封闭井筒内受力密闭墙设置问题的分析与探讨

韩 勇

（山西中远设计工程有限公司，山西 太原 030001）

根据国务院国发[2016]7号文件，山西华润煤业有限公司大雁煤矿属于有序退出煤炭行业的范围。山西华润煤业有限公司大雁煤矿自愿接受煤矿关闭决定和关闭煤矿“以奖代补”标准，永久关闭所属煤矿。

为了保证关闭工作的顺利进行，确保矿井关闭后对周边无水患及其它安全影响，关键环节是要做好井筒封闭工作。而井筒封闭的关键环节是充填段下部受力密闭墙的设置，本文以此为研究对象，对该工程问题进行分析与探讨。

1 井筒特征

该矿需要封闭的共三个井筒，即主斜井、副斜井和回风斜井。井筒特征见表1。

表1 井筒特征表

2 井筒封闭方案比较

根据矿井实际工程地质情况，提出两种封闭方案，方案Ⅰ：充填密闭封闭井筒；方案Ⅱ：爆破封闭井筒，两种方案优缺点比较见表2。

表2 方案优缺点比较表

通过对上述两个方案的分析比较，可知方案Ⅰ优于方案Ⅱ，故矿井关闭方案采用方案Ⅰ，即充填密闭封闭井筒。根据煤矿安全规程：报废的斜井应填实或在井口以下斜长20m处砌筑1座砖、石或混凝土墙，再用泥土填至井口，并加砌封墙[1]。因此本矿井井筒充填采用泥土全断面填充，填实长度不小于20m。

3 受力密闭墙的设置方式

受力密闭墙设置有如下两种方式，方式Ⅰ：混凝土砌筑承重墙；方案Ⅱ：纵横工字钢网+料石；二者优缺点对比见表3。

通过对上述两种设置方式的分析比较，方式Ⅱ优于方式Ⅰ，因此受力密闭墙采用“纵横工字钢网+料石”的方式。

表3 方案优缺点比较表

具体设置参数如下：考虑该矿实际表土段厚度，确定“纵横工字钢网+料石”密闭墙设置在斜井井口下22m处（满足规程充填段不小于20m的规定），采用I25b工字钢梁，相邻两根梁布置中心线间距为700mm，沿井筒断面纵向横向各布置一排，工字钢之间采用12号铅丝双道绑扎为整体，再用料石砌筑封闭，最终形成密集型工字钢梁网状挡墙结构。工字钢梁通过梁窝方式架设。

4 “纵横工字钢网+料石”密闭墙承载力的计算

主斜井、副斜井、回风斜井井口第一道密闭墙均采用钢筋混凝土结构；井筒内第二道密闭墙，采用“I25b纵横工字钢网+料石”，第二道密闭墙为受力密闭墙，需要对其进行受力计算，以下对网中的工字钢梁进行强度、挠度验算。

4.1 强度计算

密集型工字钢梁上部承受载荷，其上部全部填充物重力沿井筒方向的分力，计算考虑填充密实均匀情况下，则作用在工字钢梁上力为均布载荷，故工字钢梁校核力学模型为两端简支梁均布载荷模型，如图1所示。具体计算如下：

图1 工字钢梁计算力学模型

1）梁的正应力强度计算。

根据受力情况，当间距为700mm时，进行验算。根据《采矿工程设计手册》132页公式[2]：工字钢梁的最大弯矩为：

支座反力：

式中：γ为填充材料容重，kg/m3；l为梁长，m；L2井筒填充段长度，m；A万井筒断面，m2；θ为井筒倾角，°

根据公式：

[σ]≥M/W，得出W，单位为mm3,

式中：Q235 工字钢[σ]取 215N/mm2。

经计算：

对于主斜井：W≥267.21 mm3＜423mm3；允许最大工字钢间距计算：当采用I25b工字钢，d1max=0.7×（423/267.21）=1.58m＞0.7m

副斜井：W≥194.49 mm3＜423mm3；d2max=0.7×（423/194.49）=1.52m＞0.7m

回风斜井：W≥183.49 mm3＜423mm3；d3max=0.7×（423/183.49）=1.61m＞0.7m

故采用700mm间距，满足要求。根据《钢结构设计规范》GB 50017-2003由上述W值选择梁的规格[3]，查表知工字钢梁I25b的W值为423mm3，选用工字钢梁I25b满足要求。

2）工字钢梁截面如图2所示，其受剪计算如下。

根据梁的受剪计算公式：

式中：F为横截面上的剪力，单位kN；S为所求剪应力作用层以上或以下部分的横截面面积对中性轴的面积矩，单位mm3；I为横截面对中性轴的惯性矩，单位mm4；b为所求剪应力作用层处的截面宽度，单位mm。

作用层以上或以下部分的横截面积矩计算公式：

式中：B、T、H、b、h、h1单位均为 mm。

图2 工字钢梁截面图

将以上已知数值套入剪应力计算公式即可得出τ值，

经计算：

主斜井：τ=48.82N/mm2≤[τ]=125 N/mm2，

副斜井：τ=38.14N/mm2≤[τ]=125 N/mm2，

回风斜井：τ=49.96N/mm2≤[τ]=125 N/mm2，

设计选用I25b工字钢，满足强度要求。

4.2 挠度验算

简支梁均布荷载下的最大挠度发生在梁的跨中，其计算公式：

式中：y为为梁跨中的最大挠度 (mm)；q为均布线荷载标准值（kN/m）；E为钢的弹性模量，2.06×105MPa；I为钢的截面惯矩，m4；

经计算：

主斜井：ymax=0.0044＜ L/400=4.0/400=0.0100m

副斜井：ymax=0.0019＜ L/400=3.4/400=0.0085m

回风斜井：ymax=0.0008＜L/400=3.0/400=0.0075m

故选用I25b工字钢，满足挠度要求。

经过验算，受力密闭墙采用“I25b纵横工字钢网+料石”的设置方式，满足工程要求。

5 井筒封闭方案

5.1 工作顺序

1）井筒内外附属设备回撤→临时栅栏（挂牌）；

2）在斜井内构筑第二道密闭墙（在井筒内掏梁窝，并架设纵横工字钢网，间距700mm）→充填22m井筒→在井口构筑第一道密闭墙；

3）矿井井口封闭工作全面验收。

5.2 要求

1）架设工字钢网时需掏梁窝，保证梁两侧没入深度为0.3m以上。

2）密闭处5m内井筒原砌碹支护层完好，无片帮、冒顶。

3）无裂缝、重缝和空缝，墙体不漏风。

6 结论

1）通过井筒实际工程地质情况，分析比较并确定了井筒封闭的方案。

2）通过方案比较分析并通过理论计算确定了受力密闭墙的设置方式，最终确定为“I25b纵横工字钢网+料石”密闭墙。

3）以上工程实例对相同工程问题的关闭矿井具有借鉴意义。