对祁南矿副井井壁破裂原因的探讨.pdf

1997年第7期7煤矿设计 对祁南矿副井井壁破裂原因的探讨 图1祁南矿副井井壁结构 摘要 本文根据淮北矿务局祁南矿副井井筒在冻结壁解冻期间,出现内 层井壁破裂的情况,对井壁的受力状况以及井壁上的竖向应力进行分析计算。 结果表明在冻结壁解冻期间,作用到井壁上的竖向应力增大,这将引起外井壁 可压缩结构的压缩变形,从而导致外井壁对内井壁产生一个竖向附加力,但这 并不足以造成内井壁的破裂。同时还表明外层井壁的可压缩结构应具有抗抵 井壁自重的能力,才能保证结构自身的安全、 可靠。 关键词 冻结法凿井 井壁 破裂 可缩井壁 淮 南 工 业 学 院汪仁和 煤炭部合肥设计研究院吴祥 祁南矿副井采用冻结法凿井,井筒净径 7. 5 m,掘进直径10. 44 m,井壁结构采用 “滑动 可缩型钢筋砼复合井壁”,在外井壁上设置6层 可压缩环,环内充填软PVC塑料板,总高度为 750 mm,内、 外井壁间灌注沥青,详见图1。 在井筒掘进过程中,由于冻结温度、 井壁设 计与施工管理等多方面原因,曾造成外层井壁 出现多次破裂,破裂井壁总高度达93. 2 m。当 井筒套完内壁后,在1996年7月底,又发现内 层井壁于297 m处出现环状破裂井壁破裂特征 与淮北、 徐州、 大屯、 兖州矿区生产矿井的井壁 破裂完全相似,表明井壁是在竖向荷载作用下 破坏的。 祁南副井井壁在井筒施工期间发生破裂, 引起了人们的高度重视,为了对这一问题进行 探讨,本文作者对井壁在冻结壁解冻期间的受 力特征,进行一些简单的计算分析,以此说明冻 结井壁在设计与施工中应注意的一些问题。 1冻结壁的融冻特性 1. 1冻结壁在解冻过程中的温度场特征 图2为冷冻站停机后,冻结壁在自然解冻 过程中的温度回升特征。由图可见,只有当冻 结壁内侧温度回升至零度时,冻结壁才真正开 煤矿设计 8 1997年第7期 图2冻结壁自然解冻过程中的温度场特征 始融冻,井壁上的冻胀力也消失,但此时冻结 壁仍据有一定抵抗地压的能力,因此,作用到 井壁上的压力小于永久地压,据实测资料表 明此时作用到井筒上的地压将不足永久地压 的一半[1 ]。 1. 2冻结壁解冻时间的计算 冻结壁的自然解冻时间T,可用下式计算 T T0 E/ V 式中T0 停冻至冻结壁开始解冻的时间,粘 性土层T0 100～120天; E 冻结壁厚度mm; V 冻结壁净解冻速度,钙质粘土 V 11 mm/ d;砂质粘土 V 11. 57mm/ d 祁南矿副井冻结孔圈径19. 4m,井筒掘进 直径10. 54 m,冻结壁厚度E E 19 . 4 - 10 . 54 2 2 8 . 86m ∴T 110 8860/ 11 915天 可见,祁南副井冻结壁在冷冻站停机一年 后,并未完全解冻,此时,作用到井壁上的地压 围抱力将小于冻结期间的压力,也小于永久 地压。井筒上的围抱力减小,井壁上的竖向应 力将增大。 2井壁上的竖向荷载 2. 1井壁上的竖向荷载分析 井壁上的竖向荷栽Q包括井壁自重 Q1、 井塔与井筒装备重量 Q2和井筒外表面 上的竖向剪移力V。其中 Q1和Q2的方向向 下, V的方向则与井筒和地层相对滑移方向的 趋势有关。 当地层相对井筒向下沉降时, V方向向 下,井壁上的竖向荷载为三者的累加Q1 Q2 V ,其它井壁破裂原因基本属于这种情况,但 祁南矿才建井筒,可排除地层疏水固结沉降的 可能性。 当井筒相对地层下沉时譬如,作用到井 筒上的地压减小,井壁在自重作用下下沉。 , 井壁上的竖向荷载为Q Q1 Q2- V。显然,井 筒上的围抱力越小,V值越小若井筒上的围抱 力为零, V 0 ,井壁上的竖向荷载达到最大 值。 祁南矿副井井筒在施工期间的竖向荷载若 按这种最不利因数考虑,可按如下计算此时Q2 也为零。 2. 2作用到软PVC可缩层上的竖向荷载 1井壁自重Qγ ΗS 式中γ为砼容量;H为计算深度;S为井壁 断面积。 2竖向钢筋承载力 外井壁竖向布筋为100 Φ 22 300 ,其竖 向承载力P为 P π 4 d2 σ bN π 4 222335100 1273. 44 t 3作用到软PVC塑料板上的压力 作用到软PVC塑料板上的压力 q , 应等于 井壁重量Q减去竖向钢筋承载力P后再除于 井壁断面积S q Q- P Sγ Η- P S ∴- 297m处卸压槽上的压力 q 2. 5297 - 1273. 44/ π5. 22 2 - 4. 67 2 668t/ m 2 1997年第7期9煤矿设计 可见,若不考虑地层的剪移力作用,在井 壁自重作用下,软PVC塑料板上将受到一个很 大的竖向荷载,并可能产生较大的压缩变形, 因此,必将影响到井筒的有效压缩高度。 2. 3内井壁竖向荷载计算 在冻结壁融冻之前,冻结壁尚有一定承载 力,且隔绝了地下水对井壁的作用。 因此,内井 壁主要承受井壁的自重和外井壁对内井壁的 剪移力,若外井壁发生压缩变形,则作用到内 井壁上的竖向荷载如下。 2. 3. 1未考虑附加力折减情况的内井壁竖向 应力 1井壁破裂处的自重应力 σγ Η 2. 5297 742. 5t m2 7. 28MPa 2附加应力 σΟ- P S ′ γ HS S ′- P S′ 2. 5297π 5. 22 2- 4. 67 2 π 4. 6 2- 3. 752 - 1273. 44 π 4. 6 2- 3. 752 512t m2 5. 02MPa 3井壁上的竖向应力 σzσ0σ 7. 28 5. 02 12. 3MPa 2. 3. 2考虑附加力折减情况的内壁竖向应力 根据淮南矿院试验结果,外井壁附加力在 向内井壁传递过程中附加力的折减系数与夹 层材料性质、 厚度等因素有关。沥青滑动层最 大可取40。 因此,当考虑折减因数,内井壁上 的竖向附加力只有 σ′σ40 5. 020. 4 2. 01MPa ∴ σ′zσ0 σ′ 7. 28 2. 01 9. 39MPa 2. 3. 3内井壁强度校核 内层井壁砼设计标号为C58,其轴心抗压强 度标准值为35. 2MPa ,因此,即使将所有外井壁 重量都加到内井壁之上,也不可能造成内井壁 的破裂。由此可见,祁南矿副井内层井壁的破 裂不会是因外井壁的压缩所致,还应与其它因 素有关,譬如,砼井壁强度未达到设计要求,砼 施工质量不好等。但可以肯定,在冻结壁未完 全解冻之前,井壁上的最大主应力方向为竖 向。 3冻结井壁的可缩结构问题 由以上分析可见,虽然祁南矿副井内层壁 破裂不是因为外井壁可缩环的压缩造成对内 井壁的竖向附加力所致,但是,当这种结构不 具有一定的竖向初撑力时,可缩环可能在冻结 壁融冻期间就被压缩,而当地层发生沉降时, 井筒的可压缩量已被减小,达不到原设计压缩 量的要求。为此,冻结井壁的可缩结构在设计 中应考虑具备支撑井壁自重的初撑力。 对于充 填软PVC材料或沥青木砖的可缩结构,可具体 采取如下措施 1增加井壁竖向钢筋用量,利用竖向钢筋来 支撑井壁的自重。 2在井壁环形压缩槽内,增设延展性好的钢 结构,如薄壁环形槽钢圈、 波纹管、 压力环、 弹 簧钢等结构,以增大可缩结构的初撑力,保证 在自重条件下可缩井壁不会发生压缩变形,以 达到新型可压缩井壁结构设计的预期目的。 参 考 文 献 1中国矿业学院主编,特殊凿井,煤炭工业出版社, 1981年。 2沈季良等,建井工程手册Vol. IV,煤炭工业出版社, 1986年。 3李现寿,“滑动可缩型钢筋砼复合井壁结构设计与计 算”,地层冻结工程技术和应用,煤炭工业出版社, 1995年。 4顾大钊等,“可缩性井壁试验研究”,地层冻结工程 技术和应用,煤炭工业出版社,1995年。 责任编辑 王耀义