高应力不同侧压条件下井壁合理结构及稳定性

张建武

(大同煤矿集团朔煤王坪煤电公司，山西 怀仁 038301)

随着我国经济的高速发展，国内对煤炭资源的需求量逐年增长，相应的许多大型矿井建设项目已经开始，然而，不同的地质条件对应不同的工程背景。由于地质构造、煤层埋深、岩体特性等方面的原因，井筒经常在水平双向应力大小不同，且应力水平较高的条件中建设，由此带来了井筒稳定性差、施工困难等问题。井筒作为矿井生产运输的咽喉要道，其稳定性直接关系整个矿井的安全生产和效益，为此研究高应力不同侧压条件下井壁的稳定性，寻求合理的井壁结构就显得非常重要。

国内外学者对双侧压力不同情况下井筒应力分布和合理结构都做过许多研究［1－4］，其大都在弹性力学不同侧压圆形孔的结果上，然而，随着现代数学与计算机技术的迅速发展，优化技术得到了发展，部分学者也对不同侧压下井壁的合理结构做了研究。

本文在不同侧压井壁应力分布及合理结构研究的基础上，利用理论分析和数值计算相结合的方法，分析井壁结构的合理受力及结构，以改善井壁结构的受力，充分发挥材料的利用率为目的，给出了井壁结构的加固范围。

1 井壁结构的受力分析

为了分析不同侧压井壁结构的受力，首先依据弹性理论双向不等压结论［5］。双向不等压井筒受力简化图见图1。

图1 双向不等压井筒受力简化图

由分析可知，随着侧压系数的增大，沿井壁应力分布越来越不均匀，当侧压系数达到一定数值时，井壁局部出现受拉区域。

2 井壁结构稳定性的数值计算

在建立数值计算模型之前，首先分析传统等厚度井壁上的应力分布情况，传统等厚度井壁结构在双向不等压应力场中的环向应力云图见图2，从图2可以看出，环向应力分布极不均匀，图2中A点至B点，环向应力越来越大。

图2 传统等厚度井壁上的环向应力云图

本文依据以前学者提出的椭圆形井壁结构，并依据数值计算的建模原则建立数值计算模型进行计算。设计模型尺寸为长40 m，宽40 m，井筒半径4.1 m，模型侧边界距井筒中心约为井筒半径的10倍。模型左边界施加水平位移约束，下边界施加铅垂位移约束，上边界施加15 MPa的均布压力，右边界施加10 MPa的均布压力。优化过程中，井壁内壁为圆形，外壁为椭圆形，上部井壁厚度保持0.6 m，右边井壁厚度从0.6 m开始增大。当应力分布函数的方差最小时，认为此时井壁结构最优。优化分析整体模型图见图3，计算参数见表1。

图3 优化分析整体模型图

表1 模型材料力学参数

图3中，a为井筒半径，b为井壁外椭圆短轴，c为井壁外椭圆长轴，q1为15 MPa，q2为10 MPa。

计算中，设定井筒处于细砂岩中，井壁材料采用C35混凝土。

等厚度井壁结构和内圆外椭圆井壁结构环向应力分布对比见图4。

图4 环向应力分布对比图

从图4可以看出，经过优化后的内壁为圆形，外壁为椭圆形的井壁结构上的环向应力分布较均匀，有利于井筒稳定型的保持。

合理井壁最大壁厚随最大侧压力变化曲线见图5。

图5 合理井壁最大壁厚随最大侧压力变化曲线

由图5可知，随着侧压系数的增大，井壁的最大厚度在增加。

通过研究内壁为圆形，外壁为椭圆形的井壁结构上的受力，可以得知，按照传统等候的圆形井壁结构设置井壁时，应该在布筋上进行调整，以使井壁上的应力分布均匀，依据前面分析结果，建议在侧压力小的方向上布置较密、较大的钢筋。

3 结论

通过利用理论分析及数值计算方法研究高应力下不同侧压力下井筒井壁的应力分布规律、合理结构及合理的井壁结构布筋，主要得出如下结论:

1)当井筒布置于不同侧压环境中时，传统的等厚度的圆形井壁稳定性差，局部甚至会出现拉应力而导致井壁结构失稳。

2)采用外壁为椭圆，内壁为圆的井壁结构可以调整井壁上的应力分布，维护井壁结构的稳定性。

3)采用传统的等厚度井壁结构，如做适当的布筋调整，同样可以维持井壁结构上的应力分布合理，维护井壁结构的稳定。

4)在采用布筋调整井壁应力分布时，应在侧压力小的方向加强布筋。

［1］张国鑫.钢板－钢筋混凝土复合井壁结构在不均匀侧压力作用下的应力［J］.建井技术，1995(5):34－39.

［2］胡学文.井筒在不均匀侧压力作用下的应力［J］.安徽理工大学学报(自然科学版)，1982(2):41－49.

［3］牛少卿，杨双锁，王志刚，等.非均匀水平应力场中井壁结构的优化设计研究［J］.山西大同大学学报(自然科学版)，2010，26(3):60－63.

［4］姚直书，孙文若.不均匀侧压力下冻结井筒混凝土井壁结构试验研究［J］.阜新矿业学院学报(自然科学版)，1995，14(3):30－33.

［5］杨桂通.弹塑性力学引论［M］.北京:清华大学出版社，2003:106－108.