基于极限平衡理论的井壁荷载设计研究

2013-08-21孟立波

山西建筑 2013年6期

孟立波

(山东科技大学土木建筑学院，山东青岛 266590)

0 引言

我国是产煤大国，也是煤炭消费的大国，井筒是矿井最重要的工程构筑物，是矿井生产的咽喉要道，因此保障井筒的正常运行对矿业生产的安全进行意义重大。确定井壁荷载是井壁结构设计的前提和基础，通过实践表明传统井壁荷载方法对井壁荷载确定不够准确，尤其是对西部深厚弱胶结软岩地区缺乏合理的设计依据。

主要表现为:

1)传统荷载设计值偏大，井壁荷载随着井筒深度线性增加并且不适用。现场实测数据表明，传统方法计算值明显大于现场实测值。

2)传统计算方法对巨厚软岩不适用性。实际计算过程中大多采用土层相关计算公式，所求荷载过于保守。

3)传统计算方法难以确定与荷载计算相关的工程地质参数。

因此本文基于波兰井壁荷载设计方法，通过煤矿监测数据对其进行修正，得出了适用于中西部地区弱胶结软岩的井壁荷载设计公式。

1 计算公式

现场实测数据表明，作用在井壁上的荷载并不是随深度不断增长的，当超过一定深度后，井壁荷载基本保持不变。因此，本文将井壁荷载分为三部分:零荷载段、荷载增长段、荷载稳定段，相应的有临界深度和极限深度。在临界深度以上荷载较小，可以忽略不计，为荷载零段;在临界深度以下至极限深度为荷载增长段;极限深度以下为荷载稳定段。

1.1 临界深度的确定(Zkr)

对致密岩层:

对松散地层:

其中，Kk为岩石结构削弱系数，取决于地层厚度h。

其中，Kp为应力集中系数，Kp=Kp1Kp2Kp3，Kp1为应力集中系数，用于非爆破法施工时取2.0，爆破法施工时取3.0;Kp2为应力集中系数，与计算截面距马头门距离有关。当计算截面距离马头门顶板距离小于3D1时取1.5，其他位置取1.0(D1为马头门等效直径);Kp3为应力集中系数，与掘砌支护时间有关，当在井壁围岩开挖后24 h内完成井壁支护时取1.0，72 h内取0.7，按线性差值取用;为岩石单轴抗压强度;为岩土体有效内粘聚力;φ′(n)为岩石有效内摩擦角;为计算截面上覆岩层容重加权平均值;ηγ为当岩土体泊松比 γ≤1/3时 ηγ取1.0，当 γ ＞1/3时，ηγ=(1 － γ)/2γ。

1.2 极限深度的确定(Zgr)

对于松散岩层，无极限深度，即认为井壁荷载处于增长段，无稳定段。

对于致密岩层:

其中，γm为材料相关的安全系数，取 0.7 ～0.9。

1.3 不含水地层井壁荷载计算

零荷载段:

荷载增长段:

荷载稳定段:

若计算截面深度Z＞800 m，采用式(7)计算出的井壁荷载需放大10%。

其中，R(n)rs为岩石抗拉强度;n为荷载系数，n=n1·n2·n3;n1为当地层倾角小于30°时，n1=1.0，当地层倾角大于30°时，n1=1.25;n2为当计算截面距离马头门距离小于3D1时，n2=1.5，否则取n2=1.0(D1为马头门截面等效直径);n3为与井筒直径相关的荷载修正系数，可表示为为井筒等效直径)。

1.4 冻结法施工时外层井壁荷载计算

冻结法凿井外壁掘砌期间，有外层井壁单独承受所需的支撑压力和冻结压力，外层井壁荷载可按照式(8)计算:

其中，rz为井筒荒径;dm为冻结壁厚度为冻土单轴抗压强度。

1.5 含水地层井壁荷载计算

含水地层井壁荷载可看作为由水压产生的荷载与岩土体对井壁荷载之和，即:

井壁荷载p可按1.3节公式计算，但需将内摩擦角、内粘聚力替换成等效内摩擦角和等效内粘聚力。同时需要将岩土体重度替换为等效重度。

水压荷载pw可按照式(10)计算:

其中，nw为水压荷载折减系数，对于冻结法施工外壁承载力计算时取1.0，对完全隔水地层取0.1，对与含水层以上相邻的地层，应视地层隔水情况取0.1～0.2，当隔水效果好时取小值。此外，当地层渗透系数小于井壁的渗透系数时，所取的折减系数不能大于0.2;γw为水重力密度，一般取1×104N/m3;hw为含水层水头高度。