一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法
【专利摘要】一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，适用于井塔与井筒刚性连接偏斜建/构筑物的纠倾。首先根据井塔偏斜状况、井筒周围土体地质条件以及井塔通过倒锥台基础与井筒刚性连接的结构特点，设计斜孔掏土方案；然后根据井塔和井筒结构受力与偏斜特点，对井塔和井筒建立实时自动监测系统；按照设计掏土方案进行斜孔掏土施工，解除掏土孔周围土体的应力，降低掏土侧土体对井筒的侧向压力，促使井筒向受力较小侧回倾，进而带动刚性连接的井塔回纠；施工过程中实时监测井塔和井筒的回倾量变化并据此调整斜孔掏土技术参数，有效控制井塔的安全回倾。该纠偏方法施工简单、工程费用低、且不影响矿井的正常生产运行，能有效保证井塔和井壁结构的安全。
【专利说明】
一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种斜孔掏土纠倾方法，尤其是一种适用于建/构筑物纠偏的治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，属建筑工程技术领域。
【背景技术】
[0002]我国在一个相当长的时期内将以煤炭为主要能源，煤炭工业在国民经济中占据重要地位。然而随着矿井使用年限的增长，井塔或井架出现倾斜给提升系统的正常运行带来了不利影响，大大减小了箕斗(罐笼)与井壁之间的安全间隙，造成提升系统中心线偏移，严重影响了矿井的正常提升，甚至引发安全事故，造成巨大的经济损失。在上世纪70?80年代，受施工技术与设备限制，为简单解决井塔地基承载力问题，直接将井塔落座在倒锥形基础之上，倒锥形基础与井筒刚性连接(也即井塔基础生根于深长井筒)的设计方案占据主导地位。此种倒锥形基础设计形式为井塔-倒锥形基础-井筒三者刚性连接，该结构形式的优点为上部井塔结构荷载通过锥形基础直接作用于井筒，井筒嵌入基岩，设计时可不考虑井筒周围土体承载力高低。但其缺点同样十分明显，井塔与井筒刚性连接，致使两者变形高度协调一致，井筒结构破坏变形，即可直接导致井塔结构出现倾斜等病害。
[0003]对于煤矿中井塔与井筒通过倒锥台结构刚性连接的特殊基础，井筒嵌入基岩，可以认为此类基础没有基底，也即不对周围土体产生基底压力。目前此类基础之上的建筑物倾斜案例鲜有报道，与之对应的纠倾技术更是无从谈起，因此急需深入研究适用于此类特殊井塔基础的上部结构纠倾技术，以对发生倾斜的井塔和井筒结构进行有效纠倾与加固，保障矿井的安全生产运行。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，以解决井塔与井筒刚性连接偏斜建/构筑物的纠倾问题。
[0005]技术方案:本发明的治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，包括如下步骤:
[0006]I)根据观测的井塔偏斜方向及偏斜量、井筒周围土层的地质条件以及井塔与井筒之间通过倒锥台基础刚性相连的结构特点，在井塔发生偏斜相对一侧的土体中布设一排倾斜掏土孔，并设计倾斜掏土孔的掏土方案，确定斜孔的掏土技术参数以及目标纠倾量值；
[0007]2)在井塔的底层和顶层分别安装测斜传感器，并在井筒掏土深度范围内安装测斜传感器和应变传感器，对井塔和井筒偏斜以及井筒的受力安全进行实时监测，施工时，辅以光学测量的方法，利用全站仪进行井塔塔顶偏斜位移和井塔基础四周不均匀沉降观测，与井塔和井筒内安装的传感器测试结果相结合指导纠偏施工；
[0008]3)按照设计的倾斜掏土孔掏土方案，并在传感器信息实时监测的数据指导下，采用螺旋钻机在井塔发生偏斜相对侧的土体中施工倾斜掏土孔，以减小土体对井筒及倒锥台基础的侧向压力，促使偏斜的井筒向倾斜掏土孔侧移动；由于井塔与井筒是通过倒锥台基础刚性相连，井筒向倾斜掏土孔方向移动时即带动井塔的回倾位移，进而实现井塔纠偏目标；
[0009]4)达到纠倾目标且90天后，倾斜变形不再发展，对倾斜掏土孔用粗砂进行回填，平整施工场地地面，结束纠偏工作。
[0010]所述斜孔的掏土技术参数包括:掏土孔排宽度K、掏土孔直径D、掏土孔排距离井筒中心线距离L、掏土孔垂直深度H和钻孔倾角Θ。
[0011 ]所述施工倾斜掏土孔时，可考虑从小到大进行扩孔；同时掏土孔最大孔间距不应大于3倍倾斜掏土孔的孔径，且实际施工应尽量减小孔间距以使相对独立的各单孔相连成排，使得掏土孔区域接近为开长槽掏土。
[0012]所述目标纠倾量为设定完全纠正井塔或只是逆止井塔继续偏斜发展。
[0013]所述的倾斜掏土孔施工顺序有三种方式，一种是从布设的孔排中间的一个倾斜掏土孔开始施工，之后在第一个倾斜掏土孔左右两边交替进行施工，直至达到掏土孔排宽度K的位置;第二种是从设计孔排中间的一个倾斜掏土孔开始施工，然后由中间向外往一侧施工倾斜掏土孔，直至到该单侧掏土孔排宽度K位置停止，再由中间向外往另一侧施工倾斜掏土孔，直至到该单侧掏土孔排宽度K位置也停止;第三种是从掏土孔排宽度K的一端开始施工倾斜掏土孔直至掏土孔排宽度K另一端为止。
[0014]所述倾斜掏土孔的掏土孔直径D为200?300mm。
[0015]所述倾斜掏土孔的孔口距离井筒的中心线距离L应不大于10m;倾斜掏土孔的孔底与井筒的外壁之间的距离应控制在0.5?Im之间，以确保井筒结构安全。
[0016]所述倾斜掏土孔的垂直深度H不宜超过30m。
[0017]所述倾斜掏土孔的钻孔倾角Θ不宜超过10°。
[0018]所述井筒掏土深度范围内安装的测斜传感器层间距为13?16m，应变传感器层间距为8?12m。
[0019]有益效果:本发明采用倾斜孔掏土，使应力解除区尽可能靠近井筒，减小单侧土体对井筒的侧向压力;所述的井塔与井筒通过倒锥台基础刚性连接，也即井塔基础生根于深长井筒，井筒嵌入基岩的结构形式为该纠倾方法的适用对象;通过控制倾斜掏土孔倾斜角度、孔距井筒中心线距离可控制应力解除区与井筒之间的距离，通过控制掏土孔孔间距、孔深度、孔排宽度可调整应力解除区范围；实时监测系统可对纠倾施工进行科学、合理的指导。实际施工过程中根据监测数据的变化动态调整掏土技术参数，实现信息化施工。通过调整斜孔掏土技术参数，可有效调节土体应力解除区范围，进而可控制土体对井筒的侧向压力，实现井塔的安全、顺利回倾。同时建立全面的自动监测系统，掏土施工中可全面反馈井塔和井筒的回倾变形，通过反馈数据可实时调整倾斜掏土技术参数，保障井塔安全、顺利回倾，实现信息化施工。通过控制掏土孔倾斜角度及掏土孔孔口距离井筒中心线距离可控制应力解除区与井筒之间的距离，并通过控制掏土孔孔间距、孔深度、孔排宽度可调整应力解除区范围，进而可控制土体对井筒的侧向压力，利用施工侧与未施工侧土体对井筒的压力差值促使井塔回倾;实时监测可对掏土施工效果进行可靠评价，实现纠倾施工的信息化；
[0020]经研究表明，斜孔掏土孔排宽度对纠偏效果影响最为敏感，且孔排宽度越大井塔回倾量值也越大，因此在纠倾实施过程中应将掏土孔排宽度作为主要调控因子。除孔排宽度外其余各因子如斜孔垂直深度、斜孔直径、斜孔倾角和孔距井筒中心线距离对纠倾效果的影响相当，其中井塔回倾量值与斜孔垂直深度、斜孔直径和斜孔倾角间为正比关系，而与孔距井筒中心线距离之间关系为反比，因此可从施工安全、便利性和经济性等方面合理选择其余各因子的最优组合；
[0021]对于掏土孔开孔顺序对井塔回倾量的影响，研究了掏土方式一从井筒中心线同时对称向两侧掏土，方式二先从井筒中心线向一侧掏土，完后从井筒中心线向另一侧掏土，以及方式三自边上向另一侧依次掏土三种不同掏土孔开挖顺序对井塔双向回倾的影响。结果表明三种掏土方式对井塔目标纠倾方向的回倾总量影响不大，但对正交于目标纠倾方向的影响则明显不同，其中方式一仅可产生目标纠倾方向的回倾，而方式二和三均可产生一定的正交于纠倾方向井塔回倾。因此对于仅仅发生单向偏斜的井塔纠偏，掏土方式一最优。但对于发生正交方向双向的偏斜井塔，可根据实际情况选择掏土方式二或方式三，使井塔沿两个目标方向回纠；
[0022]纠偏机理:单侧掏土施工能有效改变井筒围土原有的受力状态，使孔周土体进入塑性状态进而更易向孔内发生坍塌变形破坏。围土变形导致掏土侧井筒受力减小，进而与对侧产生应力差值，促使井筒弯曲带动井塔回纠，此即斜孔掏土生根井塔纠偏的内在机理所在。
[0023]本方法解决了现有纠倾方法对井塔与井筒刚性连接(基础深生根)偏斜建(构)筑物纠倾不适用的问题，且该方法简单、经济，不影响矿井正常生产，占用施工场地小，具有显著的技术和经济优势。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的中倾斜掏土孔沿中垂线垂直剖面示意图。
[0025]图2为本发明的倾斜掏土孔从地平面水平剖面示意图。
[0026]图3为本发明的倾斜掏土施工各技术参数示意图。
[0027]图4为本发明的不同掏土孔开挖顺序示意图。
[0028]图中:I一井筒；2—倒锥形基础；3 —井塔;4一土体;5 —倾斜掏土孔;D—掏土孔直径;K 一掏土孔排宽度;L 一掏土孔口距离井筒中心线距离;H—垂直深度;Θ—倾角。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的说明:
[0030]如附图1所示，本发明的治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，通过在土体4中进行倾斜掏土孔5的施工，减小土体4对井筒I及倒锥形基础2的侧向土压力，促使井筒I向倾斜掏土孔5方向移动;井塔3与井筒I通过倒锥形基础2刚性连接，井筒I的移动即可带动井塔3的回纠;具体步骤如下:
[0031]I)根据观测的井塔3偏斜方向及偏斜量、井筒I周围土层4的地质条件以及井塔3与井筒I之间通过倒锥台基础2刚性相连的结构特点(情况)，设计倾斜掏土方案，在井塔3发生偏斜相对一侧的土体4中布设一排倾斜掏土孔5，并设计倾斜掏土孔5的掏土方案，确定斜孔5的掏土技术参数以及目标纠倾量值;所述斜孔5的掏土技术参数包括:掏土孔排宽度K、掏土孔直径D、掏土孔排距离井筒中心线距离L、掏土孔垂直深度H和钻孔倾角Θ;所述目标纠倾量为设定完全纠正井塔3或只是逆止井塔3继续偏斜发展。所述倾斜掏土孔5的掏土孔直径D为200?300mm。
[0032]所述施工倾斜掏土孔5时，可考虑从小到大进行扩孔；同时掏土孔5最大孔间距不应大于3倍倾斜掏土孔的孔径，且实际施工应尽量减小孔间距以使相对独立的各单孔相连成排，使得掏土孔区域接近为开长槽掏土。
[0033]2)根据井塔3、倒锥形基础2、井筒I刚性连接结构受力特点、偏斜特点，对井塔和井筒建立实时监测系统，在井塔3的底层和顶层分别安装测斜传感器，并在井筒I掏土深度范围内安装测斜传感器和应变传感器，对井塔3和井筒I偏斜以及井筒I的受力安全进行实时监测，施工时，辅以光学测量的方法，利用全站仪进行井塔3塔顶偏斜位移和井塔基础四周不均匀沉降观测，与井塔3和井筒I内安装的传感器测试结果相结合指导纠偏施工;所述井筒I掏土深度范围内安装的测斜传感器层间距为13?16m，应变传感器层间距为8?12m。
[0034]3)按照设计的倾斜掏土孔5掏土方案，在传感器信息实时监测的数据指导下，采用螺旋钻机在井塔3发生偏斜相对侧的土体4中施工倾斜掏土孔5，以减小土体4对井筒I及倒锥台基础2的侧向压力，促使偏斜的井筒I向倾斜掏土孔5侧移动；由于井塔3与井筒I是通过倒锥台基础2刚性相连，井筒I向倾斜掏土孔5方向移动时即带动井塔3的回倾位移，进而实现井塔纠偏目标;所述的倾斜掏土孔5施工顺序有三种方式，一种是从布设的孔排中间的一个倾斜掏土孔5①号开始施工，之后在第一个倾斜掏土孔5左右两边交替进行施工⑵、③号，之后按图2中所示的倾斜掏土孔5编号交替依次进行，即④、⑤号，⑥、⑦号，……，直至达到掏土孔排宽度K的位置;如图4中所示的掏土孔开挖顺序方式一。对于发生双向偏斜井塔(在正交的X和y两个方向上均发生了偏斜)则可采用图4中的掏土孔开挖顺序方式二或方式三。即:第二种方式:从设计孔排中间的一个倾斜掏土孔5开始施工，然后由中间向外往一侧施工倾斜掏土孔5，直至到该单侧掏土孔排宽度K位置停止，再由中间向外往另一侧施工倾斜掏土孔5，直至到该单侧掏土孔排宽度K位置也停止;第三种方式:从掏土孔排宽度K的一端开始施工倾斜掏土孔5直至掏土孔排宽度K另一端为止。所述倾斜掏土孔5的孔口距离井筒3的中心线距离L应不大于10m，以便于现场施工为准;倾斜掏土孔5的孔底与井筒I的外壁之间的距离应控制在0.5?Im之间，以确保井筒I结构安全;掏土孔直径在200?300mm之间，实际施工时可从小到大进行扩孔;掏土孔排宽度不应大于掏土侧井塔结构平面宽度;掏土孔最大孔间距不应大于3倍孔直径，且实际施工应尽量减小孔间距使孔排接近至成槽状;所述倾斜掏土孔5的垂直深度H不宜超过30m;所述倾斜掏土孔5的钻孔倾角Θ不宜超过10°，其选定应综合施工便利性和机械设备性能等因素确定。
[0035]依据不同掏土技术参数对纠偏效果的影响程度不同，倾斜掏土孔5的技术参数调整为图3中的主控因子掏土孔排宽度K，其次可通过掏土孔直径D、掏土孔口距离井筒中心线距离L、掏土孔垂直深度H和孔倾角Θ进行。其中增加掏土孔排宽度K、掏土孔直径D、掏土孔垂直深度H和孔倾角Θ可使井塔回倾量值增大;增加掏土孔口距离井筒中心线距离L则使得井塔回倾量值减小。
[0036]4)达到纠倾目标且90天后，倾斜变形不再发展，对倾斜掏土孔5用粗砂进行回填，平整施工场地地面，结束纠偏工作。
【主权项】
1.一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)根据观测的井塔(3)偏斜方向及偏斜量、井筒(I)周围土层(4)的地质条件以及井塔(3)与井筒(I)之间通过倒锥台基础(2)刚性相连的结构特点，在井塔(3)发生偏斜相对一侧的土体(4)中布设一排倾斜掏土孔(5)，并设计倾斜掏土孔(5)的掏土方案，确定斜孔(5)的掏土技术参数以及目标纠倾量值； 2)在井塔(3)的底层和顶层分别安装测斜传感器，并在井筒(I)掏土深度范围内安装测斜传感器和应变传感器，对井塔(3)和井筒(I)偏斜以及井筒(I)的受力安全进行实时监测，施工时，辅以光学测量的方法，利用全站仪进行井塔(3)塔顶偏斜位移和井塔基础四周不均匀沉降观测，与井塔(3)和井筒(I)内安装的传感器测试结果相结合指导纠偏施工； 3)按照设计的倾斜掏土孔(5)掏土方案，并在传感器信息实时监测的数据指导下，采用螺旋钻机在井塔(3)发生偏斜相对侧的土体(4)中施工倾斜掏土孔(5)，以减小土体(4)对井筒(I)及倒锥台基础(2)的侧向压力，促使偏斜的井筒(I)向倾斜掏土孔(5)侧移动；由于井塔(3)与井筒(I)是通过倒锥台基础(2)刚性相连，井筒(I)向倾斜掏土孔(5)方向移动时即带动井塔(3)的回倾位移，进而实现井塔纠偏目标； 4)达到纠倾目标且90天后，倾斜变形不再发展，对倾斜掏土孔(5)用粗砂进行回填，平整施工场地地面，结束纠偏工作。2.根据权利要求1所述的一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，其特征在于:所述斜孔(5)的掏土技术参数包括:掏土孔排宽度K、掏土孔直径D、掏土孔排距离井筒中心线距离L、掏土孔垂直深度H和钻孔倾角Θ。3.根据权利要求1所述的一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，其特征在于:所述施工倾斜掏土孔(5)时，可考虑从小到大进行扩孔；同时掏土孔(5)最大孔间距不应大于3倍倾斜掏土孔的孔径，且实际施工应尽量减小孔间距以使相对独立的各单孔相连成排，使得掏土孔区域接近为开长槽掏土。4.根据权利要求1所述的一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，其特征在于:所述目标纠倾量为设定完全纠正井塔(3)或只是逆止井塔(3)继续偏斜发展。5.根据权利要求1或2所述的一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，其特征在于:所述的倾斜掏土孔(5)施工顺序有三种方式，一种是从布设的孔排中间的一个倾斜掏土孔(5)开始施工，之后在第一个倾斜掏土孔(5)左右两边交替进行施工，直至达到掏土孔排宽度K的位置;第二种是从设计孔排中间的一个倾斜掏土孔(5)开始施工，然后由中间向外往一侧施工倾斜掏土孔(5)，直至到该单侧掏土孔排宽度K位置停止，再由中间向外往另一侧施工倾斜掏土孔(5)，直至到该单侧掏土孔排宽度K位置也停止;第三种是从掏土孔排宽度K的一端开始施工倾斜掏土孔(5)直至掏土孔排宽度K另一端为止。6.根据权利要求2所述的一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，其特征在于:所述倾斜掏土孔(5)的孔径D为200?300mm。7.根据权利要求1或2所述的一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，其特征在于:所述倾斜掏土孔(5)的孔口距离井筒(3)的中心线距离L应不大于1m;倾斜掏土孔(5)的孔底与井筒(I)的外壁之间的距离应控制在0.5?Im之间，以确保井筒(I)结构安全。8.根据权利要求2所述的一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，其特征在于:所述倾斜掏土孔(5)的垂直深度H不宜超过30m。9.根据权利要求2所述的一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，其特征在于:所述倾斜掏土孔(5)的钻孔倾角Θ不宜超过10°。10.根据权利要求1或2所述的一种治理煤矿生根井塔偏斜的斜孔掏土纠倾方法，其特征在于:所述井筒(I)掏土深度范围内安装的测斜传感器层间距为13?16m，应变传感器层间距为8?12m。
【文档编号】E04G23/02GK106049973SQ201610609147
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】况联飞, 周国庆, 王建州, 朱坤朋, 商翔宇, 赵光思, 梁恒昌, 赵晓东
【申请人】中国矿业大学