一种适用于立井井筒的钢管混凝土应力变形反馈支护结构

摘要

本发明是公开了一种适用于立井井筒的钢管混凝土应力变形反馈支护结构。该技术采用钢管和膨胀性混凝土组成组合支护体系，实现支护体系径向变形可控，同时达到安全支护和减小支护体系占用井筒有效提升空间的目的；同时安装在支护系统内的应力和变形监测传感器可以实时监测和预警井筒的安全状态。该技术改变了传统的井圈背板和喷射混凝土的存在的支护强度不足以及占用大量的井筒空间影响安全提升等问题；该技术充分发挥了钢管和混凝土的力学特性，具有：施工简便、性价比高、实时反馈等多重优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种立井井筒支护结构，特别涉及一种适用于立井井筒的钢管混凝土应 力变形反馈支护结构。

背景技术

立井井筒是整个煤矿安全生产的咽喉，随着煤炭资源开采深度的增加，煤矿立井井 壁的深度也在不断增加，由于设计和施工工艺以及地层赋存条件等多方面的因素，立井 井壁在基岩和表土交界面不可避免的出现破裂，而这些破裂位置往往会伴随着渗水现 象，严重影响井壁结构和井筒内装备的使用寿命，当淋水量过大甚至会影响到整个矿井 安全。

为了确保立井井壁的安全，目前常用的治理井壁破裂的工程措施有：(1)井圏背板 加固，通过架设槽钢井圈来支护破裂井壁；(2)井筒内喷射高强混凝土来加固破裂井壁； (3)地面注浆加固地层方案。方案(1)存在占用井筒提升时间长，对于已经破裂井壁 进行井圈加固只能承受被动载荷支护的效果有限，且槽钢的锈蚀和占用空间大，影响了 加固的效果。方案(2)工程量大、工期长，为了达到加固的强度，喷射混凝土的厚度 占用井筒的空间，影响安全提升。方案(3)工程量大、工期长、造价高，对于已经严 重破裂的井壁注浆对于井壁结构的安全同样是重要的安全隐患。

综上所示，现场迫切需要一种既能达到支护效果同时又能尽量少占用井筒空间的 方法，这正是本发明的主要目的。

发明内容

发明目的：正对上述现有技术，提出一种适用于立井井筒的钢管混凝土应力变形反 馈支护结构，既能达到支护效果同时又能尽量少占用井筒空间。

技术方案：一种适用于立井井筒的钢管混凝土应力变形反馈支护结构，包括若干道 沿井筒圆周设置的钢管混凝土支护结构；所述每道钢管混凝土支护结构为由若干段圆弧 形钢管连接构成的圆环状结构，该圆环状结构的外直径与井筒的内径相等；每段圆弧形 钢管内均填充膨胀性混凝土，钢管径向膨胀量为1～5％。

进一步的，还包括应力监测传感器系统和数据采集分析装置；所述应力监测传感器 系统包括设置在每个相邻圆弧形钢管连接处的混凝土压力传感器，所述混凝土压力传感 器均连接数据采集分析装置。

进一步的，还包括激光变形监测传感器系统；所述激光变形监测传感器系统包括沿 所述钢管混凝土支护结构的内侧均匀间隔排布的一个激光发射器和若干个激光接收器， 所述一个激光发射器和若干个激光接收器均连接数据采集分析装置。

进一步的，每段圆弧形钢管的下方均匀间隔设置2～3个楔入立井井筒壁的钢楔支撑 件，同时上下相邻两道钢管混凝土支护结构之间采用竖向结构相连。

进一步的，所述每段圆弧形钢管与井壁之间还安装有槽钢。

进一步的，在所述钢管混凝土支护结构和井壁之间挂有金属网，所述金属网上喷射 有高强混凝土。

进一步的，每段圆弧形钢管的上方设有混凝土浇灌振捣口。

进一步的，所述每段圆弧形钢管内填充的膨胀性混凝土为细粒混凝土。

进一步的，所述钢管混凝土支护结构包括4～8段圆弧形钢管，所述每段圆弧形钢管 的钢管直径为100～200mm，钢管壁厚为5～10mm。

进一步的，相邻的两段圆弧形钢管之间通过金属波纹管或法兰连接。

有益效果：本发明的一种适用于立井井筒的钢管混凝土应力变形反馈支护结构，包 括沿井筒圆周设置的若干道钢管混凝土支护结构，每道钢管混凝土支护结构为由若干段 圆弧形钢管连接构成的圆环状结构，圆环状结构的外直径与井筒的内径相等，在每段圆 弧形钢管内均填充膨胀性混凝土，使得钢管径向膨胀量为1～5％。即通过钢管和膨胀性 混凝土组合的支护体系实现径向可控变形，通过钢管的变形对加固段井壁施加一定的约 束力，改变井壁的二维受力状态为三维受力状态，提高加固段井壁自身的承载能力。相 对于现有技术来说，其结构占用立井空间小于槽钢的空间，且通过控制钢管径向的膨胀 量，起到对井壁的主动支撑效果。

在每段钢管的端部设置压力传感器，通过混凝土的膨胀使得压力传感器接触并承受 一定压力，通过实时的压力数据监测，监控支护体系的受力状态，起到预警作用。通过 激光变形监测传感器系统监测井筒的变形，也起到预警作用，有效地保证井壁的安全使 用。

依据井壁的破坏程度确定，在每段圆弧形钢管下方设置钢楔支撑件，且上下相邻两 道钢管混凝土支护结构之间采用竖向结构相连，进一步增加支护体系的整体刚度。

如果井壁已经严重破碎，还可以在圆弧形钢管后安装槽钢来增加支护面积，同时在 钢管混凝支护体系和井壁之间挂金属网，待支护体系完成后喷射高强混凝土，从而进一 步增加支护体系的整体刚度。

附图说明

图1为本发明钢管混凝土支护结构的示意图；

图2为钢管混凝土支护结构位置A的局部放大图；

图3为激光变形监测传感器系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种适用于立井井筒的钢管混凝土应力变形反馈支护结构，包括沿井 筒圆周设置的若干道钢管混凝土支护结构，根据立井井筒的直径，每道钢管混凝土支护 结构为由4～8段圆弧形钢管2连接构成的圆环状结构，该圆环状结构的外直径与井筒1 的内径相等。每段圆弧形钢管的钢管直径为100～200mm，钢管壁厚为5～10mm，该圆弧 形钢管可以事先由圆形钢管按一定弧度加工而成。在安装钢管之前，预先在圆弧形钢管 两端端部安装一个可以自由移动的混凝土压力传感器5，然后再井下将各段圆弧形钢管 连接起来，相邻的两段圆弧形钢管之间通过焊接金属波纹管6连接，此时每个混凝土压 力传感器5位于钢管内相邻圆弧形钢管连接处；如果不具备井下焊接条件可以采用端部 焊接法兰和高强螺栓连接的方式。根据立井的实际情况，选择对立井的多个位置设置本 发明的混凝土支护结构，提高整个立井井筒的刚度。

在安装好的圆环状结构上，每段圆弧形钢管的上方设有混凝土浇灌振捣口3，通过 该混凝土浇灌振捣口3向钢管内部灌入膨胀性混凝土，膨胀性混凝土使得钢管发生径向 膨胀，对立井井筒壁施加预压力，预压力能够改变井壁的受力状态，提高支护体系的支 护性能。为了确保膨胀性混凝土的浇筑效果，采用细粒混凝土，先通过实验和计算确定 需要的预压力，通过调整膨胀性混凝土的配方，在井下通过混凝土浇灌振捣口3开展混 凝土的灌入及振捣工作，从而可以控制钢管径向的膨胀量在1～5％。

为了确保支护结构的自身安全，每段圆弧形钢管的下方均匀间隔设置2～3个楔入立 井井筒壁的钢楔支撑件4。每道钢管混凝土支护结构之间的间距设置为0.5～1.5m，同时 上下相邻两道钢管混凝土支护结构之间采用竖向结构相连，增加支护结构的整体刚度。 如果井壁已经严重破碎，可以在圆弧形钢管后安装槽钢增加支护面积，此时圆弧形钢管 位于预先加工成圆弧形的槽钢内；同时在钢管混凝土支护体系和井壁之间挂金属网，在 金属网上喷射有高强混凝土。

钢管混凝土支护结构上还包括激光变形监测传感器系统以及数据采集分析装置。预 先设置在圆弧形钢管两端端部的混凝土压力传感器5均连接数据采集分析装置，从而构 成应力监测传感器系统。激光变形监测传感器系统包括沿所述钢管混凝土支护结构的内 侧均匀间隔排布的一个激光发射器7和七个激光接收器8，激光发射器7和激光接收器 8均连接数据采集分析装置。在灌入混凝土时保持混凝土压力传感器位于相邻圆弧形钢 管连接处，混凝土灌入并捣震结束后，混凝土压力传感器5能够埋置在混凝土内部，能 够实时将混凝土内部压力信息传输至数据采集分析装置，从而实时监控支护结构的受力 状态并预警。激光变形监测传感器系统能够通过分析七个激光接收器8和激光发射器7 之间的距离，分析井筒在水平方向的变形，从而预测和预警井壁的安全状态，作预警作 用。数据采集分析装置用于实现压力和激光数据的定时采集、实时采集、数据存储、井 下无线传输和数据分析等功能，相应的分析装置可以设置在立井外，压力数据和激光数 据可通过无线传输技术传输到分析装置上。

本发明的钢管混凝土支护结构具体施工步骤如下：

1.预先考察破裂段立井井壁位置、井壁结构形式、井壁厚度、水压和土层特性， 综合各方面因素，确定加固的范围，加固的布置密度，预压力的大小等；

2.按井筒的净直径分段预制好钢管并在地面进行拼接实验，整个钢管的外侧要好 井壁内径尺寸配合，让施工人员熟悉拼接工艺；

3.加固结构的施工顺序由上到下，在井壁结构完整的区域施工钢楔支撑件；

4.根据需要的预压力，计算需要的径向变形量，预先进行膨胀性混凝土材料的配 比实验，确定最优配合比；

5.井下钢管的架设和拼接；

6.膨胀性混凝土浇灌和振捣；

7.变形和应力监测系统的连接和调试；

8.施工过程中和施工后的安全监测和预警分析。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。