孟立波

(山東科技大學(xué)土木建筑學(xué)院，山東青島 266590)

0 引言

我國是產(chǎn)煤大國，也是煤炭消費的大國，井筒是礦井最重要的工程構(gòu)筑物，是礦井生產(chǎn)的咽喉要道，因此保障井筒的正常運行對礦業(yè)生產(chǎn)的安全進行意義重大。確定井壁荷載是井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提和基礎(chǔ)，通過實踐表明傳統(tǒng)井壁荷載方法對井壁荷載確定不夠準確，尤其是對西部深厚弱膠結(jié)軟巖地區(qū)缺乏合理的設(shè)計依據(jù)。

主要表現(xiàn)為:

1)傳統(tǒng)荷載設(shè)計值偏大，井壁荷載隨著井筒深度線性增加并且不適用?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)方法計算值明顯大于現(xiàn)場實測值。

2)傳統(tǒng)計算方法對巨厚軟巖不適用性。實際計算過程中大多采用土層相關(guān)計算公式，所求荷載過于保守。

3)傳統(tǒng)計算方法難以確定與荷載計算相關(guān)的工程地質(zhì)參數(shù)。

因此本文基于波蘭井壁荷載設(shè)計方法，通過煤礦監(jiān)測數(shù)據(jù)對其進行修正，得出了適用于中西部地區(qū)弱膠結(jié)軟巖的井壁荷載設(shè)計公式。

1 計算公式

現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明，作用在井壁上的荷載并不是隨深度不斷增長的，當(dāng)超過一定深度后，井壁荷載基本保持不變。因此，本文將井壁荷載分為三部分:零荷載段、荷載增長段、荷載穩(wěn)定段，相應(yīng)的有臨界深度和極限深度。在臨界深度以上荷載較小，可以忽略不計，為荷載零段;在臨界深度以下至極限深度為荷載增長段;極限深度以下為荷載穩(wěn)定段。

1.1 臨界深度的確定(Zkr)

對致密巖層:

對松散地層:

其中，Kk為巖石結(jié)構(gòu)削弱系數(shù)，取決于地層厚度h。

其中，Kp為應(yīng)力集中系數(shù)，Kp=Kp1Kp2Kp3，Kp1為應(yīng)力集中系數(shù)，用于非爆破法施工時取2.0，爆破法施工時取3.0;Kp2為應(yīng)力集中系數(shù)，與計算截面距馬頭門距離有關(guān)。當(dāng)計算截面距離馬頭門頂板距離小于3D1時取1.5，其他位置取1.0(D1為馬頭門等效直徑);Kp3為應(yīng)力集中系數(shù)，與掘砌支護時間有關(guān)，當(dāng)在井壁圍巖開挖后24 h內(nèi)完成井壁支護時取1.0，72 h內(nèi)取0.7，按線性差值取用;為巖石單軸抗壓強度;為巖土體有效內(nèi)粘聚力;φ′(n)為巖石有效內(nèi)摩擦角;為計算截面上覆巖層容重加權(quán)平均值;ηγ為當(dāng)巖土體泊松比 γ≤1/3時 ηγ取1.0，當(dāng) γ ＞1/3時，ηγ=(1 － γ)/2γ。

1.2 極限深度的確定(Zgr)

對于松散巖層，無極限深度，即認為井壁荷載處于增長段，無穩(wěn)定段。

對于致密巖層:

其中，γm為材料相關(guān)的安全系數(shù)，取 0.7 ～0.9。

1.3 不含水地層井壁荷載計算

零荷載段:

荷載增長段:

荷載穩(wěn)定段:

若計算截面深度Z＞800 m，采用式(7)計算出的井壁荷載需放大10%。

其中，R(n)rs為巖石抗拉強度;n為荷載系數(shù)，n=n1·n2·n3;n1為當(dāng)?shù)貙觾A角小于30°時，n1=1.0，當(dāng)?shù)貙觾A角大于30°時，n1=1.25;n2為當(dāng)計算截面距離馬頭門距離小于3D1時，n2=1.5，否則取n2=1.0(D1為馬頭門截面等效直徑);n3為與井筒直徑相關(guān)的荷載修正系數(shù)，可表示為為井筒等效直徑)。

1.4 凍結(jié)法施工時外層井壁荷載計算

凍結(jié)法鑿井外壁掘砌期間，有外層井壁單獨承受所需的支撐壓力和凍結(jié)壓力，外層井壁荷載可按照式(8)計算:

其中，rz為井筒荒徑;dm為凍結(jié)壁厚度為凍土單軸抗壓強度。

1.5 含水地層井壁荷載計算

含水地層井壁荷載可看作為由水壓產(chǎn)生的荷載與巖土體對井壁荷載之和，即:

井壁荷載p可按1.3節(jié)公式計算，但需將內(nèi)摩擦角、內(nèi)粘聚力替換成等效內(nèi)摩擦角和等效內(nèi)粘聚力。同時需要將巖土體重度替換為等效重度。

水壓荷載pw可按照式(10)計算:

其中，nw為水壓荷載折減系數(shù)，對于凍結(jié)法施工外壁承載力計算時取1.0，對完全隔水地層取0.1，對與含水層以上相鄰的地層，應(yīng)視地層隔水情況取0.1～0.2，當(dāng)隔水效果好時取小值。此外，當(dāng)?shù)貙訚B透系數(shù)小于井壁的滲透系數(shù)時，所取的折減系數(shù)不能大于0.2;γw為水重力密度，一般取1×104N/m3;hw為含水層水頭高度。

2 實例分析

為了對比分析采用修正后的波蘭井壁荷載計算公式的實用性，以胡家河礦區(qū)某井筒為例，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對該計算公式進行對比驗證分析。井筒荒徑為9.6 m，設(shè)計深度為620 m，穿越地層為:

侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)、華池組(K1h)及第四、三系地層(Q+N)，主要穿越地層為典型的富含水弱膠結(jié)軟巖地層。

井筒建造過程中，在160 m，260 m，410 m，570 m地層分別埋設(shè)土壓力傳感器、水壓力傳感器、鋼筋應(yīng)力傳感器和溫度傳感器。平面布置圖如圖1，圖2所示。

圖1 測量儀器布置圖

對比分析傳統(tǒng)計算公式、改進后的井壁荷載計算方法、現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 測量儀器平面布置圖

表1 三種計算方式對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，采用本文公式后，所求井壁荷載與井筒實測數(shù)據(jù)較為接近。而采用傳統(tǒng)井壁荷載設(shè)計方法將弱膠結(jié)軟巖采用巨厚表土層相關(guān)公式進行分析，求得的井壁荷載明顯偏大?？梢?，新的公式對弱膠結(jié)軟巖地層是可行的。

3 結(jié)語

基于波蘭井壁荷載設(shè)計方法，對其公式進行了修正，得出了適用于弱膠結(jié)軟巖地層的井壁荷載設(shè)計方法。以胡家河礦區(qū)風(fēng)井為例，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證了該計算公式是可行的。主要得出如下結(jié)論:

1)在弱膠結(jié)軟巖地區(qū)，井壁荷載并不是隨著深度而無限增長的，存在著一個極限深度，當(dāng)井筒超過極限深度時基本保持不變。

2)采用傳統(tǒng)巨厚表土層荷載計算公式進行弱膠結(jié)軟巖地層井壁荷載求解，所求荷載明顯偏大，是不適用的。

3)通過現(xiàn)場的測試數(shù)據(jù)分析表明，將作用在井壁上的荷載隨深度劃分為零荷載段、荷載增長段、荷載穩(wěn)定段的設(shè)計方法，是可行的。

4)導(dǎo)出了求解弱膠結(jié)軟巖地層的井壁荷載設(shè)計公式。通過胡家河礦區(qū)風(fēng)井驗證分析該設(shè)計公式是安全可靠的。

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