深立井基巖段井壁地壓應(yīng)力研究

徐輝東　楊仁樹(shù)

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

摘要： 揭示深立井及超深立井基巖段井壁地壓應(yīng)力的理論分析方法，為基巖段立井井壁的 優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。首先將立井基巖段井筒及圍巖均按照軸對(duì)稱受力狀況建立力學(xué)模型，依 據(jù)井筒開(kāi)挖前后圍巖受力狀態(tài)的分析，通過(guò)圍巖內(nèi)表面與井筒外壁環(huán)向或徑向應(yīng)變相等原理 ，然后依據(jù)軸對(duì)稱原理、彈性理論、靜不定問(wèn)題的求解方法等理論，求解出基巖段井壁地壓 應(yīng)力的分布規(guī)律。所舉算例得到的結(jié)果較為充分地反應(yīng)了井壁中地壓應(yīng)力在井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 的作用。其結(jié)果對(duì)深立井井壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有極為重要的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：深立井；基巖段井壁；地壓應(yīng)力；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TD265文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A[WT]文章編號(hào)：16721098(2008)02003804

Research on Ground Pressure Stress in Shaft Lining in Bedrock

Section of Deep Vertical Shaft

XU Huidong,YANG Renshu

(College of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Tec hnology(Beijing), Beijing 100083, China) Abstract: Ground pressure stress of shaft lining in bedrock section of deep vert ical shaft and extra deep shaft is revealed by theoretical analysis, which provi des a basis for optimized design of shaft lining in bedrock section. At first me chanical model was established according to axisymmetric force condition in shaf t and surrounding rock in bedrock section of vertical shaft, then the distributi on regularity of ground pressure stress in shaft lining in bedrock section was a nalyzed based on the analysis of force condition in surrounding rock before andafter excavation and by the principle of equal toroidal or radial strains in inn er surface of surrounding rock and in shaft ektexine. With help of axisymmetricprinciple, elastic theory, static indeterminate problem solving method and soon the distribution regularity of ground pressure stress in shaft lining in bedr ock section was obtained. The results of a case study demonstrated the effect ofground pressure stress in shaft lining in shaft lining structure design. The re search results have important guiding effect in optimized design of shaft liningstructure.

Key words:deep vertical shaft；shaft lining in bedrock secti on；ground pressure stress；optimized design

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)煤礦立井基巖段井壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常采用原蘇聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)公式，這些經(jīng)驗(yàn)公式 源于淺部立井，對(duì)淺部立井基巖段井壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有較為準(zhǔn)確、實(shí)用的效果。但隨著我 國(guó)淺部煤炭資源的不斷開(kāi)挖、枯竭，深立井的建設(shè)已經(jīng)成為目前和今后的主要工作，由此而 引發(fā)的施工方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高地壓和高應(yīng)力軟巖的處理措施等不同于淺立井的一系列變革 勢(shì)在必行。本文針對(duì)深立井基巖段井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的地應(yīng)力計(jì)算給出具體方法，為井壁結(jié) 構(gòu)的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。井壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中除地應(yīng)力之外，還有溫度應(yīng)力［1］ 、自重應(yīng)力等，這些應(yīng)力將在其它文章中做進(jìn)一步研究。

1地壓應(yīng)力分析

地壓應(yīng)力是因地壓的原因使得井壁內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力［2］，井壁內(nèi)地壓應(yīng)力的計(jì)算需考 慮井筒與圍巖之間的相互作用（見(jiàn)圖1），假設(shè)井筒與圍巖之間的相互作用力為玴，則施 工后的圍巖可以看成是厚壁圓筒，對(duì)這樣的軸對(duì)稱厚壁圓筒，其應(yīng)力值可依據(jù)拉梅解答 ［3］184求解，即

求得

2算法舉例

某礦主井井筒井深992.5 m，井深770 m以上井筒外徑8.7 m，壁厚550 mm；井深770 m以下井筒外徑8.8 m ，壁厚600 mm。彈性模量=25.48 GPa，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30 ；混凝土的泊松比玼=0.18。巖石為天然含水狀態(tài)，其物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。 表1砂質(zhì)泥巖物理力學(xué)性質(zhì)

巖石容重/（kg?m-3）[]彈性模量/GPa泊松 比平均容重/（kg?m-3）抗拉強(qiáng)度/MPa單值平均值12326022 5972 55722.160.3142 5860.7471.8380.823 1.136

2.1地應(yīng)力計(jì)算

由于地應(yīng)力從上至下按線性分布，故井筒危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)在770 m和992.5 m處。

將表（1）中有關(guān)參數(shù)代入式（12），則可得到井深770 m和992.5 m處的地壓值。

玃770=1 581 438.831 N/m2

玃992.5=2 184 239.376 N/m2

對(duì)于混凝土井壁，其危險(xiǎn)點(diǎn)位于內(nèi)井壁處，內(nèi)井壁處的應(yīng)力值可利用式（13）求解。

2.2地應(yīng)力分析

從上述的計(jì)算結(jié)果可看出，危險(xiǎn)點(diǎn)處的環(huán)向應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于豎向應(yīng)力，通常在5倍左右，因 此，對(duì)于基巖段立井井筒，導(dǎo)致其破壞的主要原因在于水平地壓，這與表土段井筒破壞 ［510］的因素是完全不同的，盡管溫度變化也會(huì)導(dǎo)致豎向應(yīng)力的增大，但溫度變化會(huì) 導(dǎo) 致環(huán)向應(yīng)力的更大增加。所以，對(duì)于基巖段井筒，防止井壁破裂的措施應(yīng)從改變應(yīng)力狀態(tài)和 減小環(huán)向應(yīng)力入手。

3提高承載能力措施

3.1提高承載能力的理論分析

根據(jù)上述的分析，結(jié)合第三強(qiáng)度理論σ1-σ3≤［σ］［4］，或 庫(kù)侖 納維爾準(zhǔn)則［5］σ1基巖段井壁承載能力的行之有效的途徑。

3.2提高承載能力的措施

概括起來(lái)，措施有兩個(gè)方面：① 提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)；② 井壁內(nèi)表面設(shè)置鋼板［6 ］，即用單面鋼板混凝土井壁。

（1） 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，可以有效的增大［σ］和［(f2+1)1/2-f］ 的數(shù)值，達(dá)到提高承載能力的目的。

（2） 鋼板混凝土井壁的使用，使得σr不再為零，一方面提高了σ3的數(shù)值，同時(shí)也 降低了σ1的數(shù)值，從而大幅降低了（σ1-σ3）和σ1［(f2+1)1/2-f ］-σ3［(f2+1)1/2+f］的數(shù)值，而且隨著地壓的增大，σr的數(shù)值會(huì)迅速 的提高，同時(shí)σθ會(huì)呈緩慢降低態(tài)勢(shì)，因此對(duì)井壁承載能力的提高效果是顯而易見(jiàn)的， 且表現(xiàn)出地壓越大，承載力越強(qiáng)的特殊功能。另外，根據(jù)對(duì)我國(guó)上世紀(jì)80年代至今的數(shù)年間 發(fā)生在各大礦區(qū)破裂的井筒［78］和未破裂井筒（表土段）的對(duì)比情況分析， 凡是增設(shè)了內(nèi)層鋼板的井筒基本完好無(wú)損，而未加鋼板的井筒，發(fā)生了數(shù)百例破裂事故。

4結(jié)論

（1） 本文給出的深立井基巖段井壁地壓應(yīng)力的計(jì)算理論對(duì)我國(guó)目前深立井井壁結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì)具有很大的參考意義。

（2） 文章分析了基巖段鋼板混凝土提高井壁承載能力的力學(xué)機(jī)理，對(duì)減小井筒荒斷面的直 徑，優(yōu)化井壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有很大的實(shí)踐意義。

（3） 本文的計(jì)算結(jié)果結(jié)合井壁溫度應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果可作為井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華)