国外竖井论文22：盐矿竖井衬砌

发布时间:2024-05-09

国外竖井论文22：盐矿竖井衬砌

托马斯 厄勒斯¹，阿洛伊斯小鹰²，鲁道夫维尔纳³  （1硕士工程师，戴尔曼-哈尼尔有限公司（DH）德国；2博士工程师，CDM咨询股份有限公司 德国；3硕士工程师，CDM咨询股份有限公司 德国）

摘 要：戴尔曼 - 哈尼尔有限公司（DH）在俄罗斯的彼尔姆地区对新增钾盐矿井做了技术经济论证。基于对现有混凝土衬砌在竖井中应用的失败经验，客户管理部门的决定是在马头门附近同样尽可能的从竖井顶部向井底用铸铁井壁做衬砌。

本文介绍的设计理念被考虑用在技术经济论证中，并且指出了用铁板在矿井内作侧壁的一般方法不能被改变的假设情况下所做的替代选择和优化方案。因此用有限单元法去计算并评估不同类型的衬砌系统负荷的发展以及对其发生的位移（井壁混凝土回填，井壁变形回填，仅锚杆锚固无结构性衬砌）。

关键词：盐；有限元单元法计算；蠕变；衬砌；井壁

Shaft liner design in salt

Dipl.-Ing. Thomas Oellers (Deilmann-Haniel GmbH (DH), Germany)

Dr.-Ing. Aloys Kisse; Dipl.-Ing. Rudolf Werneke (CDM Consult GmbH, Germany)

Abstract

Deilmann-Haniel Gmbh (DH) did the TEO (Technical economical justification) for new potash shafts in the Permsky region, Russia. Based on bad experience with the existing concrete linings in the shaft, the decision of the client’s management was to line the shaft as strong as possible from top to shaft bottom with cast iron tubbings in the insets areas as well.

The paper presents the design philosophy which was considered in the TEO and shows alternatives and the optimization under the assumption that the general tubbing approach cannot be changed. Therefore FEM calculations to evaluate the load development as well as displacements on different types of lining systems (tubbing with concrete backfill, tubbing with deformable backfill, no structural lining only rock bolts) were carried out.

Keywords: salt, FEM-calculation, creep, liner, tubbing

1．介绍

 德国的戴尔曼 - 哈尼尔有限公司（DH）3年前就进行了钻孔勘探，包括地球物理，水文和实验室研究以及对俄罗斯的彼尔姆地区新增钾盐矿井进行的技术经济论证。该技术经济论证设计文件必须通过俄罗斯政府的批准（格拉斯哥专长，VGUP）。

本文介绍了井壁设计的难度，该难度是当设计者试图将有关岩石盐矿和钾盐盐矿衬砌（无衬砌或软包衬砌）的现代设计理念引入到项目中的时候，但客户需要一个老式的硬包衬砌（铸铁井壁衬砌）在整个盐矿竖井部分时造成的。这个要求是根据现有的刚性混凝土衬砌在因盐蠕变被破坏的现存混凝土衬砌矿井中的所获得的经验。讨论现有的竖井损坏的原因几乎是不可能的。关于现有矿井衬砌的蠕变行为，收敛发展和衬砌加载的数据是无法获得的。

2．盐矿的衬砌系统

2.1 一般的经验

大部分这些钾盐矿业竖井在世界各地不仅要在上覆岩层部分作衬砌，而且在岩盐地层同样要作衬砌。典型的衬砌是砌石衬砌，混凝土衬砌或井壁衬砌。据观察，因随时间推移而产生的高岩压力会使衬砌损伤甚至破坏，这些竖井中许多都是由此造成的。由于高光卤石岩石具有大蠕变能力，其中对衬砌的应力相比岩石盐矿积聚快得多，所以这种蠕变能力而产生的损害在光卤石地层中尤其突出。图1所示为西班牙，叙利亚第IV竖井的损害图片。

 图1  叙利亚第IV竖井衬砌混凝土毁坏

在过去的几年中，为了防止这种由任一安装柔性衬砌或回填（图2左侧，）或离开盐矿竖井部分完全无衬砌而造成的损伤，井壁设计人员付出了更多的努力（图2右侧）。

图2所示为德国戈尔莱本现代内置第1号竖井，此竖井没有结构支撑，而仅依靠玻纤螺栓锚杆和塑料网支撑来防止石块坠落和混凝土开裂，此井是用加拿大钾盐竖井PU泡沫混凝土回填的。

通过从运行到衬砌损坏的研究，在过去的十几年中，越来越多的客户决定去除岩盐部分竖井的衬砌。一些实例在表格1已经给定

    其他业主决定在下沉期间不在盐岩部分衬砌竖井（图.2和表.2）

表1  除去竖井衬砌的实施案例

表2  无衬砌盐矿竖井的实施案例

图2  在加拿大的钾盐竖井（左侧）使用聚氨酯泡沫回填的“非岩石连接”的混凝土柱与和在戈尔莱本现代化无衬砌镶嵌的矿盐（右侧）

在加拿大目前正在建设中的剪刀溪竖井，客户打算定期用清水清洁整个竖井，并决定用非岩石连接混凝土墙衬砌盐矿竖井，去避免清洁操作的解决方案。为了避免在混凝土间隙的地压力，在混凝土和盐矿之间大约保留50厘米间隙并充满可压缩的聚氨酯泡沫（图2）。另一家加拿大矿业公司，马赛克，计划安装一个轻岩石支撑只有锚杆和网格没有井壁的部分盐矿竖井。

2.2一般衬砌设计解决方案

衬砌系统材料的蠕变行为有三种常用的方法：衬砌作为硬质夹杂物：衬砌是刚性的（混凝土或者井壁衬砌具有高的弹性模量）。衬砌的总位移是在原始直径的千分之一范围。在这种情况下，衬砌压力的升高取决于盐矿的蠕变行为和深度，直到充满静电压力。平衡是建立在外部负载和支持反力之间。这导致一个事实，即盐矿衬砌系统必须是刚性的。

衬砌作为软质夹杂物：具有高变形能力的柔软衬砌（具有挤压包的混凝土块，井壁或在一个可压缩层之后弹性模量低）显示出在原始直径的一个百分比范围内的能够承受住压力而不损坏总位移量。一种平衡建立在外负荷和盐矿变形之间同样也建立在支撑反力和衬砌变形之间。

相比于刚性衬砌这种衬砌系统方式的尺寸是较小的。该衬砌系统很少受到岩石的压力。

无衬砌，地面支持，保护落石：地面支持，典型的机械锚杆和网格，没有对于任何的岩石压力而设计。它没有建立一个真正的支持反力。侧壁能够依靠岩石的蠕变行为而变形。

衬砌主要是保持免维护。对于竖井的寿命是基于变形的计算，开挖的直径将被确定，以确保在直径包括蠕变变形不会下降小于最小直径。该衬砌系统不受到岩石的压力。

假设一根绳索引导衬砌系统的墙壁变形不影响悬挂系统的完整性。假设刚性衬砌横梁和支架都必须按照允许调整的方式设计（如长孔）。

如果只是地面支持，没有衬砌要安装，一些维护，特别是在光卤石的形成，可能是必需的。如果涉及到墙壁和岩石板的比例或者建立在网格和岩石之间的芯片，这些都应该被删除。

衬砌安装延迟：当衬砌安装延迟5年或更多，竖井壁将替代墙壁自由站立的时间。这导致应力的重新分配。衬砌的载荷将减小。为了将这一理念引入竖井设计，有限元方法计算岩石力学的时间和成本消耗是必要的。作为插入区域复杂几何形状的结果，这些计算必须由3维模型来完成。

3．地质情况

为了评估地质层的一般特性，通过两个钻孔深度方法进行现场调查。除了地质数据，重点是还收集了有关水文地质参数的信息。钻孔钻深度为432和531 m地铁。用于实验室测试的原状土和岩石样本已获得（图3）。

该钻探显示以下地层：季层达到约4.0米地面以下。地下约为60米时遇到着色层岩石，随后碳酸岩在地下约为105米，成盐泥灰岩层具有类似的厚度。这是钻20米岩盐层后（岩盐，光卤石和钾盐）。

图3  钻孔勘探

为了评价固定蠕变速率，需进行三轴压缩蠕变试验。为了确定蠕变速率对应力依赖性，共进行了具有不同的偏应力试验。这些测试依据有限元计算去评价载荷发展以及对不同类型的衬砌系统的位移。

图4示出，大约在实验半个月之后，可以观察到变形线性递增，根据不同的时间增量，从而推导出蠕变速率。这可以立即观察到装载之后轴向压缩线性增加，瞬态蠕变阶段将变成固定蠕变阶段。既，瞬态和静止蠕变速率，取决于应力水平，温度，和该盐岩相。为了确定蠕变速率对应力依赖性，共进行了具有不同偏应力的蠕变试验。

图4  岩盐蠕变试验结果

4．衬砌载荷和位移的评价

目前设计的乌斯爪哇的竖井衬砌系统我们遵循已经提到的刚性衬砌系统的方式。该井壁衬砌的设计为依赖于深度而具有的静电压力。在上面和下面的地区，静电压力的150％（根据剪断14-94-80）不得不加以考虑。设计的最终的结果是一个高强度为130毫米的井壁厚管（质量EN- GJS-600-3）。如果采用一个硬质夹杂物的原理，该厚度在铸造厂是铸造的技术极限。

为了使设计更加可行，井壁衬砌通过使用轻质混凝土的回填构建一些变形，并考虑到根据引起蠕变衬砌的压力发展的时间。

对于进行有限元计算衬砌蠕变效应的测定。诺顿功法被用来模拟蠕变行为

 其中η和n是材料性质。根据实验室测试结果和从文献中用有限元计算蠕变速率的值：

矿盐  1.0E-05[1/d]（η=1.0E-10）

光卤石 2.95E-04[1/d]（η=9.0E-09）

图5示出了用于评估的有限元网格。静电压力荷载形成的网格（表3）。该模型有8米，宽而明亮。轴的内半径为4米。

图5  系统和边界

表3  深度和静电载荷

图6示出无衬砌竖井岩盐的径向位移作为蠕变行为的结果。在本文中没有提出光卤石的计算结果。

图6 无衬砌竖井岩盐的径向位移

超过了预期寿命具有66年的竖井最大位移大约为45厘米。这是一个可以由竖井维护来进行处理的幅度和用网格和锚杆进行一个轻支撑，这将是在西欧钾盐矿井行业以及核心商务的解决办法。在收缩到这一点，一些客户更喜欢一个重支撑。图7示出了如果竖井衬有铸铁井壁的径向位移。竖井最深的位置该位移降至9毫米。井壁之间这些低位移能够处理的没有任何问题。

图7  不同深度的岩盐年径向位移单位为m（井壁衬砌）

图8  作用在盐岩井壁衬砌的径向应力

现在加载在井壁的径向应力，取决于不同的蠕变行为。对于预期寿命的竖井负载运行到静电压力的一半约5.8 MPa（图8）。本次评估不考虑打开竖井的底部和井壁安装之间的时间。

如果变形层安装在井壁和岩盐后面（如轻质混凝土）对井壁荷载作用的进一步降低是可能的。在这种情况下，大约从5.8兆帕减少到5兆帕是可能的。如图9所示。对于这种2.5至3.5厘米的柔软层减少压缩是必要的（图10）。

图9  作用于软层井壁内情况下的井壁和盐岩之间的径向应力

图10  井壁和盐岩之间软土层的压缩

如果井壁的弹性模量由于井壁之间安装挤压包而减少，那么外荷载进一步的减少是可能的。图11展示了一个现代在隧道井壁上衬砌挤压包的实例，如果材料强度高就必须伴随有变形大的能力。

图11 隧道井壁衬砌挤压包（德国波鸿Eisenhütte）

5 结论

在俄罗斯彼尔姆区域的一个新钾盐矿竖井，客户把竖井衬砌系统作为硬性要求。对老式井壁不同类型衬砌方法的选择被认为是代替方案。

因此用有限单元法去计算并评估不同类型的衬砌系统负荷的发展以及对其发生的位移（井壁混凝土回填，井壁变形回填，仅锚杆锚固无结构性衬砌）。