高應(yīng)力不同側(cè)壓條件下井壁合理結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性

張建武

(大同煤礦集團(tuán)朔煤王坪煤電公司，山西 懷仁 038301)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)煤炭資源的需求量逐年增長(zhǎng)，相應(yīng)的許多大型礦井建設(shè)項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)始，然而，不同的地質(zhì)條件對(duì)應(yīng)不同的工程背景。由于地質(zhì)構(gòu)造、煤層埋深、巖體特性等方面的原因，井筒經(jīng)常在水平雙向應(yīng)力大小不同，且應(yīng)力水平較高的條件中建設(shè)，由此帶來(lái)了井筒穩(wěn)定性差、施工困難等問(wèn)題。井筒作為礦井生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)难屎硪?，其穩(wěn)定性直接關(guān)系整個(gè)礦井的安全生產(chǎn)和效益，為此研究高應(yīng)力不同側(cè)壓條件下井壁的穩(wěn)定性，尋求合理的井壁結(jié)構(gòu)就顯得非常重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙側(cè)壓力不同情況下井筒應(yīng)力分布和合理結(jié)構(gòu)都做過(guò)許多研究［1－4］，其大都在彈性力學(xué)不同側(cè)壓圓形孔的結(jié)果上，然而，隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，優(yōu)化技術(shù)得到了發(fā)展，部分學(xué)者也對(duì)不同側(cè)壓下井壁的合理結(jié)構(gòu)做了研究。

本文在不同側(cè)壓井壁應(yīng)力分布及合理結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，利用理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，分析井壁結(jié)構(gòu)的合理受力及結(jié)構(gòu)，以改善井壁結(jié)構(gòu)的受力，充分發(fā)揮材料的利用率為目的，給出了井壁結(jié)構(gòu)的加固范圍。

1 井壁結(jié)構(gòu)的受力分析

為了分析不同側(cè)壓井壁結(jié)構(gòu)的受力，首先依據(jù)彈性理論雙向不等壓結(jié)論［5］。雙向不等壓井筒受力簡(jiǎn)化圖見(jiàn)圖1。

圖1 雙向不等壓井筒受力簡(jiǎn)化圖

由分析可知，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，沿井壁應(yīng)力分布越來(lái)越不均勻，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，井壁局部出現(xiàn)受拉區(qū)域。

2 井壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的數(shù)值計(jì)算

在建立數(shù)值計(jì)算模型之前，首先分析傳統(tǒng)等厚度井壁上的應(yīng)力分布情況，傳統(tǒng)等厚度井壁結(jié)構(gòu)在雙向不等壓應(yīng)力場(chǎng)中的環(huán)向應(yīng)力云圖見(jiàn)圖2，從圖2可以看出，環(huán)向應(yīng)力分布極不均勻，圖2中A點(diǎn)至B點(diǎn)，環(huán)向應(yīng)力越來(lái)越大。

圖2 傳統(tǒng)等厚度井壁上的環(huán)向應(yīng)力云圖

本文依據(jù)以前學(xué)者提出的橢圓形井壁結(jié)構(gòu)，并依據(jù)數(shù)值計(jì)算的建模原則建立數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)模型尺寸為長(zhǎng)40 m，寬40 m，井筒半徑4.1 m，模型側(cè)邊界距井筒中心約為井筒半徑的10倍。模型左邊界施加水平位移約束，下邊界施加鉛垂位移約束，上邊界施加15 MPa的均布?jí)毫?，右邊界施?0 MPa的均布?jí)毫?。?yōu)化過(guò)程中，井壁內(nèi)壁為圓形，外壁為橢圓形，上部井壁厚度保持0.6 m，右邊井壁厚度從0.6 m開(kāi)始增大。當(dāng)應(yīng)力分布函數(shù)的方差最小時(shí)，認(rèn)為此時(shí)井壁結(jié)構(gòu)最優(yōu)。優(yōu)化分析整體模型圖見(jiàn)圖3，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 優(yōu)化分析整體模型圖

表1 模型材料力學(xué)參數(shù)

圖3中，a為井筒半徑，b為井壁外橢圓短軸，c為井壁外橢圓長(zhǎng)軸，q1為15 MPa，q2為10 MPa。

計(jì)算中，設(shè)定井筒處于細(xì)砂巖中，井壁材料采用C35混凝土。

等厚度井壁結(jié)構(gòu)和內(nèi)圓外橢圓井壁結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)力分布對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 環(huán)向應(yīng)力分布對(duì)比圖

從圖4可以看出，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的內(nèi)壁為圓形，外壁為橢圓形的井壁結(jié)構(gòu)上的環(huán)向應(yīng)力分布較均勻，有利于井筒穩(wěn)定型的保持。

合理井壁最大壁厚隨最大側(cè)壓力變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5 合理井壁最大壁厚隨最大側(cè)壓力變化曲線

由圖5可知，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，井壁的最大厚度在增加。

通過(guò)研究?jī)?nèi)壁為圓形，外壁為橢圓形的井壁結(jié)構(gòu)上的受力，可以得知，按照傳統(tǒng)等候的圓形井壁結(jié)構(gòu)設(shè)置井壁時(shí)，應(yīng)該在布筋上進(jìn)行調(diào)整，以使井壁上的應(yīng)力分布均勻，依據(jù)前面分析結(jié)果，建議在側(cè)壓力小的方向上布置較密、較大的鋼筋。

3 結(jié)論

通過(guò)利用理論分析及數(shù)值計(jì)算方法研究高應(yīng)力下不同側(cè)壓力下井筒井壁的應(yīng)力分布規(guī)律、合理結(jié)構(gòu)及合理的井壁結(jié)構(gòu)布筋，主要得出如下結(jié)論:

1)當(dāng)井筒布置于不同側(cè)壓環(huán)境中時(shí)，傳統(tǒng)的等厚度的圓形井壁穩(wěn)定性差，局部甚至?xí)霈F(xiàn)拉應(yīng)力而導(dǎo)致井壁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2)采用外壁為橢圓，內(nèi)壁為圓的井壁結(jié)構(gòu)可以調(diào)整井壁上的應(yīng)力分布，維護(hù)井壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3)采用傳統(tǒng)的等厚度井壁結(jié)構(gòu)，如做適當(dāng)?shù)牟冀钫{(diào)整，同樣可以維持井壁結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布合理，維護(hù)井壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

4)在采用布筋調(diào)整井壁應(yīng)力分布時(shí)，應(yīng)在側(cè)壓力小的方向加強(qiáng)布筋。

［1］張國(guó)鑫.鋼板－鋼筋混凝土復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)在不均勻側(cè)壓力作用下的應(yīng)力［J］.建井技術(shù)，1995(5):34－39.

［2］胡學(xué)文.井筒在不均勻側(cè)壓力作用下的應(yīng)力［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1982(2):41－49.

［3］牛少卿，楊雙鎖，王志剛，等.非均勻水平應(yīng)力場(chǎng)中井壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，26(3):60－63.

［4］姚直書(shū)，孫文若.不均勻側(cè)壓力下凍結(jié)井筒混凝土井壁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究［J］.阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1995，14(3):30－33.

［5］楊桂通.彈塑性力學(xué)引論［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003:106－108.