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1、第四章立井井筒的结构与设计第一节 立井井筒的结构一、立井井筒的种类立井井筒是矿井通达地面的主要进出口，是矿井生产期间提升煤炭（或矸石）、升降人员、运送材料设备、以及通风和排水的咽喉工程。立井井筒按用途的不同可分为以下几种：（一）主井专门用作提升煤炭的井筒称为主井。在大、中型矿井中，提升煤炭的容器为箕斗，所以主井又称箕斗井，其断面布置如图4-1所示。图4-1 箕斗主井断面图（二）副井用作升降人员、材料、设备和提升矸石的井筒称为副井。副井的提升容器是罐笼，所以副井又称为罐笼井，副井通常都兼作全矿的进风井。其断面布置如图4-2所示。图4-2 罐笼井断面图（三）风井专门用作通风的井筒称为风井。风井除用
2、作出风外，又可作为矿井的安全出口，风井有时也安设提升设备。除上述情况外，有的矿井在一个井筒内同时安设箕斗和罐笼两种提升容器，兼有主、副井功能，这类立井称为混合井。我国煤矿中，立井井筒一般都采用圆形断面。如图4-1、图4-2所示，在提升井筒内除设有专为布置提升容器的提升间外，根据需要还设有梯子间、管路间以及延深间等。用作矿井安全出口的风井，需设梯子间。二、立井井筒的组成立井井筒自上而下由井颈、井身、井底三部分组成，如图4-3所示。靠近地表的一段井筒叫做井颈，此段内常开有各种孔口。井颈的深度一般为1520m，井塔提升时可达2060m。井颈以下至罐笼进出车水平或箕斗装载水平的井筒部分叫做井身。井身是
3、井筒的主干部分，所占井深的比例最大。井底的深度是由提升过卷高度、井底设备要求以及井底水窝深度决定的。罐笼井的井底深度一般为10m左右；箕斗井井底深度一般为3575m。这三部分长度的总和就是井筒的全深。 图4-3 井筒的组成 图4-4 台阶形井颈三、立井井颈、壁座和井底结构（一）井颈如图4-4所示。井颈的作用，除承受井口附近土层的侧压力及建筑物荷载所引起的侧压力外，有时还作为提升井架和井塔的基础，还要承受井架或井塔的重量与提升冲击荷载。1、井颈的特点（1）井颈处在松散含水的表土层或破碎风化的岩层内，承受的地压较大。（2）生产井架或井塔的基础，将其自重及提升荷载传到井颈部分，使井颈壁的厚度大大增加
4、。（3）井口附近建筑物的基础，增大了井颈壁承受的侧压力。因之，在井颈壁内往往要加放钢筋。（4）井颈壁上往往需要开设各种孔洞，削弱了井颈强度。2、井颈的结构和类型井颈部分和井身一样，也要安设罐梁、罐道、梯子间和管缆间等。另外井颈段还要装设防火铁门和承接装置基础，设置安全通道、暖风道（在严寒地区）、同风井井颈斜交的通风道等孔洞。井颈壁上的各种孔洞的特征，见表4-1。表4-1 井颈壁上孔洞特征孔洞名称断面积 / m2孔顶至井口距离 / m用途备注安全通道孔1.22.0在防火门以下防火门封闭时疏散井下人员及进风。可用拱形或矩形断面，其大小应便于行人。暖风道孔281.56严寒地区，防止冬季井筒结冰和保证
5、井下人员正常工作。孔口应对着罐笼侧面，断面大小可根据送入井下的热风量而定通风孔道42037通风井筒出风用。风道应与井颈斜交，断面大小根据通过的风量而定。排水管孔1.5423通过排水管用。断面大小根据排水管数目和直径而定。压风管孔1.01.523通过压风管用。断面大小根据压风管数目和直径而定。电缆孔0.81.012通过电缆用。电缆允许弯曲的曲率半径R1520倍电缆直径，所以应为斜洞，其断面根据电缆的数目和大小而定。井颈型式主要取决于井筒断面形状及用途、井口构筑物传递给井颈的垂直荷载、井颈穿过地层的稳定性情况和物理力学性质、井颈支护材料及施工方法等因素。常用的井颈型式有下述几种：（1）台阶形井颈（
6、图4-4） 为了支承固定提升井架的支承框架，井颈的最上端（锁口）厚度一般为1.01.5m，往下成台阶式逐渐减薄。图a适用于土层稳定，表土层厚度不大的条件。图b适用于岩层风化、破碎及有特殊外加侧向荷载时。（2）倒锥形井颈（图4-5） 这种井颈可视为由倒锥形的井塔基础与井筒联结组成。倒锥形基础是井塔的基础，又是井颈的上部分，它承担塔身全部结构的所有荷载，并传给井颈。倒锥形井颈根据井塔的形式又分为倒圆锥壳形、倒锥台形、倒圆台形等形式。倒圆锥壳形（图4-5 a），即圆筒形井塔与圆筒形井筒的井颈直接固接在一起，适用于地质条件复杂的地区。倒锥台形（图4-5 b），即矩形或框架形塔身的井塔与圆形井筒的井颈直
7、接固接在一起，适用与厚表土、地下水位高的井筒。倒圆台形（图4-5 c），即圆筒形井塔与圆形井筒的井颈直接固接在一起，适用于厚表土层竖向载荷大的井筒。图4-5 倒锥形井颈3、井颈的深度和厚度设计井颈的深度主要受表土层的深度控制。在浅表土中井颈深度可取表土层全厚加23m，按基岩风化程度来定。在深表土中，井颈深度可取为表土层全厚的一部分，但第一个壁座要选择在不透水的稳定土层中。如果多绳提升的井塔基础座落在井颈上时，井塔影响井颈的受力范围（深度）可达2060m。井颈深度除依表土情况确定外，还取决于设在井颈内各种设备（支承框架、托罐梁、防火门）的布置及孔洞大小等。井颈的各种设备及孔洞应互不干扰，并应保持
8、一定间距；设备与设备外缘应留有100150mm的间隙，孔口之间应留400500mm的距离。井颈的总深度可以等于浅表土的全厚，也可为厚表土的一部分，一般为815m。若多绳井塔与井筒固接，则井塔影响井颈的深度可达2060m。井颈用混凝土或钢筋混凝土砌筑，厚度一般不小于500mm，为了安放和锚固井架的支承框架，最上端的厚度有时可达1.01.5m，向下成台阶式逐渐减薄，第一阶梯深度要在当地冻结深度以下。图6 井颈最小高度计算图井颈壁厚的确定方法，一般先按照构造要求估计厚度，然后再根据井颈壁上作用的垂直压力和水平压力进行井颈承载能力验算。作用于井颈壁上的垂直压力包括井架立架和其它井口附近构筑物作用在井颈
9、上的全部计算垂直压力及井颈的计算自重。按轴向受压和按偏心受压验算井颈壁承载能力。作用于井颈壁上的水平压力包括地层侧压力、水压力及位于滑裂面范围内井口附近构筑物引起的侧压力等。在水平侧压力作用下井颈壁按受径向均布侧压力或受切向均布侧压力验算承载能力。当作用于井颈上的荷载很大时，为避免应力集中，设计时需增加钢筋。受力钢筋（沿井筒弧长布置）直径一般为1620mm，构造钢筋（竖向布置）直径一般为12mm，间距为250300mm。井颈的开孔计算，可设开孔部分为一闭合框架，框架两侧承受圆环在侧压力作用下的内力分力为Q，分力V则传至土壤及风道壁上。Q可取作用于框架上部侧压力P1的内力分力Q1和下部侧压力P2
10、的内力分力Q2的平均值：（图4-7） （4-2）式中 r圆环外半径，m； 孔口弧长对应的圆心角。图4-7 井颈开孔图及开孔受力、内力图在Q的作用下，可计算闭合框架在A点和h的中点弯矩和，如图4-7所示。框架梁上的荷重，可近似按承受从梁两端引出与梁轴成45线交成的三角形范围内的筒壁自重计算（图4-8）。为了简化，将三角形荷载转化为等量弯矩的均布荷载。设三角形中点荷载为P1，则其等量弯矩的均布荷载。依此可计算出框架A点和l的中点的弯矩和，如图4-8所示。图4-8 开孔梁计算图根据求出的跨中、转角处的弯矩及轴向力的总和，再按偏心受压构件验算闭合框架。强度不足时，进行配筋。（二）壁座以往在立井、斜井的
11、井颈下部、在厚表土下部基岩处、马头门上部、需要延深井筒的井底等，都要设置壁座。人们认为壁座是保证其上部井筒稳定的重要组成部分。用它可以承托井颈和作用于井颈上的井架、设备等的部分或全部重力。从这种思想出发，人们设计出壁座的结构，并以此推导出壁座的设计计算方法。目前国外的矿山建设者，仍然沿用着壁座这种结构的设计和计算原理。我国的建井工作者，在最近三十年来的研究中发现，由于井颈段比较长，少则十几米、多则几十米。井颈段与土层的接触面积很大，少则几百平方米，多则上千平方米。土层对井颈段的摩阻力，远远大于井颈段井筒的自重及其作用于其上的全部荷载。由此认为井颈段的壁座是完全没有必要的，这一点，已被工程实践所
12、证明。现在已普遍认识到，井筒内的其他壁座，也无存在的必要，因为爆破后，在原来的岩壁上形成的凹凸的表面，实际上就是千千万万个小壁座，它与混凝土粘结的相当牢固，其摩阻力远大于井颈段。 (三)井底结构井底是井底车场进出车水平（或箕斗装载水平）以下的井筒部分。井底的布置及深度，主要依据井筒用途、提升系统、提升容器、井筒装备、罐笼层数、进出车方式、井筒淋水量、并结合井筒延深方式、井底排水及清理方式等因素确定。井底装备指井底车场水平以下的固定梁、托罐梁、楔形罐道、制动钢绳或罐道钢绳的固定或定位装置、钢绳罐道的拉紧重锤等。所有这些设备均应与水窝的水面保持0.5m或1.0m的距离。1、罐笼井井底不提人的罐笼井
13、井底多采用罐梁或托罐座承接罐笼，如不考虑延深，托罐梁下留2m以上的水窝即可。井窝存水可用潜水泵排除。提升人员的罐笼井井底一般采用摇台承接罐笼。（1）单绳提升人员的罐笼井井底当采用刚性罐道时，在摇台下应留过卷深度（其大小由提升系统决定），以防提升过卷时蹾罐。在过卷深度处设托罐梁，托罐梁下设防坠保险器钢丝绳拉紧装置固定梁，并留25m水窝（见图4-9）井窝深度用下式表示：，m （4-3）式中 h井窝深度，m； h1进出车平台至托罐梁上垫木的距离（包括过卷高度），m；h2托罐梁上垫木至拉紧装置固定梁距离，m；h3水窝深度，不考虑延深时，一般取5m；考虑延深时，取1015m。当采用钢丝绳罐道时，托罐梁下
14、面要设置钢丝绳罐道固定梁及钢丝绳拉紧装置平台梁，故井窝要比刚性罐道的井窝深一些（见图4-10）。井窝深度用下式表示：，m (4-4)式中 h1进出车平台至托罐梁上垫木距离，m；h2托罐梁上垫木至钢丝绳定位梁的距离，一般取12m； h3钢丝绳罐道定位梁至罐道拉紧装置的距离，一般取2.53.0m；若拉紧装置设在井架上，则h30； h4钢丝绳拉紧装置长度（重锤），或固定装置长度（拉紧装置在井架上），m； h5重锤底面至水面的距离，一般取23m；h6水窝深度，m。 图4-9 单绳提升钢罐道罐笼井井底结构 图4-10 单绳提升钢丝绳罐道井底结构（2）多绳提升人员的罐笼井井底多绳提升系统中，在井底过卷深度内设置木质楔形罐道，并在楔形罐道终点水平下设防撞梁及防扭梁，以防过卷时蹾罐和尾绳扭结事故发生。当采用钢罐道时，井窝深度（见图4-11）用下式表示：，m (4-5)式中 h1进出车平台至防撞梁距离，m；h2防撞梁至防扭结梁距离，一般取33.5m；h3防扭结梁至平衡尾绳最低点距离，一般取34.5m；h4水窝深度，若为泄水巷排水，不考虑井筒延深时，取5.0m；考虑延深时，取1015m；若为水泵排水，则需增加平衡尾绳环点至水面距离23m。当采用钢丝绳罐道时，井窝深度（见图4-12）用下式表示： m (4-6)式中 h1进出车平台至楔形木罐道
