施工與運(yùn)營(yíng)初期厚表土立井井壁受力實(shí)測(cè)研究

溫德華

(上海大屯能源股份有限公司，江蘇沛縣 221000)

1 前言

自1987年以來(lái)，我國(guó)已有110多個(gè)井筒在表土段或基巖風(fēng)化段發(fā)生了井壁破裂災(zāi)害，主要集中在徐州、大屯、兗州、淮北、永夏等礦區(qū)［1，2］，對(duì)煤礦生產(chǎn)和安全構(gòu)成了巨大的威脅。根據(jù)破裂井壁的狀況，通過(guò)近20年的研究得出結(jié)論:井筒周圍土層下沉過(guò)程對(duì)井筒外表面產(chǎn)生較大的豎直附加力，這一附加力是發(fā)生破裂災(zāi)害的主要原因［3～6］。井筒是煤礦安全順利生產(chǎn)的咽喉部位，也是整個(gè)煤礦安全保障系統(tǒng)的重要組成部分，掌握其在建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)期間的安全穩(wěn)定狀況及井壁受力發(fā)展趨勢(shì)對(duì)于確保煤礦的正常安全生產(chǎn)有重要意義。分別在井筒內(nèi)外井壁建立長(zhǎng)時(shí)安全性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析掌握井壁在垂深100～180 m范圍的受力變化規(guī)律和井壁外壁與周圍土體的相互作用力，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)井壁的安全度，為保證礦井井筒的安全具有重要意義。

2 監(jiān)測(cè)方案

2．1 工程概況

孔莊混合井設(shè)計(jì)深度為1088 m，凈徑為8．1 m。井筒表土段及風(fēng)化基巖段采用凍結(jié)法施工，基巖段采用普通鑿井法施工。凍結(jié)段包括表土和風(fēng)化基巖共346 m，凍結(jié)表土段為187 m，井壁為雙層鋼筋混凝土支護(hù)。

2．2 傳感器選擇

井壁受力和變形監(jiān)測(cè)選用的傳感器為埋入式混凝土應(yīng)變傳感器，如圖1(a)所示，用于測(cè)量井壁混凝土的豎向應(yīng)變。這種規(guī)格的傳感器使用壽命長(zhǎng)、精度高(誤差在6 με以內(nèi))，同時(shí)可測(cè)量溫度(精度為0．5℃)，反映溫度應(yīng)力對(duì)井壁受力的影響。測(cè)量井筒外壁和周圍土體土壓力選用振弦式二次感應(yīng)土壓力傳感器，如圖1(b)所示，它具有二次密封性能，增加了受力面積，能消除不均勻受力影響，安裝方便，適用于長(zhǎng)期測(cè)量土壓力變化，并可同步測(cè)量埋設(shè)點(diǎn)的溫度。分辨能力≤0．05% 滿量程、綜合誤差≤1．0%滿量程、工作溫度為－25～60℃、測(cè)溫精度為±0．5℃。

圖1 傳感器實(shí)物圖Fig．1 Stain and pressure sensors

2．3 傳感器的布置

根據(jù)孔莊礦混合井的實(shí)際地層條件和測(cè)試目的，并考慮埋設(shè)施工和測(cè)試的方便，設(shè)計(jì)在井筒垂深100、120、140 m和160 m 四個(gè)水平布設(shè)傳感器，各層位巖性情況見表1。傳感器具體位置如圖2所示，各水平上設(shè)4個(gè)測(cè)區(qū)。內(nèi)外壁埋設(shè)豎向混凝土應(yīng)變傳感器，外壁外邊緣埋設(shè)土壓力傳感器，實(shí)測(cè)井壁與周圍土體的相互作用及沿井深的變化規(guī)律。

表1 傳感器埋設(shè)層位巖性Table 1 Lithologic characters for different layers

圖2 井壁傳感器豎向位置示意圖Fig．2 The arrangement diagram of sensors

2．4 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、控制電纜、傳輸信號(hào)電纜、測(cè)量單元、轉(zhuǎn)換儀和計(jì)算機(jī)組成。應(yīng)變傳感器與土壓力傳感器用專用電纜引到井口，集成到測(cè)量單元再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理。測(cè)量單元和測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 測(cè)量單元和測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig．3 Test modules and system

2．5 測(cè)試頻率

自2008年5月30日開始進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試頻率為每周2～3組數(shù)據(jù)。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

3．1 內(nèi)壁豎向應(yīng)變變化分析

圖4為內(nèi)壁第一層至第四層位豎向應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線。從圖4可以看出:

1)內(nèi)壁中的豎向應(yīng)變表現(xiàn)為應(yīng)變積累，累計(jì)應(yīng)變?yōu)?00～900 με，其中第一層、第二層和第三層表現(xiàn)最為明顯，且4個(gè)方位的豎向傳感器均顯示出相同的規(guī)律?？梢?，對(duì)于剛建成的井壁，凍結(jié)壁剛開始融化，豎向應(yīng)變隨時(shí)間積累，已經(jīng)受到了附加力的作用。

2)第一層、第二層和第三層豎向應(yīng)變進(jìn)入2010年3月份以來(lái)，應(yīng)變速率增長(zhǎng)具有明顯加快的趨勢(shì)。此時(shí)凍結(jié)壁已經(jīng)基本融化，地層固結(jié)沉降過(guò)程加速，從而造成豎向應(yīng)變積累加快。

3)第四層應(yīng)變速率呈現(xiàn)出一定的差異性，東側(cè)和北側(cè)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率達(dá)到230～260 με/a，而西側(cè)和南側(cè)增長(zhǎng)速率僅為0～20 με/a，這與埋設(shè)層位的地層條件相關(guān)。該層處于基巖風(fēng)化帶，由于在井筒表土段與基巖段附近具有井壁應(yīng)力集中效應(yīng)，不同方位的豎向應(yīng)變變化規(guī)律也不完全相同。

圖4 內(nèi)壁四層不同方位豎向應(yīng)變Fig．4 Vertical strain of the interior shaft wall in different positions

3．2 外壁豎向應(yīng)變變化分析

圖5為外壁第一層位至第四層位豎向應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線。從圖5可以看出:

1)外壁豎向應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變積累過(guò)程，這與內(nèi)壁豎向應(yīng)變的演變規(guī)律一致。應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率達(dá)到100～300 με/a，井筒剛剛建成，井壁即受到附加力的作用，其應(yīng)變隨時(shí)間而逐步積累。

2)應(yīng)變速率的增長(zhǎng)和內(nèi)壁豎向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率基本相當(dāng)，但波動(dòng)較大。這是由于外壁直接和周圍土層接觸，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率在不同層位和不同方位的差異性較大。

3)凍結(jié)融化期間，周圍土層溶化后，外層井壁豎向應(yīng)變的積累速率即呈現(xiàn)出加速趨勢(shì)，整體上亦可劃分為兩個(gè)階段。

3．3 內(nèi)外壁豎向應(yīng)變協(xié)調(diào)分析

將內(nèi)外層井壁實(shí)測(cè)豎向應(yīng)變綜合分析，如圖6所示。從圖6可以看出:

1)孔莊煤礦混合井內(nèi)外層井壁豎向應(yīng)變的變化趨勢(shì)基本相同，但由于采用了泡沫塑料板雙層鋼筋混凝土復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)，因此內(nèi)外壁的豎向應(yīng)變量值不完全相同。

2)凍結(jié)壁未完全融化階段:外壁的豎向應(yīng)變累計(jì)量略微大于內(nèi)壁，如第四層和第三層，而第一層的兩者基本一致。第一層和第三層處于細(xì)砂層中，第四層則處于風(fēng)化基巖中，兩種材料凍結(jié)強(qiáng)度大，且和井壁之間凍結(jié)后的粘結(jié)強(qiáng)度大，地層分擔(dān)一部分載荷，因此該層位外壁的豎向荷載傳遞給內(nèi)壁較少。第二層內(nèi)壁略大于外壁，此土層為粘土層，凍結(jié)的強(qiáng)度小于砂土和風(fēng)化基巖，因此外壁承擔(dān)的載荷相對(duì)較大，傳遞給內(nèi)壁的載荷也相對(duì)較大。

3)凍結(jié)基本融化后階段:外壁載荷主要受井壁和土層之間的界面摩擦性能的影響，故外壁豎向應(yīng)變的增長(zhǎng)速率主要隨土層性質(zhì)的差異而變化。摩擦系數(shù):風(fēng)化基巖＞粘土層＞飽和細(xì)砂層，因此第四層風(fēng)化基巖段外壁豎向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率最快，其次是第二層粘土層，最小的是第一層和第三層細(xì)砂層。相對(duì)于內(nèi)壁而言，由于外層井壁采用短段掘砌施工工藝，井壁不可避免產(chǎn)生裂縫，不再處于彈性狀態(tài)，混凝土井壁應(yīng)力將產(chǎn)生應(yīng)力重分布，導(dǎo)致一些部位的豎向應(yīng)力降低，出現(xiàn)內(nèi)壁豎向應(yīng)變大于外壁的情形。

圖5 外壁四層不同方位豎向應(yīng)變Fig．5 Vertical strain of the exterior shaft wall in different positions

圖6 內(nèi)外壁豎向應(yīng)變比較Fig．6 The comparison of vertical strains between interior and exterior shaft wall

4 結(jié)語(yǔ)

1)孔莊煤礦混合井井壁豎向應(yīng)變(內(nèi)壁和外壁)均表現(xiàn)出應(yīng)變積累過(guò)程，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率達(dá)到150～300 με/a，說(shuō)明井筒剛剛建成，井壁即受到附加力的作用，其應(yīng)變隨時(shí)間而逐步積累;凍結(jié)壁基本融化后，地層固結(jié)沉降過(guò)程加速，內(nèi)外層井壁豎向應(yīng)變的積累速率均呈現(xiàn)出加速趨勢(shì)。

2)孔莊煤礦混合井第四層豎向應(yīng)變速率呈現(xiàn)出一定的差異性，這和埋設(shè)層位的地層條件相關(guān)，第四層處于基巖風(fēng)化帶。由于在井筒表土與基巖段附近具有井壁應(yīng)力集中效應(yīng)，因此不同方位的豎向應(yīng)變變化規(guī)律也不完全相同。

3)孔莊煤礦混合井內(nèi)外層井壁豎向應(yīng)變的變化趨勢(shì)基本相同，量值不完全相同。凍結(jié)壁未完全融化階段，差異主要由監(jiān)測(cè)層位巖層材料的凍結(jié)特性決定;凍結(jié)壁基本融化后，井壁和土層之間的界面摩擦性能起主導(dǎo)作用;由于外層井壁采用短段掘砌施工工藝，井壁不可避免產(chǎn)生裂縫，不再處于彈性狀態(tài)，混凝土井壁應(yīng)力將產(chǎn)生應(yīng)力重分布，導(dǎo)致一些部位的豎向應(yīng)力降低，出現(xiàn)內(nèi)壁豎向應(yīng)變大于外壁的情形。

4)依據(jù)目前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，孔莊煤礦混合井井壁是安全的，但是鑒于凍結(jié)壁基本融化后應(yīng)變的增長(zhǎng)速率明顯加快，同時(shí)不同方位的速率差異較大，建議繼續(xù)加強(qiáng)觀測(cè)。

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