立井井壁豎向附加力的反演統(tǒng)計分析

劉金龍，陳陸望，王吉利

(1.合肥學院建筑工程系, 安徽 合肥 230022; 2.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院, 安徽合肥 230009;3.中國科學院武漢巖土力學研究所, 湖北 武漢 430071)

立井井筒工程是煤礦生產(chǎn)的咽喉工程，是聯(lián)系礦山地面與地下的核心通道，具有單位造價高、施工周期長、施工條件復雜的特征，其在煤礦生產(chǎn)中具有舉足輕重的作用。立井井筒的工程量雖然一般只占全礦井工程量的3.5%～5.0%，但建設費用有時占全礦井建設總費用的20%～30%。特別是隨著資源不斷向深部和復雜地層的開采，新建礦井穿過的表土層厚度、凍結(jié)深度和井筒直徑不斷增大，立井工程的安全越來越受到關注。

近20 年來，淮北、大屯、徐州、兗州等礦區(qū)大量立井井壁相繼破裂，輕者停工停產(chǎn)，重者透水淹井，給煤礦生產(chǎn)及煤炭工業(yè)建設造成了很大的影響[1-2]。如兗州礦業(yè)集團公司鮑店煤礦就因主、副井井壁破裂造成了6000余萬元的經(jīng)濟損失。井壁破壞位置一般集中在表土與基巖交界面附近，破裂時井筒內(nèi)壁混凝土片狀剝落，縱筋向內(nèi)彎曲，混凝土橫向裂縫呈水平狀交圈，破裂處有淋水、漏水甚至涌砂等現(xiàn)象，嚴重時罐梁向上彎曲，使罐道、排水管、壓風管等發(fā)生縱向彎曲，造成卡罐事故，嚴重威脅礦井的安全和生產(chǎn)[3-4]。

為了規(guī)范立井工程的設計，2007年國家相關部門發(fā)布了立井工程的設計規(guī)范[5]。該規(guī)范考慮沖積層段井壁所受的豎向荷載包括：井壁自重、豎向附加力、作用于井壁上的井塔重量、井壁上的裝備重量。已有研究表明[6-10]，水位下降引起的地表下沉對井筒產(chǎn)生的豎向附加力(負摩擦力)是導致井壁破壞的主要原因。一般地，豎向附加力通過井壁單位外表面積豎向附加力乘以井壁外表面積得到。至于井壁單位外表面積豎向附加力如何確定，規(guī)范尚未給出明確數(shù)值大小，僅注明了可根據(jù)具體條件按試驗數(shù)據(jù)或經(jīng)驗選取。

為此，本文在分析已破裂立井基本特征的基礎上，基于大量已破裂立井的具體參數(shù)反演求出井壁單位外表面積豎向附加力，并得到了該附加力的統(tǒng)計值，為新井井壁的設計提供參數(shù)依據(jù)。

1 井筒破裂機理與荷載計算方法

井筒的破裂是由于其承受的豎向荷載超過其材料的承載能力所致。井筒所受的豎向荷載中，一方面包括重力，即井壁自重、作用于井壁上的井塔重量、井壁上的裝備重量等，另一方面包括豎向附加力，即井壁與周圍土體之間、方向與自重一致的負摩擦力。中國礦業(yè)大學等單位[1]通過大量模擬試驗表明：特殊地層含水層疏水，水位下降引起含水土層的有效應力增大，使土體產(chǎn)生固結(jié)壓縮，引起上覆表土下沉，由于井壁與周圍土體之間存在摩擦作用，土體在下沉過程中必然施加于井壁外表面一豎直向下的附加力，隨著水位的下降該附加力不斷增加，當該附加力增加到一定值時，即鋼筋混凝土井壁不能承受巨大的豎直附加力與自重之和時發(fā)生破壞。

井筒的破裂形態(tài)可以從井壁鋼筋的受力情況得到驗證。大屯礦區(qū)龍東礦東風井井筒處松散層厚195.6m，在井深194.8m處的井壁鋼筋應力實測值見圖1[1]?？梢?，井壁的環(huán)向鋼筋應力變化率很小，表明外部徑向擠壓力是持續(xù)穩(wěn)定的；而豎向鋼筋則以51.6～57.0MPa/a的平均增長率逐年快速遞增，井筒的破裂緣于井壁豎向應力的增大。

圖1 龍東煤礦東風井實測井壁鋼筋應力變化

現(xiàn)行規(guī)范[5]按下式計算沖積層段井壁的豎向荷載標準值，見式(1)、式(2)。

Qz,k=Qz1,k+Qf,k+Q1,k+Q2,k

(1)

Qf,k=Pf,k×Fw

(2)

式中：Qz,k為井壁所受的豎向荷載標準值(MN)；Qz1,k為計算截面以上井壁自重標準值(MN)；Qf,k為計算截面以上井壁所受附加力標準值之和(MN)；Pf,k為計算截面以上井壁單位外表面積豎向附加力標準值 (MN/m2)；Fw為計算截面以上井壁外表面積(m2)；Q1,k為直接支承在井筒上的井塔重量標準值(MN)；Q2,k為計算截面以上井筒裝備重量標準值(MN)。

可見，要確定豎向附加力Qf,k，必須知道井壁單位外表面積豎向附加力標準值Pf,k。而關于井壁單位外表面積豎向附加力Pf,k如何確定，規(guī)范尚未給出明確地方法，僅注明了可根據(jù)具體條件按試驗數(shù)據(jù)或經(jīng)驗選取。本文將根據(jù)反演統(tǒng)計方法來確定Pf,k值。

井壁縱向承載力的計算公式見式(3)[5]。

Qz,k≤fc·A0+fyAz

(3)

式中：Az為豎向鋼筋橫截面積(m2)，一般情況下井筒全截面配筋率不應小于0.4%；A0為計算截面井壁橫截面積(m2)；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值(MN/m2)；fy為普通鋼筋抗拉(壓)強度設計值 (MN/m2)。

顯然，當井壁所受的豎向荷載標準值Qz,k過大且超過井壁縱向承載力(fc·A0+fyAz)時，即式(3)所示的平衡條件被打破時，井筒將產(chǎn)生破裂。

由于影響因素眾多，若基于式(1)～(3)來判斷既有立井是否破裂、何時破裂、破裂點位置等具體信息是非常困難的。但基于已破裂立井案例，其破裂時的相關信息已獲取，通過具體參數(shù)反演推算某個參量的特征是可行的。

2 基于破裂立井的反演分析

自1987年以來，淮北、大屯、徐州、永夏和兗州等礦區(qū)已有40余個立井井筒相繼發(fā)生了井壁破裂災害，造成了巨大的經(jīng)濟損失，嚴重地威脅著礦井的安全與生產(chǎn)。表1列出了部分煤礦立井井筒破裂情況?，F(xiàn)根據(jù)這些已破裂井筒的相關參數(shù)反演分析豎向附加力，為此做如下假設。

1)從立井井口至破裂位置范圍內(nèi)，井壁單位外表面積豎向附加力標準值Pf,k視為恒定值，不隨深度及地質(zhì)條件的變化而變化。

2)井筒內(nèi)、外壁間無相對滑動，即認為內(nèi)、外層井壁共同承擔負摩擦力引起的豎向附加力。

3)由于井塔基礎一般不坐落在井壁上(否則加劇井壁的破裂)，故不妨取Q1,k=0。至于破裂深度處井筒裝備重量Q2,k，由于缺乏資料，不妨把該值取為立井重力的0.2倍，即Q2,k=0.2Qz1,k。

4)井壁中配筋率均按最低配筋率考慮取4‰, Ⅱ級鋼筋抗壓強度fy=360MPa。

鋼筋混凝土井壁的重度取25kN/m3, 因此破裂深度處的井壁自重荷載標準值Qz1,k可以求出。鑒于所選立井均已破裂，故各類荷載可采用標準值而不用設計值。代入各立井井壁的具體數(shù)據(jù)，便可反演計算得到井壁單位外表面積豎向附加力標準值Pf,k，詳見表2?？梢?，附加力標準值Pf,k取值在22.4～67.5kPa之間，均值為45.66kPa。

表1 部分煤礦立井井筒破裂情況

表2 煤礦立井外表面積豎向附加力Pf,k的反演計算

3 關于井壁豎向附加力的討論

以前在設計井壁時認為表土段井壁的自重荷載的3/4由井筒周圍的土體分擔，而在基巖段則基本不考慮自重荷載。實際上，在特殊地層條件下井壁不但要承受自重(含裝備重量)，還要承受由于含水層疏排水而產(chǎn)生的豎直附加力。分析表2數(shù)據(jù)可知以下方面。

1)同一煤礦中不同立井(如主井、副井、風井等)的單位外表面積豎向附加力標準值Pf,k較為接近，而不同煤礦的附加力標準值Pf,k相差較大。如蘆嶺煤礦的Pf,k值在22～24kPa之間，而海孜煤礦的Pf,k值在51～61kPa之間。

2)童亭煤礦的主井與副井、前嶺煤礦北風井、臨渙煤礦西風井均為預制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，它們的附加力標準值Pf,k分別為36.0kPa、27.03kPa、20.83kPa、39.63kPa，數(shù)值總體上偏小，說明預制混凝土結(jié)構(gòu)與土體的接觸不夠緊密，土體施加給井壁的豎向附加力較小。

3)16個破裂立井的附加力Pf,k的均值為45.66kPa，若把上述四個預制混凝土立井剔除后，剩下12個破裂立井的附加力Pf,k的均值為51.1kPa。中國礦業(yè)大學根據(jù)試驗提出安徽省宿縣礦區(qū)祁南礦井副井井筒井壁外緣單位面積的附加力值為50kPa；煤炭總院北京建井所提出其設計標準值，淮北礦區(qū)為61.5kPa，大屯、徐州礦區(qū)為56.4kPa，其他礦區(qū)為62.1kPa[5]。本文所求的附加力Pf,k均值51.1kPa與這些建議值較接近。一般地，由于預制立井的穩(wěn)定性、安全性、耐久性與現(xiàn)澆混凝土相比有諸多劣勢，且其厚度受到限制，已在立井設計中較少使用。故上述分析中把預制混凝土立井剔除后更為合理。

4)孔莊煤礦副井的破裂深度為142～145m，該深度在所列案例中屬較淺，但反演得到其單位外表面積豎向附加力標準值Pf,k為67.5kPa，為所列案例中的最大值?？梢姼郊恿f,k的大小并不取決于立井的深度，而與地質(zhì)條件有關。

事實上，豎向附加力Pf,k的大小與地層的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、地層是否疏水以及疏水的速率、井壁結(jié)構(gòu)等多種因素有關。大量研究表明[1, 11-13]：①豎向附加力與疏排水層的壓縮模量成反比，與疏排水層的水壓降成正比；豎向附加力是隨著含水層線性降壓而線性增加的，當停止疏排水后，豎向附加力也很快趨于穩(wěn)定。②豎向附加力隨深度呈非線性的遞增關系，越靠近疏排水層與上覆土層的交界面，附加力的值越大，在表土與基巖交界面處達最大值。③豎向附加力與疏排水層的厚度成正變關系，疏排水層越厚，豎向附加力越大。④附加力的大小與土層性質(zhì)有關。一般而言，在其他條件相同時，砂、黏土質(zhì)砂、砂質(zhì)黏土、黏土四種土層的附加力相比，砂的附加力大，黏土質(zhì)砂的附加力次之，黏土的附加力最小。

可見，影響豎向附加力大小的因素眾多，僅依照地質(zhì)資料要準確確定某一礦井的豎向附加力取值是非常困難的，故相關規(guī)范中也未對該值做過多地規(guī)定與闡述。

豎向附加力一般按試驗數(shù)據(jù)或經(jīng)驗選取。鑒于試驗過程的復雜性、高代價與工況局限性，參照經(jīng)驗選取豎向附加力Pf,k是通用做法。本文依據(jù)已破裂立井資料，反演得到了各立井豎向附加力Pf,k的取值。若新建礦井的地質(zhì)條件與表2中某礦井類似或相近，則其豎向附加力可選取表2中的相應值做參考，這也是本文的價值所在。

4 結(jié)論

1)井壁單位外表面積豎向附加力是井筒設計中的重要參數(shù)，但規(guī)范中尚未給出明確地數(shù)值大小，僅注明了可根據(jù)具體條件按試驗數(shù)據(jù)或經(jīng)驗選取。本文基于大量已破裂立井案例，通過具體參數(shù)反演推算得到附加力的有效均值為51.1kPa，為新井井壁的設計提供參數(shù)依據(jù)。

2)同一煤礦中不同立井的附加力值較為接近，不同煤礦的附加力值相差較大。預制混凝土結(jié)構(gòu)與土體的接觸不夠緊密，故預制井壁的豎向附加力值較小。附加力的大小并不取決于立井的深度，而與地質(zhì)條件有關。

3)影響豎向附加力大小的因素眾多，僅依照地質(zhì)資料要準確確定某一礦井的豎向附加力取值是非常困難的。若新建礦井的地質(zhì)條件與本文反演計算中的礦井類似或相近，則其豎向附加力可選相近礦井的相應值做參考。

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