钻调配设计等难题,并从工程条件、地质特性、破岩刀具、钻头结构、刀具布置、钻进参数、泥浆排渣等方面分析了竖井钻机机械破岩的影响因素及其相互关联和制约关系,梳理了西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩技术发展方向,以期为西部厚基岩地层竖井钻机机械破岩钻进技术发展提供参考。

液压伞钻在二号回风立井井筒掘砌施工中的应用

胡家河矿二号回风立井井筒掘砌施工的首要原则是在保证施工质量和施工安全的基础上,确保工程能在预期时间内完成。本文采用了液压伞钻打眼,并对其工作流程、参数选择、以及伞钻悬吊计算及伞钻梁选型计算进行了介绍。经过施工实践,改善了工作环境,缩短了施工工期,节约了施工成本,提高了施工效率。

李家壕煤矿大直径反井钻井施工工艺研究

根据李家壕煤矿的地质水文特点,采用大直径反井钻井施工工艺对李家壕煤矿大直径立井进行了施工,钻井设备选用北京中煤矿山工程有限公司研制的BMC600型反井钻机。从李家壕煤矿井筒、巷道、硐室的具体情况出发,选择反井钻机的配套设施,针对井下施工的难点,提出大直径反井钻井施工工艺相应的解决办法,探索出一条适用于李家壕煤矿大直径反井钻井施工的工艺路线。

反井钻机法在黄金峡水利枢纽出水洞竖井开挖中的应用

黄金峡水利枢纽出水洞竖井具有地质相对较复杂,开挖洞径大,竖井深度较深的特点,如采用普通竖井人工反井开挖方式进行开挖,施工难度很大,施工进度和施工安全都很难得到保证。经方案研究比选,出水洞竖井开挖选择反井钻法进行施工,施工不仅操作方便,快速,而且施工更加安全,施工获得了成功。以反井钻机法在陕西省引汉济渭工程黄金峡水利枢纽竖井开挖中成功应用为例,对反井钻机法施工进行了总结,阐述了反井钻机法开挖施工工艺及方法,反井堵塞预防及处理、安全保障措施等,尤其是在施工过程中,采用技术超挖和反井防堵及堵井处理措施,其成功的施工技术和经验,可为类似工程提供施工经验和技术参考。

白垩系地层条件下冻结壁内部冻胀应力变化规律研究

复杂地质条件下建设井筒首选冻结法,西部地区煤炭资源丰富,但多数煤炭资源埋藏在白垩系含水地层下。如果开采该地质条件下的煤炭资源,井筒必须穿过白垩系含水地层。此时,冻结凿井法是最佳选择。由于先前在白垩系地层条件下应用冻结凿井法建井的实例并不多见,针对白垩系地层条件下的冻结壁内部冻胀应力的变化规律进行研究具有工程意义。通过对穿过白垩系地层的陕西某矿井筒建设过程中冻结壁的内部冻胀应力进行实测,分析了冻结壁内部冻胀应力的变化规律,为其他类似工程提供一定的借鉴。