超深立井围岩压力测试与分析.pdf

第 17卷第 3期 土 工 基 础 Vol.17 No.3 2003年 9月 Soil Eng. and Foundation Sept. 2003 收稿日期2003-01-09 作者简介王渭明，男，48 岁，博士，山东科技大学教授，主要从事岩土力学与工程方面的教学和科研工作。 超深立井围岩压力测试与分析 王渭明 ， 孔 亮 山东科技大学， 271019 摘 要 以两立井围岩压力的长期监测为工程背景，介绍了超深立井全方位监测系统的测点优化布置方法通过大量的测 试数据分析，提出了超深立井围岩压力分布规律的量化参数和经验公式，给出了任意荷载作用下的井壁应力函数，构成了由 实测围岩压力推出井壁应力的系统公式。给出了井筒开挖端位移释放函数，为井筒临时支护设计提供了依据；提出由实测立 井围岩压力反算原岩应力的模型，拓宽实测数据的应用范围。 关键词 超深立井， 围岩压力， 分布模型， 监测 中图分类号 TD 321 文献标识码 A 文章编号 1004-3152200303-0078-03 1 前 言 立井是矿山地下工程与地面联络的咽喉要道， 是矿山建设的首建重大工程。立井围压力是指井筒 周围岩体作用于井壁上的压力，是井壁结构设计不 可缺少的重要参数。但围岩压力分布问题至今未得 到根本解决。 上世纪 50 年代以后， 在我国较流行多 种估算方法。例普氏方法普逻托迪雅柯诺夫方法、 秦氏方法秦巴列维奇方法、萨氏方法萨乌斯托维 奇方法等等。 这些方法在一定程度上反映了立井围 岩压力的分布特点，但计算结果普遍偏大。 1980 年前后， 国内开始提出千米深井井壁结构 设计问题，围岩压力的确定是问题的关键。为了解 决此问题，我们在孙村煤矿和石集煤矿两立井进行 了十余年的监测与研究，取得了一系列的资料，现 将有关成果内容部分介绍如下。 2 孙村煤矿千米立井围压测试方案 2.1 基本情况 井筒净直径 6.5m，设计深度1230m。井筒穿越 表土为第四系黄土，厚 2.5m，风化带厚 44.7m ； 无含水层。往下是 900 多米的第三系侏罗系红色砂 岩，其单向抗压强度分别为 7.849.8MPa 和 17.64 34.3 MPa，岩层暴露后容易风化、吸水软化、膨胀 和崩解、自稳性差。 2.2 千米立井围岩压力监测方案设计 全井筒设置了九个测区见图 1，每个测区布置 45 个测点，每点埋设 2 个压力传感器、1 个应变 传感器。采用微机控制，巡回检测仪器系统，定期 采集数据并自动保存，见图 2。 图 1 千米立井测点布置图 注带“ ”的测点为赋闲或补偿点 3 石集立井围压测试方案 为了比较和互相检证，选择地层条件与上述地 点相似的石集煤矿进行测试。 3.1 基本情况 井筒净直径 6m，设计深度 440m。井筒穿越第 四系、侏罗系、石炭二迭系等地层。第四系为表土、 冲击层，厚 7m，无含水层；侏罗系岩层以泥质中 砂岩又称红层为主，其胶结程度低，见水软化， 略有膨胀，层厚 141m。往下为粉砂岩、中砂岩、 粘土岩等，岩体均较破碎，强度低、自稳性差。 第 3 期 王渭明等超深立井围岩压力测试与分析 79 3.2 石集立井围岩压力监测方案 此井筒采用与上述相同的试验设计方法，根 据本井筒的地质特点，分别在垂深 171m、214m、 273m、320m、421m等六个井筒断面岩内布置了测 点。 图 2 立井测试系统示意图 4 综合研究成果 经过两个立井围岩压力和井壁应变的监测结 果综合分析，初步掌握了超深立井围岩压力的分布 规律，并利用测试压力反算了矿区的原岩应力，以 下是一些基本成果。 4.1 立井开挖端位移释放函数 通过测试数据分析和数值模拟，提出了立井开 挖端位移释放函数 s 1 s ab uue − −   1 式中， u 为允许围岩自由释放的最大位移；b 为井筒 半径； us为 s 点释放的位移； s 为测点到开挖端的距 离；a 为经验系数，与围岩性质有关，由两测试立 井得a0.30.5。 该式可用于确定井筒的允许裸露距离和临时 支护时间。 4.2 矿区超深立井围岩压力分布规律 1 围岩压力沿环向是非均布的 为 了 表 达 其 分 布 的 非 均 匀 程 度 ， 令 Pmax/Pmin， 其中 称为围岩压力分布不均匀系数； Pmax和 Pmin分别表示同测区最后测到的最大和最小 环向围岩压力。大量的测试数据分析表明，该系数 与岩体性质密切相关。通常是岩体强度越低、稳定 性越差、围岩压力环向分布曲线越偏平、 越大。 表 1 为各测区围岩压力趋于稳定时的 值。 表 1 测区围岩压力分布不均匀系数 测区号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 16.3 4.5 4.0 2.7 2.6 2.5 3.9 4.9 4.1 2 深度对立井围岩压力的影响虽不如岩性那 么显著，但存在围压随深度增大的总趋势。图 3 表 示石集立井 4 个不同阶段水平向围岩压力均值随深 度变化的曲线。 图 3 立井围岩压力均值随深度变化曲线 3 求得了立井围岩压力计算的经验公式 1/6 0123 4 ln10/ tg45 4 pbbHbRb s b θ 2 式中，p 为围岩压力kPa； lnH 为对深度取自然对 数；b0b3为回归系数；R 为岩石单向抗压强度 MPa；s 为开挖端约束长度m，0＜s≤25 ； 为方位角，以岩层倾向轴为参考线，考虑对称 性，0≤≤180。 4.3 推出了任意荷载作用下的砼井壁应力函数 2 123 1 4 , cos1,2,3, ii iiiii i rc rc rcr c rii ϕθξ θ − ⋅⋅⋅ 3 式中，; 1/ln{irrr i ξ}, 3 , 2/ 2 ⋅ ⋅ ⋅ − iri；cij为 待定系数j1～4。 以式3 为应力函数；将围岩压力函数按富氏 级数展开，并作为边界条件，进而求出井壁应力， 计算井壁厚度。 4.4 求得了两矿区的原岩应力 将实测的围岩压力分布函数展开富氏级数，对 井壁和围岩作应力、应变和位移分析，推出井壁与 围岩接触面上的位移算式；又以原岩应力为基本未 知量，推出井壁与围岩接触面的位移和原岩应力的 关系；再建立在原岩应力作用下，由于开挖引起的 围岩表面的最大位移与测试元件能够测量到的位移 之间的关系。这三组方程联立求解，即可求出原岩 应力[2]。 由两立井实测围岩压力反算的各不同深度水 平的原岩应力，见表 2。由实测立井围岩压力反算 原岩应力模型的提出和应用，为后面大量的工程稳 定性分析、加固设计提供了原岩应力，使实测数据 得到了进一步的开发利用；又为原岩应力的确定提 供了新的途径。 土 工 基 础 2003 80 表 2 由两立井实际围岩压力反算出各水平原岩应力 垂直深度m 2 MPa 3 MPa a 171 2.1931 1.0788 - 4.8 214 3.1844 1.5691 - 4.8 273 4.2307 2.4351 - 4.8 320 4.9926 2.9311 - 4.8 375 5.8313 3.5816 - 4.8 石集立井 421 6.3729 4.1821 - 4.8 710 13.2280 4.9994 28.5 921 17.9235 8.6742 28.9 孙村立井 965 23.9734 9.4023 28.2 注1为自重应力；a 为岩层倾向与 2的夹角。 5 结 论 1 用正交设计方法布置立井测试系统的测 点，可以做到用最少的测点获取最多的有用信息， 两立井测试实践表明这种测试方案与传统方法相 比，可以节约大量的测点、测试时间和经费，大大 提高了测试效率和测试数据的利用率。 2 本文给出的立井围岩压力经验公式及其反 算出的原岩应力，适用于本矿区或地质条件相似的 其它矿区的立井围岩压力计算和巷道的围岩应力分 析。 参 考 文 献 [1] 王渭明. 论立井地压监测点优化布置[C]. 水电与矿业工程中的岩 石力学问题论文集. 科学出版社，1991，10666-672. [2] 王渭明，张 力. 立井地压反算原岩应力问题的初步研究[C]. 21 世 纪的岩土力学专题讨论会. 华中理工大学出版社， 1995， 10 351-357. The Measurement and Analysis of Surrounding Rock Pressure for Extra Deep Shaft WANG Wei-ming ， KONG Liang Shandong Poly Tech. Univ., Shandong 271019, China Abstract Based on long term observation in this paper, some useful ula and function ware presented, wherefrom model for surrounding rock pressure calcation to established, so the applicability of observed data can be extened. Key words extra deep shaft, surrounding rock pressure, distribution model, inspection 上接第 32 页 The Application of Concrete Rigid Short Piles in Reinforcing Soft Composite Subgrade CHEN De-chun1 ， LIU Zu-de2 1. Hubei Constr. Sci. Res. 2. Wuhan Univ., Wuhan 430072, China Abstract An effective foundation reinforcement for the geological condition ed by layered thin soft clay is presented in this paper. Such a is proved to be easy to work and cheap in price, it mechanism is clear and the settlement control effect is obvious. A practical example is attached in this paper too. Key words rigid short pile, composite foundation, reinforcement of soft subgrade