易四海

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

井筒采動(dòng)損壞評(píng)價(jià)方法

易四海

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)井筒的采動(dòng)損壞缺乏定量的評(píng)價(jià)方法，井筒的采動(dòng)設(shè)計(jì)與保護(hù)容易產(chǎn)生安全隱患。為此，通過(guò)總結(jié)井筒采動(dòng)變形、破壞的形式和特點(diǎn)，并根據(jù)井壁破壞與圍巖變形的關(guān)系，主要針對(duì)混凝土、鋼筋混凝土井壁，建立了科學(xué)可行的井筒采動(dòng)損壞評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)：以井壁與圍巖的豎向變形關(guān)系為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別建立了表土、基巖段井壁豎向壓縮(拉伸)變形破壞的計(jì)算公式。通過(guò)井筒采動(dòng)損壞實(shí)例分析，印證了該評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)的可靠性。研究成果解決了井筒采動(dòng)損壞的安全性評(píng)價(jià)問(wèn)題，為井筒煤柱開(kāi)采的安全設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)保障。

井筒 采動(dòng)損壞 安全 評(píng)價(jià)方法 指標(biāo)

礦井井筒是聯(lián)系地面和地下巷道的生產(chǎn)中樞系統(tǒng)，其安全性歷來(lái)都是礦井安全生產(chǎn)保護(hù)的重中之重。但由于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)井筒的采動(dòng)損壞規(guī)律研究不足，尚無(wú)明確的采動(dòng)損壞評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是缺乏井筒采動(dòng)損壞的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，在進(jìn)行井筒采動(dòng)損壞鑒定或保護(hù)煤柱開(kāi)采設(shè)計(jì)時(shí)多依賴現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，以定性分析或判斷為主[1-4]，致使采動(dòng)損壞鑒定過(guò)于片面主觀，保護(hù)煤柱開(kāi)采設(shè)計(jì)也往往缺乏科學(xué)根據(jù)，這就給井筒保護(hù)帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。

因此，有必要根據(jù)井壁破壞與覆巖變形的關(guān)系，建立井壁采動(dòng)損壞的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，以解決井筒采動(dòng)損壞的安全性評(píng)價(jià)問(wèn)題，為井筒煤柱開(kāi)采的安全設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)保障。

1 覆巖移動(dòng)變形對(duì)井筒的影響

地下開(kāi)采引起的覆巖移動(dòng)和變形，對(duì)構(gòu)筑于覆巖內(nèi)部的井筒將產(chǎn)生影響，這種影響一般是通過(guò)圍巖與井壁之間的緊密接觸相互作用產(chǎn)生的?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，采動(dòng)引起的巖層移動(dòng)可使巖體內(nèi)的井筒井壁遭受豎向壓縮(拉伸)變形和破壞、偏斜變形、水平斷面變形和破壞、錯(cuò)動(dòng)破壞等采動(dòng)損壞[1-2]。

大量井筒破壞實(shí)例表明，在這些井壁變形、破壞形式中，以豎向變形、破壞最為常見(jiàn)，這與井筒為豎向線性構(gòu)筑物的特點(diǎn)有關(guān)。由于井筒豎向比較長(zhǎng)，采動(dòng)豎向附加力累積比較大，容易超過(guò)井壁的豎向承載力而致井壁破壞。因此，對(duì)井筒的安全評(píng)價(jià)應(yīng)以井壁與覆巖的豎向變形關(guān)系為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 井壁破壞與覆巖變形的關(guān)系

井壁受開(kāi)采影響的損害程度主要取決于井壁與覆巖的黏結(jié)性能、覆巖變形值的大小、覆巖組合的力學(xué)結(jié)構(gòu)和井筒本身抵抗采動(dòng)變形的能力等因素。由于井壁與表土、基巖的黏結(jié)性能差異較大，為此，將對(duì)表土、基巖段井壁破壞與覆巖變形關(guān)系分別論述。

2.1 基巖段井壁破壞與覆巖變形的關(guān)系

對(duì)于基巖內(nèi)的井壁，由于井筒井壁的外表面是一凹凸不平的混凝土結(jié)構(gòu)面，井壁與它周?chē)膸r(土)層之間產(chǎn)生了良好的黏結(jié)能力，這種黏結(jié)力使得井壁和其周?chē)膸r石良好地結(jié)合在一起。在采動(dòng)影響作用下，巖(土)層產(chǎn)生的水平移動(dòng)、沉降作用到巖體內(nèi)的井壁，井壁與圍巖協(xié)同變形[5]。

特別是井壁圍巖硬度大致相當(dāng)時(shí)，當(dāng)圍巖豎向變形達(dá)到井壁材料極限應(yīng)變值時(shí)，即可判斷井壁產(chǎn)生豎向壓縮(或拉伸)破壞，即

(1)

式中，εw0為井壁材料處于極限抗壓(拉)強(qiáng)度時(shí)的變形量，也叫極限壓(拉)應(yīng)變，m/mm；εs0為圍巖的豎向極限變形，m/mm。

當(dāng)井壁圍巖軟硬相間時(shí)，井壁容易在軟巖處產(chǎn)生豎向壓(或拉)應(yīng)力集中，從而發(fā)生豎向壓縮(或拉伸)破壞。此條件下，井壁產(chǎn)生豎向壓縮破壞，圍巖豎向極限變形應(yīng)為井壁材料極限應(yīng)變值處于一個(gè)集中系數(shù)，即

(2)

式中，k為軟硬相間圍巖在軟巖層處的變形集中系數(shù)，其值根據(jù)軟硬相間巖層硬度差異性及巖層厚度確定，可取1～10。

混凝土、鋼筋混凝土井壁是目前應(yīng)用最廣泛的立井支護(hù)方法。對(duì)于混凝土井壁，混凝土的極限壓(拉)應(yīng)變與混凝土的標(biāo)號(hào)有關(guān)[6-7]，其取值可參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中混凝土單軸受壓(拉)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的參數(shù)取值。對(duì)于鋼筋混凝土井壁，由于混凝土?xí)阡摻钋斑_(dá)到極限壓(拉)應(yīng)變，從而在井壁上出現(xiàn)裂縫，這對(duì)起封堵涌水作用的井筒來(lái)說(shuō)就意味著破壞，因此，鋼筋混凝土井壁對(duì)應(yīng)的圍巖豎向極限變形可參照混凝土井壁求得。

2.2 表土段井壁破壞與覆巖變形的關(guān)系

對(duì)于表土內(nèi)的井壁，由于表土內(nèi)巖(土)層力學(xué)強(qiáng)度低，抗剪能力弱，井壁與表土黏結(jié)性能比較差。在采動(dòng)影響作用下，井壁與表土圍巖會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移，致使井壁外側(cè)面產(chǎn)生豎向附加力。

采動(dòng)影響條件下，表土段井壁要保持不受采動(dòng)破壞，要求表土段井壁所受的豎向荷載應(yīng)小于井壁結(jié)構(gòu)的承載力[8]，即

(3)

式中，Qf為計(jì)算截面以上井壁所受豎向附加力，MN；Qt為計(jì)算截面以上井壁重力，它包括井壁自重力，井筒上的井塔以及井筒裝備等重力，MN；R為計(jì)算截面以上井壁結(jié)構(gòu)的豎向承載力，MN。

其中，井壁所受豎向附加力可用井壁圍巖的平均豎向變形量來(lái)表示：

(4)

對(duì)于彈塑性井壁材料，井壁破壞的臨界點(diǎn)為井壁抗壓強(qiáng)度處于極限，用極限變形表示，則井壁極限狀態(tài)下的承載力可表示為

(5)

將式(4)、式(5)代入式(3)，可求得井壁發(fā)生采動(dòng)損壞時(shí)，圍巖的平均豎向變形值為

(6)

(7)

式中，ρ為井壁材料與圍巖體的變形模量之比。

對(duì)于混凝土井壁，普通混凝土的變形模量約為30GPa。文獻(xiàn)[9]中根據(jù)巖體的堅(jiān)硬程度和完整程度劃分的巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將表土段巖體定級(jí)為Ⅳ級(jí)(軟巖或巖體破碎)或者Ⅴ級(jí)(極軟巖或巖體極破碎)巖體。參照各級(jí)巖體的變形模量，若表土段圍巖為Ⅳ級(jí)巖體時(shí)，巖體變形模量為6～1.3MPa，則ρ值取5～23；若表土段圍巖為Ⅴ級(jí)巖體時(shí)，巖體變形模量小于1.3MPa，則ρ值取值23以上。

3 井筒采動(dòng)損壞實(shí)例分析

3.1 井筒概況及損壞實(shí)況

某礦為解決礦井通風(fēng)安全，新建了1條進(jìn)風(fēng)井，井筒凈直徑6.0m，井深約730m，其中，表土段90m，采用雙層鋼筋混凝土支護(hù)，壁厚500m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30；基巖段640m，采用素混凝土支護(hù)，壁厚500m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。進(jìn)風(fēng)井還用作副井，含提升系統(tǒng)及3趟管路。井壁圍巖基巖段主要由泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖相間組成，表土段由黏土層、流沙組成。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，巖體整體較完整。

該井筒自建成投入運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)井筒及裝備存在多處變形破壞等安全隱患。主要有如下變形破壞：

(1)井筒井壁在117～123m深處出現(xiàn)變形裂縫，裂縫寬5～30mm。

(2)井筒內(nèi)提升系統(tǒng)變形嚴(yán)重，罐道從上井口到180m處出現(xiàn)嚴(yán)重彎曲變形。

(3)井筒內(nèi)管路在96～234m出現(xiàn)嚴(yán)重彎曲變形，多處破裂漏風(fēng)。

經(jīng)調(diào)查，該風(fēng)井建于鄰礦井田范圍內(nèi)，鄰礦在該區(qū)域附近開(kāi)采了丙、丁、戊、己組煤層。其中，丙、丁組煤層為建井之前開(kāi)采，井筒施工過(guò)程中揭露有丙、丁組煤采空區(qū)；戊、己組煤層為建井之后開(kāi)采，部分工作面進(jìn)入了井筒保護(hù)煤柱內(nèi)。

3.2 井壁破壞標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合該礦井筒建設(shè)和井下開(kāi)采情況，并參照混凝土、鋼筋混凝土的變形性能(C30混凝土的極限壓應(yīng)變約為-1.47mm/m，極限拉應(yīng)變0.095mm/m)，可以認(rèn)為：

(1)基巖段，圍巖主要由頁(yè)巖、砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖相間構(gòu)成，變形集中系數(shù)k可取值為1.5。由式(2)可求得，在基巖段圍巖豎向壓縮變形超過(guò)-1.0 mm/m時(shí)，井壁產(chǎn)生豎向壓縮破壞；在基巖段圍巖豎向拉伸變形超過(guò)0.06 mm/m時(shí)，井壁產(chǎn)生豎向拉伸破壞。

(2)表土段，巖(土)體為極軟巖，巖體較完整，ρ值可取40。由式(7)可求得，在表土段圍巖平均豎向壓縮變形超過(guò)-0.33 mm/m時(shí)，井壁產(chǎn)生豎向壓縮破壞，且井壁破壞一般只在表土層與基巖交界處附近發(fā)生。

3.3 井筒采動(dòng)損壞分析

由井下開(kāi)采情況進(jìn)行了井筒的采動(dòng)變形預(yù)計(jì)，采用概率積分法進(jìn)行預(yù)計(jì)，建井之后新工作面開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)如下：下沉系數(shù)0.75，水平移動(dòng)系數(shù)0.3，主要影響角正切1.8，拐點(diǎn)偏移系數(shù)0.06，開(kāi)采影響傳播角系數(shù)0.65；建井之前老采空區(qū)殘余或“活化”沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)如下：下沉系數(shù)0.03～0.15，水平移動(dòng)系數(shù)0.3，主要影響角正切1.4～1.6，拐點(diǎn)偏移系數(shù)0.05，開(kāi)采影響傳播角系數(shù)0.5。

圖1為進(jìn)風(fēng)井井壁豎向上的移動(dòng)值W與變形量εv曲線圖。

圖1 進(jìn)風(fēng)井豎向上的移動(dòng)與變形曲線

經(jīng)計(jì)算，進(jìn)風(fēng)井受采動(dòng)影響范圍為0～375 m段，井口豎向移動(dòng)(即下沉)為412 mm，表土層與基巖交界處豎向移動(dòng)(即下沉)為400 mm，豎向變形表現(xiàn)壓縮變形，最大壓縮變形為-4.2 mm/m，表土段平均豎向壓縮變形為-0.13 mm/m。參照上述該礦的井壁破壞標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)進(jìn)風(fēng)井圍巖預(yù)計(jì)結(jié)果，可推測(cè)進(jìn)風(fēng)井井壁將有可能在井深110～280 m段出現(xiàn)壓縮裂縫，罐道、管路將有可能在0～375 m段出現(xiàn)彎曲變形或破壞。進(jìn)風(fēng)井內(nèi)井壁、罐道、管路的實(shí)際破壞變形情況與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。

由此可判定，鄰礦戊、己組煤層新采面的采動(dòng)影響和丙、丁組老采空區(qū)的活化殘余沉陷變形影響(井筒穿過(guò)老采空區(qū))，是風(fēng)井井筒發(fā)生采動(dòng)損壞的主要原因。這也印證了該評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)適用于井筒采動(dòng)損壞安全性評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

(1)分析、總結(jié)了井筒采動(dòng)變形、破壞的形式，根據(jù)大量井筒破壞實(shí)例顯示井壁破壞主要為豎向變形的特點(diǎn)，認(rèn)為井筒安全評(píng)價(jià)方法應(yīng)以井壁與覆巖的豎向變形關(guān)系為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)根據(jù)表土、基巖段井壁與圍巖變形關(guān)系，分別建立了表土、基巖段井壁豎向壓縮(拉伸)變形破壞的計(jì)算公式。

(3)通過(guò)井筒采動(dòng)損壞實(shí)例分析，印證了井壁豎向壓縮(拉伸)變形破壞評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)的可靠性。該評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)適用于井筒采動(dòng)損壞安全性評(píng)價(jià)。

[1] 克拉茨 H.采動(dòng)損害及其防護(hù)[M].馬偉民，王金莊，王紹林，譯.北京：煤炭工業(yè)出版社，1984. Kratzsch H.Mining Damage and Protection[M].Ma Weimin，Wang Jinzhuang，Wang Shaolin，Translated.Beijing:Coal Industry Publishing House,1984.

[2] 呂泰和.井筒與工業(yè)廣場(chǎng)煤柱開(kāi)采[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1990. Lu Taihe.Extraction of Shaft and Surface Facility Area Protection Pillars[M].Beijing:Coal Industry Publishing House,1990.

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[6] 天津大學(xué)，同濟(jì)大學(xué)，東南大學(xué),等.混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998. Tianjin University，Tongji University，Southeast University，et al.Concrete Structures[M].Beijing:China Architecture and Building Press,1998.

[7] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組.GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011. The National Standards Compilation Group of People′s Republic of China.GB 50010-2010 Code for Design of Concrete Structures[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2011.

[8] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組.GB 50384—2007 煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2007. The National Standards Compilation Group of People′s Republic of China.GB 50384-2007 Code for Design of Coal Mine Shaft and Chamber[S].Beijing:China Planning Press,2007.

[9] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組.GB 50218-94 工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1995. The National Standards Compilation Group of People′s Republic of China.GB 50218-94 Standard for Engineering Classification of Rock Masses[S].Beijing:China Planning Press,1995.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Study on Mining Damage Evaluation Method for Shaft

Yi Sihai

(TangshanResearchInstitute,ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Tangshan063012，China)

At present，there is lack of the quantitative evaluation method for mining damage of shaft at home and abroad.It is easy to produce hidden danger for shaft′s mining design and protection.Thus，the form and characteristics of shaft′s mining damage are summarized.And also，according to the relationship of shaft lining damage and wall rock deformation，the scientific and feasible evaluation method and index of mining damage are established which aims at the concrete and reinforced concrete shaft lining.With the relationship of vertical deformation between shaft lining and wall rock as the main evaluation index，the calculation formula of vertical compression deformation damage of surface soil and bedrock section shaft lining are established separately.Through the example analysis on shaft mining damage，the reliability of the evaluation method and index are corroborated.The research solves the problems in safety evaluation of shaft mining damage，and supplies the safe and reliable technical support for safety design of shaft coal pillar mining.

Shaft，Mining damage，Safety,Evaluation method，Index

2015-02-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51074089)。

易四海(1980—)，男，副研究員，博士。

TD262;TD313

A

1001-1250(2015)-04-146-04