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第 22 卷 第 5 期 岩石力学与工程学报 225773～777 2003 年 5 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2003 2002 年 4 月 2 日收到初稿，2002 年 5 月 24 日收到修改稿。 作者 琚宜文 简介男，39岁，1994年于中国矿业大学资源与地球科学学院获硕士学位，现为博士研究生、高级工程师，主要从事煤田、油气地质与 勘探及矿井地质工程方面的研究工作。 卸压套壁法加固井壁的力学机理与工程应用卸压套壁法加固井壁的力学机理与工程应用 琚宜文 1 刘宏伟1，2 王桂梁1 姜 波1 张 伟2 李向东1 张正新3 1中国矿业大学资源与地球科学学院 徐州 221008 2空军后勤学院五系 徐州 221000 3淮北矿业集团 淮北 235000 摘要摘要 简要分析了位于巨厚冲积层表土下，竖井破坏的特点及力学机理。根据井筒破坏的力学机理，设计制定了 预防和加固竖井破坏的技术方案卸压套壁法，并通过其一工程施工实例说明该方案的施工特点、效果及适用情况。 关键词关键词 井巷工程，井壁破坏，力学机理，卸压套壁法加固，工程应用 分类号分类号 TD 352 文献标识码文献标识码 A 文章编号文章编号 1000-6915200305-0773-05 MECHANICAL MECHANISM OF REINFORCING SHAFT-WALL WITH PRESSURE RELEASE AND CASING-WALL AND ITS ENGINEERING APPLICATION Ju Yiwen1，Liu Hongwei1 ，2，Wang Guiliang1，Jiang Bo1，Zhang Wei2，Li Xiangdong1，Zhang Zhengxin3 1China University of Mining and Technology， Xuzhou 221008 China 2Logistic Engineering College of Air Force， Xuzhou 221000 China 3Huaibei Mining Group， Huaibei 235000 China Abstract The characteristic and mechanical mechanism of shaft failure under mega-thick alluvial surface layer are briefly analysed. Based on the mechanical mechanism of shaft failure，the pressure release and casing-wall is applied to draw up the technical project to reinforce shaft and prevent it from failure. The construction characteristic，result and its practical value are presented in the light of an example of engineering. Key words roadway engineering，shaft failure，mechanical mechanism，reinforcing shaft-wall with pressure release and casing-wall ，engineering application 1 引引 言言 我国矿田赋存的地质条件差别较大。随着地质 条件较好的矿田的大量开发，井田工业必将朝着深 表土方向发展。众所周知，我国华东地区属于冲积 地区， 上覆巨厚的冲积层表土第四系和第三系冲积 层，其下面蕴含着丰富的矿产资源，加上相关行业 方面的需求，在“九五”和“十五”期间，仅黄淮 地区就有 60 个竖井要建设。自 1987 年以来，华东 地区的淮北、大屯、徐州、兖州等矿区先后有 40 多个在深厚表土层中建设的立井井壁发生横向破裂 灾害，如徐州大屯张双楼矿井设计年产量 1.2 Mt， 淮北海孜矿井核定年产量 0.9 Mt，这些井壁破裂 严重影响了矿井的生产和安全，造成了重大的经济 损失[1 ，2]。 治理井壁破坏有不同方法，卸压法是其中的一 种，已在矿山巷道施工中得到较广泛的应用，如软 岩硐室与跨采巷道维护[3 ，4]、 控制巷道底鼓[5]等。 近 阶段，卸压法也用于井壁破裂治理，并有人在加固 深厚表土层竖井方面对该方法进行过理论研究[6]。 但这些研究对于导致井壁破坏的多因素、卸压套壁 法加固井壁的力学机理以及井壁破裂的综合防治等 多方面尚缺乏全面深入的考虑，仅从单因素考虑较 774 岩石力学与工程学报 2003 年 多。本文从分析井壁破坏的原因入手，得出井壁破 坏多因素力学机理，据此将卸压法与套壁加固井壁 结合起来，采用综合井壁治理方法，并针对华东地 区一典型工程实例，介绍卸压套壁法加固竖井的基 本过程，结合工程实测资料，对其加固效果作出较 为科学的评估。这对与华东地区相类似的破坏井壁 治理有着重要的指导意义。 2 卸压套壁法加固井壁的力学机理卸压套壁法加固井壁的力学机理 对于井壁破坏的原因众说纷纭，但归纳起来， 主要有以下 3 种 1 地应力主因说 其主要观点是认为地震或其他强烈的地壳构造 运动造成地层宏观上发生垂直升降和水平位移，导 致井壁水平挤压应力增大，而井壁是脆性材料，不 能承受巨大的地应力，以至产生变位而导致破坏。 2 施工质量说 该假说认为，以前所采用的井壁受力模式，设 计方法是正确的，只是在混凝土施工过程中，由于 工作状况、管理、技术等方面的原因，井壁的质量 差，导致井壁实际强度低于设计强度而发生破坏。 研究表明，虽然施工质量较差的井壁更易遭受 破坏，但在已破裂的井筒中，有相当一些施工质量 较好的井壁也遭破坏，这说明井壁质量问题不是造 成众多井壁破裂的主要原因。目前，施工质量假说 由于理由明显不充分而渐被淘汰。 3 附加力主因说 为研究解决井壁破裂问题，中国矿业大学岩土 工程研究所利用大型立井模拟试验台进行了模拟试 验， 首次以科学的试验数据证明[2 ，7～9] 在深厚表土 层中的含水层直接覆盖在矿区地层上的特定条件 下， 由于采矿活动或人为抽排水使含水层水位下降， 导致土体的有效应力增加，土体固结压缩，从而使 井筒周围土层的位移与井壁的位移不完全同步等原 因，导致井壁外表面产生一个向下的竖直附加力。 由于井壁在基岩段无位移，受竖直附加力的作用， 上段井壁附加应力自上部向下逐深累加，至表土与 基岩交界附近达到最大值，而该处井壁相对薄弱处 就可能发生破坏。传统的表土层中井壁的设计方法 主要引用岩石中井壁的设计原则，即井壁主要受水 平地压，井壁自重的 3/4 由地层的围抱力所抵消， 在设计中由于没有认识到，因此，没有考虑这一竖 直附加力，从而导致井壁破坏。由于该观点能完善 地解释井壁破坏现象，符合井壁破裂的特征，且得 到了大量的理论、数值计算、试验和实测研究成果 的支持，因而得到了越来越多学者的认可[1 ，2]。 不少人将井壁破坏的主要原因归结于井筒周围 土层的疏排水性及其他原因产生固结沉降[2 ，7，8，10]， 使土层与井壁位移不完全同步而导致在井壁外表面 产生一个向下的竖直附加力。但由井壁破坏的力学 机理可知，这实际上是多因问题，同时还有构造水 平应力的作用，它们共同导致了井壁破裂。因此， 对于井壁破裂防治与加固主要思路是消除土层与井 壁之间的竖向位移[11 ，12]和水平应力， 从而消减井壁 外载。 根据井壁破坏的特征和实验研究成果[2 ，11，12]， 笔者认为可以人为地在井壁结构中进行开槽，俗称 “卸压槽” ，在槽内充填可缩性材料一般为防腐材 料，在井壁内形成了一道可缩性结构。其主要施工 过程为先在开槽位置土层进行注浆，在土层中形 成一道挡水帷幕，防止开槽时地下水涌入井筒，同 时浆液充填了井筒周围一定范围内的土层，并使其 有所抬升，对竖直附加力起到了一定的缓释作用； 然后在井筒破裂处开设卸压槽。这样，当外围土体 继续因排水而发生沉降时，由于可缩层存在，井筒 可随土体一起沉降，从而消减了竖向荷载。由于开 设卸压槽的最主要目的是消减井壁所承受的竖向压 力，所以“卸压槽”法又称卸压法。实践表明，仅 在内壁开卸压槽而无套壁不能阻止井壁的第二次破 坏，因为构造应力尤其是水平应力也是井壁破坏的 重要因素之一。随着土体的沉降继续增加，作用在 井壁上竖向荷载也将增大，当竖向荷载增大到一定 的数值时，通过水平应力的诱导，卸压槽上下附近 井壁会出现第二次破裂，表现为井壁内侧混凝土大 面积掉块或渗水。因此，需在卸压槽上下附近再套 一层混凝土壁来防止原内壁混凝土的剥落，从而保 障井壁的安全。卸压法加固井壁的形式如图 1 所示。 图 1 卸压法加固井壁示意图 Fig.1 Sketch of reinforcing shaft-wall with pressure release 2 4 3 1 注浆层 2 可缩层 3 套壁 4 土体 对 称 轴 1 井筒半径 第 22 卷 第 5 期 琚宜文等. 卸压套壁法加固井壁的力学机理与工程应用 775 3 工程实例分析工程实例分析 由于华东厚冲积层条件下井壁破坏区域分布、 破坏位置、破坏时间等方面具有的相似特征，下面 分析破坏比较严重的淮北海孜煤矿采用卸压套壁法 加固主井的工程实例。 3.1 工程概况及井壁破裂因素工程概况及井壁破裂因素 淮北海孜煤矿于 1979 年 2 月动工兴建， 年设计 生产能力为 0.9 Mt，主、付井均采用冻结法施工， 1982 年 8 月竣工，1987 年 10 月正式移交投产。该 矿地质勘探程度较低，地质构造复杂，表土段为第 四系冲积层，自上而下分布着 4 个含水层组，3 个 隔水层组，第 4 含水层组厚约 20 m，是主要疏排水 层。矿区水文地质条件如表 1 所示。据国家地震局 地壳应力研究所 1995 年的科研报告 “安徽省淮北矿 务局海孜煤矿基岩及松散层绝对地应力实测和井筒 围岩二次应力场对井筒破裂影响的综合研究” ，松 散层内－245 m 的水平最大主应力平均为 3.07 MPa， 方位为 NS。 表表 1 主要岩土地质特征主要岩土地质特征 Table 1 The main character of topsoil geology 随着井巷的不断开掘和回采面积的不断扩大， 第 4 含水层受矿井开采疏排、降压，水位大幅度下 降，下降速度为每年 6～11 m，从而导致表土地层 固结沉降。地层沉降的过程，施加给井筒一个巨大 竖直附加力， 与水平应力的共同作用下， 1992 年初， 该矿主井井壁发生破裂，破坏部位于井深 211.7～ 219.7 m 处，破坏深度为 150～200 mm，破裂方向 以近 NS 向最严重。随后，童亭煤矿主井、付井与 徐州地区等矿井相继发生破坏。为解决这一问题， 笔者与有关专家、教授一起对井壁破坏原因及加固 技术进行分析研究，得出触发井壁破坏的力学机理 竖向附加力为主因，NS 向水平应力为诱导辅因。 最后决定采用施工工期短、工艺简单、投资省、技 术可行的卸压槽内套井壁综合修复加固方案。 3.2 施工过程及有关技术参数施工过程及有关技术参数 3.2.1 开切卸压槽 根据井筒加固修复设计，在井深 240 m 处原内 壁内开凿高 330 mm，深 550 mm 的环形卸压槽。为 防止开槽时壁后突水，必须先进行破壁注浆堵水。 在卸压槽上口 1 m，下口 1.5 m 处各布置一排注浆 孔，孔径 42 mm，沿环向分布如图 2 所示。注浆终 压为 6 MPa。 图 2 注浆孔分布平面图 Fig.2 The plane distribution of injected holes 开切卸压槽的主要工作就是控制爆破眼位置及 爆破的有关参数。经过分析研究，最后确定在卸压 槽区域沿竖向布置 3 排炮眼上下 2 排主要是将卸 压槽区域井壁混凝土分离出来，称切割眼；中间 1 排称破碎眼。各排之间距离为 125 mm，各炮眼之 间环向距离为 150～200 mm，如图 3 所示。根据炮 眼的用途不同，得到的爆破参数如表 2 所示。 图 3 爆破眼布置图 Fig.3 Distribution of firing holes 开切卸压槽的主要程序是先将吊盘的下层盘 松至卸压槽以下 1.2 m 处固定、封严，并做好电缆、 名称 埋深 /m 岩土性 层厚 /m 压缩量 /mm 1 含 34 粉砂含亚粘土互层 34 1 1 隔 67 亚粘土、粘土含砂 63 －1 2 含 77 粗、中、细砂 10 0 2 隔 123 粘土、铝质粘土 46 －1 3 含 148 细砂 25 －6 3 隔 235 亚粘土、粘土、铝质粘土 87 3 4 含 255 砂、砂质粘土和砂砾 20 44 1 2 3 25 mm 125 mm 125 mm 25 mm 150～200 mm 150～200 mm 1 切割眼 2 破碎眼 3 卸压槽区 环向 2 1 3 1 注浆管 2 土层 3 井壁 776 岩石力学与工程学报 2003 年 表表 2 爆破主要技术参数爆破主要技术参数 Table 2 The main detonation parameters 装药参数 炮眼名称 及位置 排距 /mm 眼距 /mm 眼深 /mm 炸药密度 /gcm －3 药卷直径 /mm 药重 /g 切割眼 125 150～200 500～5501.10 32 150～170 破碎眼 125 150～200 500～5501.10 32 170～200 钢丝绳等防崩保护，然后按图 3 和表 2 的有关参数 进行打眼爆破。精心施工 7 d 后，开切卸压槽顺利 完成，最后在槽内填塞防腐塑料，形成可缩层。 3.2.2 井筒套壁施工 井筒套壁厚 500 mm，施工采用双层简易吊盘 的下层盘作为工作盘，在井深 255.7 m 处筑立底模 生根，由下而上加设槽钢井圈，再支立 1 m 高的导 向模 板，采用 C30 混凝土，对于井壁严重破坏段 采用 C40 混凝土加固，人工浇筑、振捣。混凝土配 合比如表 3 所示。采取每次连续套壁 10 m，然后集 中 1 d 拆模，如此周而复始套砌至井深 188 m 处。 表表 3 1 m3混凝土配合比混凝土配合比 Table 3 The contents of 1 m3 concrete 标号 水灰比 水 /kg 水泥 /kg NF / 砂 /kg 石子 /kg 配合比 水∶水泥∶砂∶石 C30 C40 0.39 0.30 185 171 473 570 1.7 2.1 607 515 1240 1197 0.39∶1∶1.28∶1.26 0.30∶1∶0.90∶2.10 3.3 安全验算安全验算 3.3.1 强度校核 根据施工实际情况，套壁厚度为 500 mm，内 径为 5 500 mm，混凝土设计标号为 C30，抗压强度 为 R30 MPa。根据实测资料，作用在套壁上的水 平荷载为 Ph 0.08H10 －2 0.08255.7192.045 6 MPa 1 按规范计算提出套壁的最大环向应力为 MPa 404.14 2 22 2 h − rR RP θ σ 2 式中R，r 分别为套壁的外半径和内半径m。 竖向荷载的计算公式为 100 1 v WSf A P 3 式中A为井壁的横截面面积m2；S为套壁的外侧 面积m2；F为附加力的分布系数， 取2.5104 N/m； W为自重及其他竖向荷载N。 将实际工程数据代入上式可得 − 2 .60214 .33397 .2550 . 6π5 . 2 5 . 50 . 6 4 π 100 1 100 1 22 v WSf A P MPa 07.11 4 而径向应力 r σ很小，可忽略不计。 根据第四强度理论，有 − v 2 v 2 0 σσσσσ θθ MPa 14.18 75. 1 0 .30 MPa 06.13 5 由此可见，加固强度符合要求。 3.3.2 径向位移验算 根据弹性理论， 井筒内侧径向位移Ur计算公式 为 ]1 2[ 1 v 22 P rR rR E Urμ μ − − 6 式中E为弹性模量MPa；μ 为泊松比， 取μ0.2； R，r分别为井筒外、内半径m。 将具体工程数据据代入上式可得 r U1.152 mm 显然，内套井壁产生这样的径向位移，仍然能 保证有足够的安全间隙，得以满足变形要求。 3.4 竖井应力与变形竖井应力与变形 为了便于对新套井壁内、外力及变形的监测， 在施工过程中分别在井深250.7，246.5和218.7 m 三个水平段埋设测试元件，用以以后对井壁受力与 沉降进行观测。 根据弹性力学厚壁圆筒公式近似进行结构反分 析，可以得到卸压法治理井壁前井壁所受的均布侧 压力增量PΔ与应力增量的关系为 ⎪ ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ − Δ −Δ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − Δ −Δ ∫ π dπ 2 1 22 0 2 2 22 h 2 rR hfR r rR PR H z σ ρ σθ 7 式中 θ σ， z σ分别为井壁环向、竖向应力MPa； f为竖向附加力MPa；P为水平侧压力MPa；H为 计算深度m；R，r为井壁外、内半径，分别取3.25 和2.75 m；ρ为计算点至井壁中心距离m。 加固后，表土层与基岩交界面附近井壁实测的 竖向应力和环向应力的变化量分别为Δ θ σ1.833 MPa，Δ z σ－4.543 MPa，反求水平侧压力的变化 量为Δ h P－0.374 3 MPa，外表面竖直附加力平均 第 22 卷 第 5 期 琚宜文等. 卸压套壁法加固井壁的力学机理与工程应用 777 增量为Δf－0.023 MPa； 原侧压力按0.8倍静水压 力计算为 h P0.8H10 －2 0.008255.7192.045 6 MPa，说明治理后侧压力减少了18.3；井壁表土 层与基岩交界面附近的外表面竖直附加力按年增长 率为1.6 MPa计算，井壁破裂时9 a，积累的竖直 附加力为14.4 MPa，加固后竖直附加力缓释了 31.5左右。 随着开采的进行，第4含水层水位下降趋缓， 以每年平均3～5 m的速度下降，这仍会造成井壁 竖向压缩变形。通过实际观测，卸压槽竖向压缩 23.5 mm，按每年2～5 mm沉降速度下沉；而竖向 应力却增长不大，其应力平均增长为0.6 MPa，这 也较好地证明了卸压槽的卸压作用。按文[6]的有关 研究结果，卸压槽压缩率为30～35，卸压槽尚 未达到极限压缩，随着土体继续固结沉降以及NS 向水平应力的作用，井壁有可能在第4含水层与基 岩风化带接触处、卸压槽附近将会首先发生NS向 的内侧二次破坏。目前井筒运行良好，只存在轻微 变形，未发生破坏迹象，远期效果尚需进一步观 测。 4 结结 语语 通过以上分析和计算可知，对于卸压槽套壁治 理井壁破裂，可以得到以下结论 1 卸压槽套壁治理井壁破裂的力学机理主要 包括不同阶段的两个效应其一是破壁注浆对竖直 附加力的缓释效应，能缓释井壁破裂时竖直附加力， 卸压法能解除竖向应力作用；其二是套壁径向约束 效应，可抵抗水平应力。开槽和套壁使井壁内部应 力发生重新分布，随着竖直附加力的增大以及NS 向水平应力的诱导而使井壁出现第2次破裂时，套 壁能很好地防止混凝土剥落。总之，卸压槽和套壁 共同承载着井壁变形。 2 卸压套壁法加固井壁破裂的工程实例表 明，井壁的水平侧压和竖直附加力均有较大幅度降 低，分别为18.3和31.5。 3 在采用卸压套壁法加固井壁后，井壁竖向 变形增加较快，而应力增长缓慢，说明在一定时间 和范围内是有效的。井筒通过修复加固，使井壁破 坏段得到了治理，消除了安全隐患。经过一段时间 的观测，其变形在安全范围内，但其长期效果有待 实践的进一步证明。 致谢致谢 本文的撰写得到了有关专家、教授的具体指 导与帮助以及淮北矿业集团海孜煤矿的大力支持， 特此感谢 参参 考考 文文 献献 1 崔广心，杨维好，吕恒林. 深厚表土层中的冻结壁和井壁[M]. 徐 州中国矿业大学出版社，1998 2 吕恒林. 深厚表土层中井壁的力学特性研究[博士学位论文][D]. 徐州中国矿业大学，1999 3 佟 强，李海燕，陈 通. 穿采卸压法维护软岩硐室[J]. 矿山压力 与顶板管理，1997，246～47 4 骆念海. 卸压法维护跨采巷道的研究[J]. 矿山压力与顶板管理， 1999，135～37 5 景海河，胡 刚，武 雄. 孔底爆破卸压法控制采区底鼓的数值模 拟研究[J]. 黑龙江矿业学院学报，2000，10411～14 6 吕恒林，张 强，蒙 勇等. 卸压法治理井筒结构破裂的数值模 拟[J].中国矿业大学学报，2001，302130～134 7 杨维好. 深厚表土层中井壁竖直附加力变化规律研究[博士学位论 文][D]. 徐州中国矿业大学，1993 8 杨维好，崔广心，周国庆等. 特殊地层条件下井壁破裂机理与防治 技术的研究之一[J]. 中国矿业大学学报，1996，2541～5 9 周国庆. 特殊地层注浆加固参数与井壁竖直附加力关系研究[博士 学位论文] [D]. 徐州中国矿业大学，1996 10 楼根达，苏立凡. 冲积层疏水沉降时的井壁受力分析[J]. 煤炭学 报，1991，16456～61 11 Ge Xiaoguang. 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