深厚冲基层圆形井筒水平地应力场初探.pdf

5 5 6 。 矿山建设工程技术新进展2 0 0 8 全国矿山建设学术会议文集 下册 添厚冲积层圆形井筒水平地应力墒初搽 陈红蕾 煤炭科学研究总院北京 1 0 0 0 1 3 摘要随着煤炭资源的开采和利用，冻结井筒深度越来越深。在冻结壁设计中，水平 地应力的分析和研究是非常重要的，是冻结壁设计的前提。本文对以往水平地应力的计算 方法进行了讨论分析。 ．； 关键词深厚冲积层水平地应力计算方法 T h eS t u d yo ft h eH o r i z o n I a lS t f e s so ft h eR o u n dW e Hi nD e e pA u v i u m C h e nH o n g l e i C 玩i 疗nC o n Z 尺P 5 P n r f J 咒s ￡i f “f f D 竹，B P 0 i ，2 9 ，l O O O l 3 A b s t r a c t W i t he x p l o i t a t i o na n du s i n go fc o a lr e s o u r c e ，t h ed e p t ho ft h ew e l lb e c o m e d e e p e ra n dd e e p e r ．T h ea n a l y s i sa n ds t u d yo ft h eh o r i z o n t a ls t r e s si sv e r yi m p o r t a n t ．T h e o l dm e t h o d so fh o r i z o n t a ls t r e s sa r ed i s c u s s e di nt h i ss t u d y ． K e y w o r d s t h ed e e pa l l u v i u m t h eh o r i z o n t a ls t r e s st h ec a l c u l a t e m e t h o d 随着煤炭资源的开采和利用，井筒深度越来越大，井筒穿过冲积层越来越厚。就目前施 工技术和方法来看，人工冻结施工技术是穿过深厚冲积层最有效的方法。表1 为近几年冻 结法凿井深度发展概况。 j 表l 近几年冻结法凿井深度表 年份名称冻结深度／m冲积层厚度／m净径／m 2 0 0 3 年 河南程村矿副井 4 8 54 3 05 2 0 0 4 年济西矿主井 4 8 84 5 7 ．84 ．5 2 0 0 4 年～2 0 0 5 年淮南丁集主井 5 6 55 3 07 ．5 2 0 0 5 年 巨野矿区龙固矿副井 6 5 05 6 7 ．7 7 2 0 0 6 年 巨野矿区郭屯矿主、副、风井 7 0 25 8 7 ．4 ／5 8 3 ．1 ／5 7 7 ．15 ／6 ．5 ／5 ．5 2 0 0 7 年在建安徽口孜东矿主井 7 3 65 6 8 ．57 ．5 筹建巨野煤田万福矿 7 5 5 ．3 在冻结法凿井设计与施工工程中，地应力的大小起到关键的作用。但是搞清楚地应力 的分布特征 特别是深厚冲积层的地应力分布特征 是非常困难的。本文首先总结了以往在 冻结法凿井设计中地应力的计算方法，然后根据本人地应力理解对以往在冻结法凿井设计 中，地应力的计算方法进行讨论分析。 其他 5 5 7 1 冻结法凿井设计中地应力的计算方法 1 ．1 平面挡土墙法 虽然深厚表土层中井壁均为圆筒结构，但是在计算地应力的水平外载p 。时，常用平面 挡土墙主动土压力公式 矿山井巷工程中称为“普氏公式” 。公式应用的前提假设为墙面垂 直，且光滑无摩擦力。 钆 r H t a n 2 4 5 0 一号 1 式中，．土的容重，N ／m ； H 预研究的土层深度，m ； 卜土体的内摩擦角，度。 1 ．2 重液地压公式 当前在深表土中常用的经验公式 以 K H 2 式中K 为重液公式系数，其值为1 ～2 ，一般取1 ．1 ～1 ．3 。 有些研究者认为K 为水土混合重液的密度，称式 2 为重液地压公式。 1 ．3 滑动圆锥体理论公式 井壁为圆筒结构，围土移动将形成滑动圆锥体，土若移动是向井心的，故在水平方向有 圆环挤压效应，垂直方向有成拱效应使地压值减小。前苏联的别列赞采夫于1 9 5 2 年提出了 筒形地坑壁上主动土压力空间问题的解析解 户。尔。 [ 一 鲁 卜1 ] q 含 1 ．。a n 4 5 。一詈 c c 洲[ 黔a n 4 5 。一詈 一] ㈥ 式中R 0 井筒掘进半径，m ； 一 忌 简化系数。A 2 t a n 庐t a n 4 5 。一号 ； 土体滑动线与地面交点的横坐标，R a R 。 H t a n 4 5 。一詈 ； g 一地面上的均布荷载，N ／m 2 ； C 土体的黏结力。 当地面外荷载q 和土体黏结力f 为零时，上式可转化为 胪承。≮挚[ ，一 耵] ㈤ 5 5 8 矿山建设工程技术新进展2 0 0 8 全国矿山建设学术会议文集 下册 2理论思想 2 ．1 含水层 砂层 受力分析 1 含潜水土层区 潜水是埋藏于地表以下第一个稳定隔水层以上的地下水，通常所见到的地下水多半是 潜水。在分析含潜水土层水平地应力时，由于水面上部是自由水面，自由水面到第一隔水层 上表面的高度 影响孔隙水压力M 比 m 5 式中～为水的比重。 孔隙水压力各个方向相等。 饱和土压力u 础 呀 “J I l l r 。， 6 式中 吁为土的侧压力系数，n 为干土比重， 。为自由水面到地表的高度，k ，为饱和水 的比重。 含潜水土层水平地应力d ； J “ o 7 2 含承压水土层区 承压水是充满于上下两个隔水层之间的含水层中的水。它与含水层中的土共同承受上 覆隔水层对其的压力。由于空隙水中的水压力包含隔水层对其的压力，所以明显增大，而空 隙水压力沿各个方向是相等的，所以孔隙水压力对水平地应力的影响明显增加。含承压水 的土一般为砂土，由于砂土泊松比小，弹性摸量大，所以其引起的水平地应力小。综上所述， 承压土层的水平地应力视具体情况而定。 2 ．2 隔水层 黏土层 受力分析 隔水层往往是黏土层，含水层往往是砂层。两种性质的土层做比较可以得出黏土层的 泊松比入大于砂层，而砂层的弹性模量E 大于黏土层。由此可见，砂层呈现刚性，黏土层呈 现柔性。两刚性的砂层夹一柔性的黏土层。在长期的地质形成作用下趋于稳定，柔性的黏土 层中积聚了大量的内能。井筒冻结和开挖影响了地层的稳定性，黏土层积聚的内能迅速释 放，水平地应力明显增大。 3 工程实例 某矿井在深度为1 9 7 m 时为黏土隔水层，该层黏土粘聚力2 0 4 K P a ，内摩擦角1 9 ．5 度， 黏土比重2 ．7 4 1 9 ／c m 3 。根据以往冻结凿井水平应力设计公式计算到的地应力值如表2 所示 表2 该层水平地应力计算值 设计公式平面挡土墙法重液地压公式滑动圆锥体理论公式 理论值2 ．6 4 3 M P a2 ．5 6 M P aO ．3 M P a 其他 5 5 9 一 蛊 篁 一 R 蹬 j { { } 蜷 在冻结壁内埋设压力盒，测量到的水平压力发展情况如图1 0 l O2 0 3 0 4 05 06 07 08 0 9 01 0 01 l O 1 2 01 3 01 4 01 5 01 6 0 1 7 01 8 01 9 02 0 02 1 0 2 2 02 3 0 2 4 0 时问，天 图1 该层水平地应力买测值 由测量结果可以看出本冻结工程在2 0 0 天左右停冻，停冻后进入化冻期。在化冻期， 在该黏土层中冻结壁对井筒外壁的水平压力大于3 M P a ，并有向上发展的趋势。此时压力 盒测量出的力主要是由于水平地应力作用在冻结壁上产生的蠕变引起的反作用力。而在停 冻后冻结壁温度上升，蠕变性能增大，水平地应力逐渐体现。可以看出在该层位，实际的水 平地应力明显大于由以往公式计算出来的水平地应力。 4 结论 在深厚冲积层中，由于地层条件的复杂性，各土层的水平地应力会出现突变，而由以往 的设计公式不能体现这种变化。因此，水平地应力的计算公式需要改进，并且对水平地应力 的研究需要深入。 ’ 参考文献 [ 1 ] 马英明．立井厚表土层地压的理论与实践[ J ] ．中国矿业学院学报， 1 9 7 9 ， 2 4 5 6 9 ． [ 2 ] 崔广心．深厚表土中竖井井壁的外载[ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 3 ， 5 2 9 4 2 9 7 ． 作者简介陈红蕾 1 9 8 1 一 ，男，2 0 0 6 年毕业于山东科技大学，现在煤炭科学研究总院 攻读硕士学位。 6 4 2 3 8 6 4 2 2 8 6 4 2 ●8 6 3 3 3 2 2 2 2 ●l l l O O 深厚冲积层圆形井筒水平地应力场初探深厚冲积层圆形井筒水平地应力场初探 作者陈红蕾 作者单位煤炭科学研究总院 北京 100013 本文链接 下载时间2009年9月22日