司马矿新风井冻结段井壁结构稳定性分析

廖波

（煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原030001）

0 引 言

随着煤炭资源的开发，开采深度逐步增加。在向地下延伸的同时，建井和开采难度也将逐步增大，井筒将有可能穿越含水较大的松散层或基岩层。目前凿井遇水时常采用冻结法或注浆堵水施工，当水量较大且岩层结构不太确定时，难以进行注浆堵水施工，最佳方式是采用冻结法施工[1]。

冻结法是采用人工制冷方式，将井筒附近围岩中的水冻结成冰，冰与围岩胶结起来，在井筒施工前预先形成一个坚硬且密闭的冻土墙，再进行凿井施工的方法；具有隔绝涌水、抵抗地层压力、地层适应性强、施工灵活等优点[2]。目前，立井冻结法施工方案设计时，常参考工程应用经验来确定井筒井壁结构参数，对井壁结构稳定性系统的计算和研究相对较少。

司马矿新回风立井上部拟采用冻结法施工，由于缺乏周边矿井立井冻结法施工参考，施工前需对井壁结构进行稳定性分析。本文运用井壁受力分析，确定冻结段井壁结构参数，再通过ANSYS数值模拟分析，验证井壁结构的稳定性，为立井顺利实施冻结法提供理论分析依据，保证了井筒井壁稳定性。

1 概 况

司马矿位于长治市长治县，隶属潞安集团，规模300万t/a。根据矿井采掘接替和通风要求，2015年矿井拟新建一座回风立井，服务于三采区（3号煤层）和下组煤。新风井场地位于工业场地北侧、司马村西废弃工厂内，场地标高约+938.5 m。

根据井筒检查钻孔资料，本区土层覆盖层主要由粉质粘土、粉土、粘土、砂层等组成，厚度达124.74 m；弱风化基岩厚27.65 m，裂隙发育；总风化及不稳定基岩厚度为152.39 m。检查钻孔共揭露5层含水层，预计涌水量合计65.02 m3/h，见表1。

表1 井筒含水层涌水量Table 1 Aquifer inflowof wellbore

根据矿井开拓部署及后期风量分配计算，后期新回风立井的总回风量为230 m3/s。根据规程要求设有梯子间的井筒风速不得超过8 m/s，设计确定立井净直径为6.50 m，净断面33.18 m2，最大允许风量为265.44 m3/s，满足通风要求。

设计立井井口标高+938.5 m，井筒落底于3号煤层顶板岩层中，标高+640.5 m，垂深298 m。井筒内装备梯子间，担负矿井三采区（3号煤层）和下组煤的回风任务。

考虑立井将穿越较厚的不稳定地层和涌水较大的多层含水层，设计井筒上部采用冻结法施工，深度为210.0 m，冻结段采用双层钢筋混凝土支护。

2 冻结段井壁结构参数

新回风立井冻结段采用双层井壁，内、外井壁分两次浇筑，施工时先浇筑外井壁，再浇筑内井壁。由于内、外井壁承受的地压荷载不同，因此应根据井壁冻结受力分析，分别计算外、内井壁结构参数。

2.1 外井壁应力分析

外井壁受力包含永久荷载与施工荷载，永久荷载主要为地压、井壁自重，而施工荷载主要为冻结温度应力，因此外井壁计算时应考虑冻结冷热引起的体积膨胀而产生的冻结压力[3]。当外井壁混凝土出现环向应力状态时，其应力按下式计算：

式中：σθ外、σr为外井壁外缘的环向和径向应力，MPa；σθ内为外井壁内缘的环向应力，MPa；P为冻结压力，MPa；a、b为外井壁的内、外直径，mm。

2.2 内井壁应力分析

冻结法采用双层井壁时，主要的地压和冻结应力均在外井壁上，内井壁的受力相对较小且简单。内井壁应力主要为静水压力，内井壁在考虑强度的同时，还需考虑其防水性。受力分析时，内井壁内缘为水平上的侧应力和竖向的轴应力，为双向受压[3]。重点关注外缘受力，内井壁外缘为三向受压，其应力按下式计算：

式中：σθ外、σr外、σz外为内井壁外缘的环向、径向和竖向应力，MPa；γ为水容重；H为计算位置深，m；v为混凝土泊松比；a、b为内井壁的内、外直径，mm。

2.3 井壁结构参数

根据新回风立井外、内井壁受力分析，结合矿井现场实际情况，计算得出冻结段井壁厚度为900 mm，其中外、内井壁厚为500 mm和400 mm。井壁采用C40混凝土浇筑，施工时外井壁混凝土中添加防冻剂，内井壁混凝土中添加防水剂。

根据井壁强度验算和配筋率要求，在外井壁的外侧设外环筋和外竖筋，在内井壁的内侧设内环筋和内竖筋，钢筋均采用直径20 mm、间距300 mm，保护层厚度为60 mm。施工时内、外井壁之间设置聚乙烯塑料板[4]，双层，厚度2 mm×1.5 mm，其中外层用圆钉固定在外井壁上，内层用胶结法与外层塑料板联系。井筒冻结段断面如图1所示。

图1 冻结段井筒断面示意Fig.1 Section of frozen shaft

3 数值模拟分析

为验证新风井冻结段井壁结构稳定性能否满足井筒强度要求，进行ANSYS数值模拟分析。

3.1 模型单元参数

建模时模型有混凝土和钢筋，在ANSYS中，混凝土有多种材料可以代替，综合考虑本工程情况，确定采取65号单元模型，用8节点的非线性三维实体代替混凝土单元（材料力学参数见表2），用三维杆Link8代替钢筋单元，采用Willam-Wamke5破坏准则。

表2 混凝土材料基本力学参数Table 2 Basic mechanical parameters of concrete materials

3.2 模型基本假设

对冻结段井壁强度进行数值模拟分析时，为确保模拟结果的可靠性，建模时应进行必要的假设[5]。

（1）假设混凝土和钢筋之间的粘结性良好，不存在相对滑移现象，两者单元之间通过节点合并来协调变形位移。

（2）假设井筒井壁结构受到的应力在同一水平是均匀分布的，不考虑集中应力。

（3）假设钢筋的重力为0，相较于混凝土而言，钢筋的重力可以忽略不计。

（4）假设井壁结构始终能够传递剪力，当井壁内部开裂时，裂缝之间仍能相互咬合，且不考虑加载中的应力松弛。

3.3 模拟结果与分析

根据井筒结构参数、模型单元参数（井壁外应力取冻结最深位置应力）创建模型，运行计算并处理，得出井筒外井壁应力云图（图2），内井壁应力云图（图3）。

从图2得知，井筒外井壁应力最大值为29.7 MPa，位于外井壁的内缘。采用C40混凝土，抗压强度为40 MPa，理论上井筒外井壁承载力满足要求。在实际施工时，冻结段的应力增加较快，应考虑混凝土的养护时间强度。根据混凝土强度和养护时间规定[6]，初期强度约为最终强度的80%，即初期强度为32 MPa，大于模拟结果29.7 MPa，证明了井筒外井壁结构的可靠性。

图2 井筒外井壁应力云图Fig.2 Outside-wellbore stress nephogram

从图3得知，井筒内井壁应力最大值为23.1 MPa，位于内井壁的内缘。该值小于井筒外井壁应力最大值，仍采用C40混凝土，其混凝土强度完全满足井筒内井壁承载力要求。

图3 井筒内井壁应力云图Fig.3 Borehole wall stress nephogram in wellbore

4 工程应用

最终司马矿新回风立井按照设计结构参数进行冻结法施工，于2018年施工完毕并竣工验收。至今已运行两年，井筒冻结段稳定性一直良好，未发现开裂、变形、漏水现象，再次证实了井筒冻结段外井壁和内井壁结构参数的合理性。新回风立井冻结段井壁结构稳定性分析可作为井筒施工图的补充，为立井顺利实施冻结法提供理论分析依据。该分析可为其他类似条件矿井井筒实施双层井壁冻结法施工提供技术参考，具有一定的工程应用价值。