立井井壁竖向附加力的反演统计分析

2014-04-02刘金龙陈陆望王吉利

中国矿业 2014年5期

刘金龙，陈陆望，王吉利

(1.合肥学院建筑工程系, 安徽合肥 230022; 2.合肥工业大学资源与环境工程学院, 安徽合肥 230009;3.中国科学院武汉岩土力学研究所, 湖北武汉 430071)

立井井筒工程是煤矿生产的咽喉工程，是联系矿山地面与地下的核心通道，具有单位造价高、施工周期长、施工条件复杂的特征，其在煤矿生产中具有举足轻重的作用。立井井筒的工程量虽然一般只占全矿井工程量的3.5%～5.0%，但建设费用有时占全矿井建设总费用的20%～30%。特别是随着资源不断向深部和复杂地层的开采，新建矿井穿过的表土层厚度、冻结深度和井筒直径不断增大，立井工程的安全越来越受到关注。

近20 年来，淮北、大屯、徐州、兖州等矿区大量立井井壁相继破裂，轻者停工停产，重者透水淹井，给煤矿生产及煤炭工业建设造成了很大的影响[1-2]。如兖州矿业集团公司鲍店煤矿就因主、副井井壁破裂造成了6000余万元的经济损失。井壁破坏位置一般集中在表土与基岩交界面附近，破裂时井筒内壁混凝土片状剥落，纵筋向内弯曲，混凝土横向裂缝呈水平状交圈，破裂处有淋水、漏水甚至涌砂等现象，严重时罐梁向上弯曲，使罐道、排水管、压风管等发生纵向弯曲，造成卡罐事故，严重威胁矿井的安全和生产[3-4]。

为了规范立井工程的设计，2007年国家相关部门发布了立井工程的设计规范[5]。该规范考虑冲积层段井壁所受的竖向荷载包括：井壁自重、竖向附加力、作用于井壁上的井塔重量、井壁上的装备重量。已有研究表明[6-10]，水位下降引起的地表下沉对井筒产生的竖向附加力(负摩擦力)是导致井壁破坏的主要原因。一般地，竖向附加力通过井壁单位外表面积竖向附加力乘以井壁外表面积得到。至于井壁单位外表面积竖向附加力如何确定，规范尚未给出明确数值大小，仅注明了可根据具体条件按试验数据或经验选取。

为此，本文在分析已破裂立井基本特征的基础上，基于大量已破裂立井的具体参数反演求出井壁单位外表面积竖向附加力，并得到了该附加力的统计值，为新井井壁的设计提供参数依据。

1 井筒破裂机理与荷载计算方法

井筒的破裂是由于其承受的竖向荷载超过其材料的承载能力所致。井筒所受的竖向荷载中，一方面包括重力，即井壁自重、作用于井壁上的井塔重量、井壁上的装备重量等，另一方面包括竖向附加力，即井壁与周围土体之间、方向与自重一致的负摩擦力。中国矿业大学等单位[1]通过大量模拟试验表明：特殊地层含水层疏水，水位下降引起含水土层的有效应力增大，使土体产生固结压缩，引起上覆表土下沉，由于井壁与周围土体之间存在摩擦作用，土体在下沉过程中必然施加于井壁外表面一竖直向下的附加力，随着水位的下降该附加力不断增加，当该附加力增加到一定值时，即钢筋混凝土井壁不能承受巨大的竖直附加力与自重之和时发生破坏。

井筒的破裂形态可以从井壁钢筋的受力情况得到验证。大屯矿区龙东矿东风井井筒处松散层厚195.6m，在井深194.8m处的井壁钢筋应力实测值见图1[1]。可见，井壁的环向钢筋应力变化率很小，表明外部径向挤压力是持续稳定的；而竖向钢筋则以51.6～57.0MPa/a的平均增长率逐年快速递增，井筒的破裂缘于井壁竖向应力的增大。

图1 龙东煤矿东风井实测井壁钢筋应力变化

现行规范[5]按下式计算冲积层段井壁的竖向荷载标准值，见式(1)、式(2)。

Qz,k=Qz1,k+Qf,k+Q1,k+Q2,k

(1)

Qf,k=Pf,k×Fw

(2)

式中：Qz,k为井壁所受的竖向荷载标准值(MN)；Qz1,k为计算截面以上井壁自重标准值(MN)；Qf,k为计算截面以上井壁所受附加力标准值之和(MN)；Pf,k为计算截面以上井壁单位外表面积竖向附加力标准值 (MN/m2)；Fw为计算截面以上井壁外表面积(m2)；Q1,k为直接支承在井筒上的井塔重量标准值(MN)；Q2,k为计算截面以上井筒装备重量标准值(MN)。

可见，要确定竖向附加力Qf,k，必须知道井壁单位外表面积竖向附加力标准值Pf,k。而关于井壁单位外表面积竖向附加力Pf,k如何确定，规范尚未给出明确地方法，仅注明了可根据具体条件按试验数据或经验选取。本文将根据反演统计方法来确定Pf,k值。

井壁纵向承载力的计算公式见式(3)[5]。

Qz,k≤fc·A0+fyAz

(3)

式中：Az为竖向钢筋横截面积(m2)，一般情况下井筒全截面配筋率不应小于0.4%；A0为计算截面井壁横截面积(m2)；fc为混凝土轴心抗压强度设计值(MN/m2)；fy为普通钢筋抗拉(压)强度设计值 (MN/m2)。

显然，当井壁所受的竖向荷载标准值Qz,k过大且超过井壁纵向承载力(fc·A0+fyAz)时，即式(3)所示的平衡条件被打破时，井筒将产生破裂。

由于影响因素众多，若基于式(1)～(3)来判断既有立井是否破裂、何时破裂、破裂点位置等具体信息是非常困难的。但基于已破裂立井案例，其破裂时的相关信息已获取，通过具体参数反演推算某个参量的特征是可行的。

2 基于破裂立井的反演分析

自1987年以来，淮北、大屯、徐州、永夏和兖州等矿区已有40余个立井井筒相继发生了井壁破裂灾害，造成了巨大的经济损失，严重地威胁着矿井的安全与生产。表1列出了部分煤矿立井井筒破裂情况。现根据这些已破裂井筒的相关参数反演分析竖向附加力，为此做如下假设。

1)从立井井口至破裂位置范围内，井壁单位外表面积竖向附加力标准值Pf,k视为恒定值，不随深度及地质条件的变化而变化。

2)井筒内、外壁间无相对滑动，即认为内、外层井壁共同承担负摩擦力引起的竖向附加力。

3)由于井塔基础一般不坐落在井壁上(否则加剧井壁的破裂)，故不妨取Q1,k=0。至于破裂深度处井筒装备重量Q2,k，由于缺乏资料，不妨把该值取为立井重力的0.2倍，即Q2,k=0.2Qz1,k。

4)井壁中配筋率均按最低配筋率考虑取4‰, Ⅱ级钢筋抗压强度fy=360MPa。

钢筋混凝土井壁的重度取25kN/m3, 因此破裂深度处的井壁自重荷载标准值Qz1,k可以求出。鉴于所选立井均已破裂，故各类荷载可采用标准值而不用设计值。代入各立井井壁的具体数据，便可反演计算得到井壁单位外表面积竖向附加力标准值Pf,k，详见表2。可见，附加力标准值Pf,k取值在22.4～67.5kPa之间，均值为45.66kPa。

表1 部分煤矿立井井筒破裂情况

表2 煤矿立井外表面积竖向附加力Pf,k的反演计算

3 关于井壁竖向附加力的讨论

以前在设计井壁时认为表土段井壁的自重荷载的3/4由井筒周围的土体分担，而在基岩段则基本不考虑自重荷载。实际上，在特殊地层条件下井壁不但要承受自重(含装备重量)，还要承受由于含水层疏排水而产生的竖直附加力。分析表2数据可知以下方面。

1)同一煤矿中不同立井(如主井、副井、风井等)的单位外表面积竖向附加力标准值Pf,k较为接近，而不同煤矿的附加力标准值Pf,k相差较大。如芦岭煤矿的Pf,k值在22～24kPa之间，而海孜煤矿的Pf,k值在51～61kPa之间。

2)童亭煤矿的主井与副井、前岭煤矿北风井、临涣煤矿西风井均为预制钢筋混凝土结构，它们的附加力标准值Pf,k分别为36.0kPa、27.03kPa、20.83kPa、39.63kPa，数值总体上偏小，说明预制混凝土结构与土体的接触不够紧密，土体施加给井壁的竖向附加力较小。

3)16个破裂立井的附加力Pf,k的均值为45.66kPa，若把上述四个预制混凝土立井剔除后，剩下12个破裂立井的附加力Pf,k的均值为51.1kPa。中国矿业大学根据试验提出安徽省宿县矿区祁南矿井副井井筒井壁外缘单位面积的附加力值为50kPa；煤炭总院北京建井所提出其设计标准值，淮北矿区为61.5kPa，大屯、徐州矿区为56.4kPa，其他矿区为62.1kPa[5]。本文所求的附加力Pf,k均值51.1kPa与这些建议值较接近。一般地，由于预制立井的稳定性、安全性、耐久性与现浇混凝土相比有诸多劣势，且其厚度受到限制，已在立井设计中较少使用。故上述分析中把预制混凝土立井剔除后更为合理。

4)孔庄煤矿副井的破裂深度为142～145m，该深度在所列案例中属较浅，但反演得到其单位外表面积竖向附加力标准值Pf,k为67.5kPa，为所列案例中的最大值。可见附加力Pf,k的大小并不取决于立井的深度，而与地质条件有关。

事实上，竖向附加力Pf,k的大小与地层的地质和水文地质条件、地层是否疏水以及疏水的速率、井壁结构等多种因素有关。大量研究表明[1, 11-13]：①竖向附加力与疏排水层的压缩模量成反比，与疏排水层的水压降成正比；竖向附加力是随着含水层线性降压而线性增加的，当停止疏排水后，竖向附加力也很快趋于稳定。②竖向附加力随深度呈非线性的递增关系，越靠近疏排水层与上覆土层的交界面，附加力的值越大，在表土与基岩交界面处达最大值。③竖向附加力与疏排水层的厚度成正变关系，疏排水层越厚，竖向附加力越大。④附加力的大小与土层性质有关。一般而言，在其他条件相同时，砂、黏土质砂、砂质黏土、黏土四种土层的附加力相比，砂的附加力大，黏土质砂的附加力次之，黏土的附加力最小。

可见，影响竖向附加力大小的因素众多，仅依照地质资料要准确确定某一矿井的竖向附加力取值是非常困难的，故相关规范中也未对该值做过多地规定与阐述。

竖向附加力一般按试验数据或经验选取。鉴于试验过程的复杂性、高代价与工况局限性，参照经验选取竖向附加力Pf,k是通用做法。本文依据已破裂立井资料，反演得到了各立井竖向附加力Pf,k的取值。若新建矿井的地质条件与表2中某矿井类似或相近，则其竖向附加力可选取表2中的相应值做参考，这也是本文的价值所在。