卸压槽法在修复煤矿破损井壁中的应用

吴 洋

(淮北矿业股份有限公司临涣煤矿,安徽 淮北 235000)

0 引言

在矿山生产过程中,井壁破裂事故时有发生。据统计,自1987年以来,淮北、大屯、徐州、兖州等地100多口井发生井壁破裂[1-2],严重影响煤矿安全生产。大面积井筒破裂现象是国内外的重大地质灾害。研究发现,井筒破断位置基本在基岩与表土界面附近。该位置钢筋外露弯曲,甚至颈缩折断,附近的管道和设备变形甚至损坏。

由于目前设计的钢筋混凝土竖井壁结构刚度较高,竖井壁不能与地层固结沉降同步下沉,两者之间存在较大的相对位移或相对位移趋势[3]。一个相当大的附加垂直力出现在井壁上,随着地层疏水性的增加而增加。当竖井壁产生的竖向附加应力达到混凝土的强度极限时,随着疏水的继续增加,竖井壁必然会发生断裂。国内相关学者系统研究井筒压裂机理及修复方法后[3-5],提出泄压槽法修复压裂井筒的技术。针对上述井筒损伤机理,采用“纵横抗阻”的原则,有针对性地修复裂缝井筒。

该方法虽然在一定程度上解决了井壁破断问题,但通过安全槽释放井筒附加力是一个长期的过程,很难用现场实测数据来充分解释这一问题;即对于利用卸压槽法修复破损井壁的机制尚未被揭示,有待进一步研究。因此,基于临涣煤矿东风井修复实例,根据实际地层参数计算分析井筒与地层相互作用,获得等效含水层收缩量;在此基础上,利用FLAC3D有限差分软件建立模型分析了不设卸压槽疏水及在-237 m设卸压槽疏水的2种工况条件下的井壁受力及位移情况,对卸压槽法修复破损井壁的机制进行揭示。

1 井筒与地层相互作用计算

1.1 计算模型

根据临涣煤矿东进风井地质资料,并对地层进行了相应地简化处理,建立如图1所示的相互作用计算模型。由图1可知,计算范围从井口到壁座位置(埋深-324～-312 m)。根据岩层岩性、层厚等因素对表土剖面和基岩地层进行组合简化,分为10个主要层位进行井壁受力分析。

图1 井筒与地层相互作用计算模型

井筒与地层接触面的特点[6]：竖向摩阻力的大小取决于井筒所处地层的有效应力;能够传递径向压力和竖向摩阻力;不互相渗透;不传递径向拉力。

按照桩土共同作用,井筒与地层接触作用的竖向摩阻力可定义为

qi=k×tanφ×σ×ξ

(1)

式中,qi为第i层土负摩阻力标准值;φ为土有效内摩擦角;ξ为负摩阻系数;k为土侧压系数;σ为第i层土的平均竖向有效应力。ξ与土壤的类型和状态有关。对于粗粒土,该值随土壤应力和密实度的增加而增加;对于细粒土,其随土壤可塑性指数、孔隙比和饱和度的增加而降低。

含水层中人工失水的主要原因有2个:人工抽水和工程活动造成的含水层排水。这2种情况都会导致土壤压缩,因为含水层中的地下水位降低,土壤孔隙水压力降低,颗粒间应力即有效应力增加。

假设地表下某一深度z处的孔隙水压为uw,有效应力为σ,地层总压力为p。根据Terzaghi的有效应力原理可得

p=σ+uw

(2)

水位的降低对应于孔隙水压的降低。在此,假设土层总应力保持不变,则有

p=(σ+Δuw)+(uw-Δuw)

(3)

式(3)表明孔隙水压力减小对应有效应力增大。有效应力的增加可归因于2个因素:①地下水位的下降降低了含水层中土壤颗粒之间的浮力;②由于水头压力的变化,土层产生水力梯度,产生渗透压。

1.2 计算参数

根据临涣煤矿东部进风井损伤段的特点和形成条件,根据工程类比确定的相关地层参数[7],见表1。

表1 岩土层常规力学参数

1.3 计算结果

根据土力学原理可知,作用在含水层土骨架上的有效应力取决于孔隙水压力。当含水层失水时,土壤的有效应力增加,压缩性增加;土骨架上的有效应力σ′、总应力σ与孔隙水压力u(u≈0.01Hw)之间的关系为

σ′=σ-u=σ-0.01Hw

(4)

式中,Hw为水头变化量,即疏水性结果可等价于附加应力下含水层土模型的压缩量。

表土剖面中岩层的平均重度取为25 kN/m3。按照工程类比[7]及表2所列土的压缩性试验结果可得,临涣煤矿东提升风井第四含水层疏浚时,水头下降约110 m,对应的附加应力分别为1.1 MPa,由此可等效计算含水层压缩量为337.3 mm,以此模拟疏水固结。

表2 土的压缩性试验结果

2 卸压槽作用机理数值分析

数值分析采用有限差分软件FLAC3D,该软件被广泛应用于岩土、采矿等工程领域,特别在井巷工程方面具有极好的应用效果[8]。

2.1 本构模型

数值计算采用应变软化模型。在该模型中,胡克定律以主应力和应变增量的形式表示为

(5)

(6)

剪切屈服函数表示式为

(7)

拉伸屈服方程表达式为

Fty=σ1-σ3

(8)

总应变增量通常可以分解为2部分:塑性部分和弹性部分。其中,塑性部分的流动法则如下

(9)

式中,i=1,3;λ为塑性系数。

g为势函数;gs为其剪切分量,其非关联式为

gs=σ1-σ3Nψ

(10)

g的拉伸分量为gt,其流动法则为

gt=-σ3

(11)

剪破坏的塑性应变增量为

(12)

带入式(12)至式(5),得剪破坏的应力修正方程

(13)

式中,N和I为修正后和修正前的状态。据此,同样可得拉破坏应力的修正方程[8]

(14)

2.2 数值计算模型

考虑到井筒和地层在空间上是轴对称的,建立如图2所示的1/4数值计算模型。该模型计算范围取为整个井筒(从井口至壁座),地层模型长宽的计算范围大于井筒荒径的10倍,即50 m。

2.3 参数设置

卸压槽参数设置:根据安徽理工大学地下工程结构研究所多年来对竖井伸缩缝力学性能的研究,采用等效弹性模量法模拟竖井壁伸缩缝,垂直荷载-位移关系如图3所示。

岩层参数设置:采用FLAC3D有效差分软件进行数值计算,采用峰后软化模型来表征岩土材料的塑性性能;为反映井壁的应力集中分布,井壁采用理想的弹性本构关系,破坏准则遵循混凝土规范中的M-C准则,该准则基于粘聚力、内摩擦角等参数。外层井壁与土壤之间设有接触。根据各岩土层物理力学试验结果,得到的各岩层主要参数见表3。

表3 计算参数

2.4 模拟计算过程

模拟计算按2种方案进行,分别为不设卸压槽疏水及在-237 m设卸压槽疏水,计算过程如图4所示。卸压槽高度设置为400 mm。

图4 计算流程

3 计算结果及分析

通过对模拟计算结果进行提取,井壁等效应力和竖向应力分布分别如图5和图6所示,而井壁和岩土层沉降分布如图7所示。

图5 模型竖向应力分布(1/4模型)

图6 模型有效应力计算结果(1/4模型)

图7 模型沉降分布(1/4模型)

在没有卸压槽的情况下,竖向应力局部集中在井壁上如图5(a)所示,说明井壁在该位置具有较大的断裂风险。在-227 m处设置卸压槽后,竖向应力变为渐进连续分布如图5(b)所示,整体承载能力提升。

在没有卸压槽的情况下,四含疏水沉降层位所对应井壁的最大等效应力达到35.2 MPa,最大应力位于表土与基岩断面的界面处。代入混凝土破坏准则可知,该位置的内壁受力状态已超过混凝土强度的多轴破坏强度,因此井壁将发生压裂。在-227 m处设置卸压槽后,疏水沉降层井筒最大等效应力降低至27.2 MPa;卸压槽对疏水沉降层中的井壁有显著的卸荷作用,改善三隔下部井壁应力的集中现象。

在预测四含疏水沉降层位压缩为337.3 mm的条件下,不设卸压槽,排水后距井筒20 m处的最大地表沉降为345.8 mm;距井筒20 m处的最大地表沉降为352.7 mm。结合井壁与地层的相互作用机理可以看出,未安装卸压槽时,井筒刚度限制了疏水层上方岩土层的沉降,井筒应力大;卸压槽安装后,井筒本身可垂直收缩,与岩土层共同作用的整体沉降量增加。

由于壁座的存在,数值计算假定竖井内外壁之间不存在相互滑移,不考虑岩土应力的历史影响,计算出的沉降和井筒应力可能略大于实际工况,但其分布规律仍有参考价值。

根据上述数值计算结果可知,临涣煤矿东进风井在设置卸压槽时,需要考虑以下几个方面的问题。

工程实践表明,淮北矿区排水沉降破坏井壁时,地表沉降一般在300～400 mm的范围内。数值计算结果表明:当地表沉降为345.8 mm且无卸压槽时,井壁符合多轴压缩破坏准则;设置卸压槽后,与未设置卸压槽相比,井筒收缩,地表沉降增加6.9 mm,表层土与基岩接触面最大等效应力减小10.5%。考虑到临涣煤矿后期开采的疏水性和3口有水源井的存在,后期开采时地层沉降仍有可能发展。因此,卸压槽在井壁上的压缩量应大于50 mm。

采用卸压槽井壁进行修复,能够有效释放基岩界面的集中应力[9]。考虑到井壁-225 m处已发生破裂,从工程安全和经济角度考虑,最好将卸压槽设置在-227 m处进行井壁修复,其能使表土与基岩界面的混凝土满足抗压强度的设计要求[10-12]。

4 结论

(1)在-227 m处设置卸压槽后,竖向应力变为渐进连续分布,井筒整体承载能力提升。

(2)卸压槽对疏水沉降层中的井壁有显著的卸荷作用,改善三隔下部井壁应力的集中现象。

(3)卸压槽安装后,井筒本身可垂直收缩,其与岩土层共同作用的整体沉降量增加。