双卸压槽法修复破裂井壁机理分析.pdf

1 8 矿 业 工 程 M i ni n g En g i ne e r i n g 第 5卷第 5 期 2 0 0 7 年 1 O月 岩土工程 双卸压槽法修复破裂井壁机理分析 蔡 海兵 虞卓亮。 1 ．安徽理工大学 ，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ；2 ．金华锦绣建筑有限公司东阳分公司，浙江 东阳 3 2 2 1 0 0 摘要 介 绍了深厚表土层竖井井壁破裂机理 的研究现状 ，指出底部 含水 层疏水沉 降是导致井 壁破裂 的 主因，并通过 理论 分析 和数值模 拟 ，研究 了双卸压槽 法修复破裂井 壁 的机 理。并 将研究成 果应用于 山东某 矿副井井壁 的修复工程 ，实践表 明效果 良好 ，为井 壁破裂治 理提供 了参考依据 。 关键词 井壁破裂 ；双卸压槽法 ；数值模拟 ；修复 中图分类号 T D 3 2 2 ． 5 文献标 识码 A 文章编 号 1 6 7 1 8 5 5 0 2 0 0 7 0 5 0 0 1 8 一O 3 0 引言 黄淮地区的淮北 、徐州 、大 屯 、兖州 等矿 区 在深厚 表 土层的竖井 井壁 陆续发生 了破坏 ，其 破裂形 态基 本上 表现 为混凝 土成 片状 剥落 ，竖 向钢筋 受压 呈 向井 内屈 曲状态 ， 井壁混凝土破裂裂缝多呈 闭合状 。 目前 ，根据对国 内矿 井井筒 破坏 事例分 析 ，认 为导致 井筒破坏 的主要 原 因 1 疏水 沉 降地 层产 生 的竖 向 附加 力 ；2 构造力 ；3 非均衡开采 ；4 井壁施工质量 。 黄淮地 区上覆表土层 大体 上分为 4个含 水层 和 3个 隔 水层 或弱含水层 。其 中第 四含水层 底 含直接覆盖 于 煤系地层之上 ，是矿 井开 采时 主要 的补水 源。第四含 水层 因上有第三隔水 层 ，自然 状况下无水力联系 ，补给条件 差 。 随着矿 井的开拓 开采 ，第 四含水层 水位将 不 断下降 ，从 而 导致地层沉 降，作用 于井壁一 个 巨大 的竖 向附 加力 。该 力 是 当前井壁破裂机理 的主因，为众 多专家和学者所接受 。 1 卸压槽作用机理 卸压槽是沿井壁周 边在井壁 内开切的一个水平环状槽 ， 用 以释放 和衰减作 用于井壁 上 的竖 向附加 力 ，保证 井筒 的 安全 。根据预计地表 下沉量 、水文地 质条件 、卸压槽 的变 形特性 、施工工艺和井 壁参数 ，经计 算确 定卸 压槽 的合理 位置 、数 量以及开切高度 。 2 卸压槽 尺寸设 计 卸压槽尺寸设计主 要是卸压 槽 的高度设 计 ，其 高度取 决于井壁 自身的竖 向弹性压缩变 形量 A和卸 压槽 内充填 可 缩性材料的可缩量 B，【 ，为根据 预计 的地 层沉降 量换 算得 到的井壁将 被压缩 量 ，即井壁的可缩量要满足式 1 【 ， ≤AB 1 收藕 日期 2 0 0 7 0 3 2 4 作者简介 蔡海兵 1 9 8 O 一 ，男 汉族 ，安徽安庆人 ，安徽理工 大学土木工程 系 2 0 0 1级研究生 ，岩土工程专 业，主要从 事地下 工 程仿真技术 的研究 。 2 ． 1 地层沉降量计算 2 ． 1 ． I 失 水 变 形机 理 人为造成含水土层失 水的原 因主要有 人工 抽水和工 程 活动造成的含水层泄水 。但 这两种情 况引 起土层 压缩 的机 理 ，都 是由于含 水层 的地 下水位 下降 ，土层 内孔 隙水压 降 低 ，使土颗粒 间应力 即有效 应力 增加 的结果 。 假设地表下某 深度 z处地层 总压 力 为 p、有 效应 力为 、孑 L 隙水压力为 “ ，据 T e r z a g h i 有效应力原理 P一 “ 2 在有水 位下降时 ，孔 隙水压力 减少 ；一般假定 土层 所 受 的总应力保持 不变 ，于是有 户一 a -- Au “ --Au 3 式 3 表 明，孑 L 隙水压力减少 而有效 应力增加 。有效 应力的增加可归结为两种作用 1 水位下 降减少 了含水层 土颗粒之间的浮托力 ；2 由于水头压力 的改变 ，土 层中产 生水力梯度 ，由此导致渗透压力的产生。 含水 层中浮托 力及渗透压 力 的改变 ，导致 土层 产生压 密或膨胀 。多数情况 下压密或 膨胀 属于一 维变形 ，压密 的 时间延滞效应与土层 的透水性有关 。 松散含水层水位下 降导致土 骨架发 生压 密 的过 程 ，是 土力学范畴的一种 固结 过程 ，即饱 和土孔 隙水压 的逐渐 消 失 和在外荷载作用 下 的逐 渐压 密作用 。一般认 为 ，固结 由 主、次 固结组成 。计算这 种压 力 的模 型较 多 ，根据模 型所 反映 的土 层 固结特 征 ，常 用太 沙基 和 比奥 b i o t 固结理 论 。 2 ． 1 ． 2 比奥 固 结理 论 太沙基固结 理论 只 在一 维 情况 下 是精 确 的 ，对 二维 、 三维并不精确。比奥从 比较严格的固结理论 出发推导了准 确反 映孑 L 隙压力 消散 与土骨 架变形 相互关 系 的三维 固结方 程 ，一般称为 “ 真三维 固结理论” 。 对于平面变形 问题 ，比奥 固结方程 为 一 G e 出 au 0 一 G 2 塞 一y 鲁 。 4 维普资讯 2 0 0 7 年第 5期 蔡海兵等 双卸压槽法修 复破裂 井壁机理分析 1 9 式 中e 一 警 ， 为 体 应 变 ； 一 垂 蓦， 为拉普拉斯算子 。 根据上述偏微分 方程组 ，可专 门编制 土层 固结沉 降大 变形有 限元计算程 序对 地表沉降进行计算 。 2 ． 2 卸压槽设计的优化 对井壁结构 中设 置一道 还是二 道卸压槽 也是 井壁 修复 工程 中一个关 键的问题 ，对其修复效果起着决定性 的作用 。 井壁结构属地 下构 筑物 ，地 层与地 下结构 共 同作用是 其受 力的一 大特 点 。由于井筒与地层的共 同作用 问题 比较复杂 ， 采用 理论 解析法需要做许 多简 化 ，以致 无法 透彻和 较为 真 实地 了解 井壁 与地 层共 同作用 的力学 机理 。而数值 分析方 法是 研究 该问题的一个 强有力 的理论 分析 方法 。井 筒与 地 层共 同作用 是一个 空 间轴对称 问题 ，故 此 ，采 用 了大型通 用土木工程计算软件 2 Dd ，对上 述问 题进 行了有 限元 弹 塑性 数值模 拟分析 。 2 ． 2 ． 1 力 学模 型 视井筒与地层为空问轴对称 问题 ； 按山东某矿副井地质柱状 图分层模拟 各主要地层 ， 同一地层 为各 向同性体 ； 用底含层受到 的相 应有效 应力 增量 值等效 模拟 底 含水头下降 ； 井壁与地层材料特性为弹 塑性体 ，且满 足 Mo h r C o u l o mb屈服 准则 。 2 ． 2 ． 2 计算模型及参数 该井主要计算 参数 表 土层 厚2 4 0 m；井 筒 内半径 R 。 一3 ． 6 m；外半 径 R 。 一4 ． 9 5 m；壁 厚 1 ． 3 5 m；混 凝 土 强度 C 3 0 C 4 0 ；研究域 径向半径 R一3 6 ． 8 5 m。 2 5 4 0 7 0 96 1 4 0 2 1 6 2 40 2 5 9 图 1 计算模型 图 图 2 计算网络及边界条件 地层与井壁采用 8节点 等单元 ，井筒 与地层 的接 触 面 采用 S h a r ma等接点 j o i n t 模型 ，其主要特点是使 用 了基 于二维位移节点等参数 曲线元素。 计算域划分 l 6 8 3 个等单元 ，总计 5 2 8 2 个 结点。 计算模 型边界 条件 地表 为 自由边 界 ；左右边 界 为水 平方 向约束 ；底边 为垂直方 向约 束。 2 ． 2 ． 3荷栽条件 如前所述 ，用载荷模 拟含 水层疏 水 压缩 。根据 土力 学 原理 ，作用在 土体 骨架上 的有效 应力取决 于总 应力 和孔 隙 水压力 ≈O ． 0 l H 一 a-- a-- 0 ． 01H 5 式中 H 水头高度 ，m。 底含疏水 时 ，土体的有效应力变化 为 △ 0 ．01 AH 6 式 中 △ H 底含水 头变化值 ，m。 因底 含失水后 ，主要是 底 含 自身的 固结压缩 ，所 以为 等效底 含失水后的有效 应力变 化 ，计算 时将对 应 的有效 应 力增 量 △ 施加在底 含顶 面上 。 2 ． 2 ． 4井 筒工 况模 拟 分两个计算模型分别模拟分析 模型 l 计算底 含水 头 下降 4 0 m时 ，开切 一道 卸压槽 时井壁的受力状况 ； 模型 2 计算底 含 水头 下降 4 0 m时 ，开切 二道 卸压槽 时井 壁的受力状况 。 通过在井筒 中开切 卸压槽 后 ，井壁 中的竖 向应 力大 幅 减小 ，通过验算表 明，井壁则 可免 遭破 坏。而开切 二道 卸 压槽 比开切一道卸压槽 卸压效果更 均匀 见 图 3 ，井壁 的 安全性更 好 。另外开 切二道卸 压槽 ，可克服 单卸压 槽竖 向 变形量小 、后期卸压效 果不 明显 的弊端 ，从 而使修 复治 理 工作达到一劳永逸 的 目的。 0 -2 0 0 0 重_ 4 0 0 o 一 60 0 o 旧一 80 0 0 1 0o 0 o 一1 2 0 0 0 累深 ， m 高 Q 2 0 o 2 5 o 3 ＼ ＼V ＼ - 二道卸压槽 啼 一道卸压槽 图 3 开切一 、二道 卸压槽时井壁中竖向应力变化情况 2 ． 3 卸压槽尺寸计算 卸压槽设 计高度按式 7 计算 hk ／ △ 7 式 中 卸压槽 设计 总 高度 ； 考虑井 筒地 质条件 不定性 的安全 系数 ，取 1 ． 2 ～l ， 5 ； 计算地 表下沉 量 ； △ 卸压槽充填材料可缩 比。 3 工 程 应 用 山东某矿设 计 年 产 量 为 6 O万 t 。其 副 井设 计 净 直 径 5 ． 0 m，表土层厚 1 6 6 ． 9 m，表 土段为 混凝 土井壁 ，内、外 壁厚 皆 为4 5 0 mm，表 土段 下 部 井 壁 中 内、外环 筋 O1 8 3 0 0 ，竖筋为 O2 o 3 0 0 。2 0 0 6年 5月对 副井井筒 进行检 查 过程中发现副井在累深 1 6 5 ． 0 ～1 6 8 ． 2 m处 ，井 壁出现环 状 破坏 带 ，破坏段高约3 ． 0 m、井壁 处于表土与基岩附近 。 对此进行了 “ 竖让横 抗” 的双 卸压槽 井壁 修复 ，分 别 于累深 1 3 0 ． 3和 1 6 5 ． 0 m各 开 切一 道环 向卸压 槽 ；于累深 1 6 5 ． O ～1 6 8 ． 2 m处 ，架设 1 6道 [ 2 O槽钢井圈，破壁注浆 段高2 0 m，共分两段 ，上段从累深 1 2 8 ． O ～1 3 3 ． 0 m，下段 从 累深 l 5 8 ． O ～1 7 3 ． 0 m。成功修复后 ，副井 井筒运 行状况 维普资讯 2 0 矿 业 工 程 第5 卷 第5 期 良好 。 参考文献 [ 1 ] 张印等 ．深厚表土层中的井壁破裂与治理 ． 青岛建 筑工 程学 院学报 ，2 0 0 1 2 ． E 2 ] 崔广心 ．特殊地 层条 件竖井 井壁 破 裂机理 ． 建井技 术 ， i 9 9 8 2 ． E 3 3 刘希亮等 ．特殊地 层井 壁破裂粘 弹性数 值模 拟研究 ． 焦作 工学院学 报 ，1 9 9 9 3 ． [ 4 ] 张世芳 、杨小林 ．深厚表土矿井建设技术 ．北 京煤炭工业 出版社，2 0 0 2 ． [ 5 ] 龚 晓南 ．高等土力学 ．杭州 浙江大学出版社 ，1 9 9 8 ． M e c h a ni s m a n a l y s i s o f Do ub l e Pr e s s u r e -- r e l e a s e Tr o u g hs M e t h o d t o r e p a i r t he b r o k e n wa l l o f v e r t i c a l s h a f t CAI Hai - bi ng ． YU Zhu o - l i a ng 2 1 ． A n h u i Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o gy ， H u a i n a n 2 3 2 0 0 1 ； 2 ． J i n h u a J i n x i u Ar c h i t e c t u r a l Co mp a n y Do n g y a n g b r a n c h，Do n g y a n g 3 2 2 1 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t Th e r e s e a r c h s t a t u s o f wa l l b r e a k me c h a n i s m o f v e r t i c a l s h a f t h a v i n g d e e p o v e r b u r d e n i s e x p l a i n e d ． I t i s p o i n t e d o u t t h a t d e wa t e r i n g o f wa t e r b e a r i n g s t r a t a a t b o t t o m o f s h a f t i s ma i n r e a s o n f o r s h a f t wa l l b r e a k ． Th e me c h a n i s m o f r e p a i r i n g b r o k e n wa l l o f s h a f t u s i n g Do u b l e Pr e s s u r e --r e l e a s e Tr o u g h s Me t h o d i s s t u d i e d t h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s＆ d a t a s i mu l a t i o n ． Th e r e s u l t s o f s t u d y a r e a p p l i e d t o r e p a i r e n g i n e e r i n g o f b r o k e n wa l l o f a a u x i l i a r y s h a f t i n S h a n d o n g p r o v i n c e ，a c h i e v i n g g o o d p e r f o r ma n c e ． Th e s u c c e s s f u l p r a c t i c e p r o v i d e s r e f e r e n c e b a s i s f o r s i mi l a r c a s e s o f b r o k e n wa l l r e p a i r ． Ke y wo r d s wa l l b r e a k o f ve r t i c al s ha f t ； Dou bl e Pr e s s u r e -- r e l e as e Tr ou gh s M e t hod； da t a s i mul a t i o n； r e pa i r - ．- - ．- ◆ 2 0 0 8年 矿业快报征订启事 矿业快报 杂志创刊 于 1 9 8 5年 ，是经 国家新 闻出版署批 准公开发行 ，中钢集 团马鞍 山矿 山研 究院主 矿业类科技期刊 ，中 国核心期刊 ，中国学术期 刊、万 方数据一数字化期刊群全文收 录期 刊。主要 报道 内容 外重大科技方针和产业政策 ；国内外采 、选 、综 合利用 、环保等专业 的技术进展情况 ；现场 实用技术 ；新 各 、新产 品的开发 与应用 ；矿业数据 ，国家矿 山在建 、拟建项 目信 息 ，市场动态 ，专利简介 ，供求信 息等 了大量 的行业数 据和项 目信息 ，文章 内容贴近现 场实际生产 ，实用性强 。 一 ⋯ 、 ● ● ● ● ● 办的全国性 近 期 国 内 技术、新设 ； 。刊物汇集 矿业快报为月刊 ，国际标准大 1 6开 ，国际标准刊号 I S S N 1 0 0 9 5 6 8 3 ，国 内统 一刊号 CN 3 4 1 2 2 6 ／ T D，邮发 代号 2 6 1 9 6 ，每期定 价 1 0 ． 0元 ，全年定 价 1 2 0 元 。读 者可到当地邮局或直接在编辑部订 阅。 矿业快报 设 计印刷精美 ，质量上乘 ，辟有广告业 务 ，价格合 理 ，广告售 后服 务周 到，是您在矿 山行业 树立 品 牌 、扩大产品影响的最佳选择 。广告 客户除获得我们提供 的产 品推 荐 、项 目咨 询等信息 服务外 ，还 可在 中国矿 业 1 1 4 网站上进行同步宣传 。 地 址 安 徽 省 马 鞍 山 市 湖 北 路 9 号1 5 8 信 箱 2 4 3 0 0 4 ； 电 话 o 5 5 5 2 4 0 4 8 0 9 ； 传 真 o 5 5 5 2 4 7 5 7 9 6 ； ； E ma i l z g k y l 1 4 1 2 6 ．c o m；网址 W WW．k y l 1 4 ．c n 矿产 综合利用 双月刊 2 0 0 8年征订启事 矿产综合利用 杂 志是 经 国家科 委批 准 ，由中 国地 质科 学 院成都 矿产 综 合 利用 研 究所 主 办 的矿业 科 技刊 物 ， i 1 9 8 0 年 创 刊， 国 内 外 公 开 发 行。 1 9 9 2 ～ 2 0 0 0 g i g N NA N N 中 文 核心 期 刊。 主 要 报道国 内 矿 产 综合 利 用科 研 成 - ．1 ． ．1 ． ． - ． - ．1 - ．1 ． ．1 ． ．1 ． ．1 ． ．1 ● ， ． ．- ◆ 维普资讯