薛大偉，張瀚文，程龍藝，張 偉，李廣平

(1.安徽皖北煤電集團(tuán)錢營(yíng)孜煤礦,安徽 宿州 234000; 2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

1 概述

立井井筒作為煤礦工程的“咽喉”連接著地面工業(yè)廣場(chǎng)和地下采場(chǎng)工作面,具有提運(yùn)煤炭、運(yùn)送人員和通風(fēng)等功能,井筒安全性是煤炭高效開采和工作人員生命安全的重要保障。然而,我國(guó)徐淮礦區(qū)井筒相繼因過(guò)大豎向附加力發(fā)生破裂,這是由于含水層水位下降以及凍結(jié)壁融沉,使得土體有效應(yīng)力不斷變大,最終引起土體固結(jié)沉降。由于煤礦井筒剛度較大,無(wú)法產(chǎn)生過(guò)大豎向變形,使得井筒與土體之間產(chǎn)生相互作用形成負(fù)摩阻力,即豎向附加力。隨著豎向附加力不斷增大,當(dāng)豎向附加力超過(guò)井筒極限承載力時(shí),井筒出現(xiàn)破裂[1]。由于過(guò)去我國(guó)未將豎向附加力考慮到井筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,使得井筒破裂事故頻繁發(fā)生。同時(shí),隨著淺層煤炭資源枯竭,新建礦井多在深部煤層,面對(duì)地質(zhì)條件十分復(fù)雜的深厚表土層,多采用凍結(jié)法鑿井施工。為提高井筒安全性,迫切需要針對(duì)豎向附加力問題給出一種解決方法。

目前,張浩[2]對(duì)淮南丁集煤礦凍結(jié)井進(jìn)行分析,如考慮土體豎向附加力作用,井筒混凝土等級(jí)取C70時(shí),井筒厚度將達(dá)到3 m,這大大增加了施工成本;蔡海兵等[3]針對(duì)煤礦井筒因過(guò)大豎向附加力發(fā)生破裂這一問題,研發(fā)出一種設(shè)置于立井井筒的可壓縮接頭;楊道召等[4]采用有限元軟件分析接頭力學(xué)性能,并在接頭設(shè)置位移傳感器監(jiān)測(cè)其壓縮量,給出了接頭壓縮量隨時(shí)間變化曲線;劉樹彪等[5]以丁集煤礦為例,采用ANSYS軟件進(jìn)行分析,研究了可縮性井壁接頭數(shù)量和設(shè)計(jì)位置的最優(yōu)方案;榮傳新等[6]采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究可縮性接頭,研究表明:接頭在豎向附加力作用下可壓縮性和抗側(cè)壓性優(yōu)異,且變形前后均未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象;舒恩等[7]以楊村煤礦風(fēng)井三立板可縮性井壁接頭為例,采用ANSYS軟件中優(yōu)化設(shè)計(jì)程序?qū)⒔宇^外立板厚度減小10 mm。

綜上所述,為預(yù)防井筒因豎向附加力過(guò)大而發(fā)生破裂有兩種解決方法:1)采用“抗”的方法,即提高混凝土強(qiáng)度或井筒厚度來(lái)抵抗豎向附加力,但這種方法不僅技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn),而且大大增加了經(jīng)濟(jì)成本;2)采用“讓”的方法,即在井筒中設(shè)置可縮性井壁接頭,當(dāng)豎向附加力過(guò)大時(shí),接頭發(fā)生壓縮變形,使井筒與地層同步下沉起到衰減豎向附加力的作用[8]。故選擇合適的材料及接頭形式,做好可縮性井壁接頭尺寸設(shè)計(jì)等相關(guān)工作,便可有效防治井筒因豎向附加力過(guò)大而發(fā)生破壞。

2 可縮性井壁接頭的接頭設(shè)計(jì)

為防治井筒破裂,起到衰減豎向附加力作用,可縮性井壁接頭應(yīng)具有以下兩個(gè)特點(diǎn):在建井初期,井筒承受豎向附加力不大,井筒的自重及裝備重量是井筒主要受載,可縮性井壁接頭在此階段不產(chǎn)生豎向變形,隨著井筒周圍土體不斷沉降,豎向附加力不斷增大,在達(dá)到井筒極限承載力之前,可縮性井壁接頭產(chǎn)生壓縮變形,使井筒與土體同步下沉,衰減豎向附加力;可縮性井壁接頭在受壓變形前后接頭不可發(fā)生漏水現(xiàn)象。

2.1 設(shè)計(jì)要求

1)強(qiáng)度要求。可縮性井壁接頭極限承載力應(yīng)大于上部井筒及井筒裝備的重量,小于井筒的極限承載力,能夠在井筒破壞前先產(chǎn)生壓縮變形,衰減豎向附加力,預(yù)防井筒出現(xiàn)破裂;同時(shí),可縮性井壁接頭側(cè)向能夠承受住井筒周圍土體的側(cè)向壓力。

2)壓縮量要求。為滿足井筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要,可縮性井壁接頭累積可壓縮量與井筒可壓縮量之和高于土體沉降量,則可在同一個(gè)井筒中設(shè)置一道或者多道可縮性井壁接頭。

3)防水防腐要求?？煽s性井壁接頭自投入使用至發(fā)生壓縮破壞不出現(xiàn)漏水、滲水現(xiàn)象;此外,接頭暴露在外部分必須做防腐防銹處理,避免銹蝕。

4)其他要求。可縮性井壁接頭應(yīng)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、加工便捷的特性,另外,接頭材料容易獲得、高性價(jià)比也在考慮范圍內(nèi)。

2.2 結(jié)構(gòu)形式

為滿足可縮性井壁接頭豎向可“讓”,橫向可“抗”的要求,本文以錢營(yíng)孜煤礦新副井累深229 m處雙立板可縮性井壁接頭為例進(jìn)行研究,該接頭采用Q235-B鋼材,鋼板之間通過(guò)焊接連接在一起,其斷面如圖1所示。

由圖1,圖2可知,該可縮性井壁接頭下部鋼墊板為齒輪狀,并在鋼墊板內(nèi)緣上設(shè)置有混凝土振搗孔,用于振搗接頭下部混凝土,上、下法蘭盤之間是兩圈環(huán)狀立板,用于承受豎向載荷,內(nèi)、外立板上均開設(shè)一個(gè)瀝青注入口,通過(guò)瀝青注入管注入瀝青,可在接頭受豎向力壓縮變形后起到一定防水作用,外弧板焊接于上、下法蘭盤之間,用于承受側(cè)向荷載,在上法蘭盤外表面和下部鋼墊板下表面均設(shè)置一個(gè)防水鋼圈,用于阻隔地下水,防止井筒與可縮性井壁接頭交界處出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

2.3 參數(shù)設(shè)計(jì)

可縮性井壁接頭幾何尺寸應(yīng)根據(jù)井筒厚度、混凝土強(qiáng)度、質(zhì)量以及直徑等因素綜合確定。同時(shí),可縮性井壁接頭豎向承載力需介于井壁自重和井壁極限承載力之間,使井壁受到豎向附加力時(shí)可縮性井壁接頭先產(chǎn)生壓縮變形[9-10]。由于內(nèi)、外立板不僅承受豎向載荷,還需要滿足壓縮變形要求,因此以立板的厚度設(shè)計(jì)為重點(diǎn)。

累深229 m處井筒內(nèi)壁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55,厚度為0.6 m,井筒凈半徑3.25 m。在可縮性井壁接頭中,初選外、內(nèi)圈立板的中心半徑分別為3.615 m,3.36 m,尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果由以下公式得出。

井壁臨界承載力設(shè)計(jì)值為:

(1)

其中，σ0為該層位混凝土強(qiáng)度;α0為折減系數(shù),取0.7;R0為井壁外半徑;r0為井壁內(nèi)半徑。

由式(2)選取各立板厚度如下:

(2)

其中，δ1，δ2分別為內(nèi)、外立板厚度;r1，r2分別為內(nèi)、外立板中心半徑;σs為材料屈服強(qiáng)度;β0為材料變異系數(shù)，取1。

可縮性井壁接頭的實(shí)際臨界承載力為:

Pcr=2πβ0σs(δ1×r1+δ2×r2)

(3)

對(duì)于累深229 m處井筒內(nèi)壁的自重和裝備重量:

(4)

其中，γ為混凝土容重,取2.45 kN/m3;ξ為恒載分項(xiàng)系數(shù),取1.2；h0為層位厚度。

對(duì)于累深229 m處井筒內(nèi)壁混凝土的極限承載能力:

Pzmax=2P

(5)

假設(shè)載荷均勻分布在可縮性井壁接頭的上法蘭盤,則臨界應(yīng)力值為:

(6)

其中，R，r分別為可縮性井壁接頭內(nèi)、外緣中心半徑。

由上述公式計(jì)算可得錢營(yíng)孜礦新副井可縮性井壁接頭選取內(nèi)、外立板厚度均為0.03 m,可縮性井壁接頭豎向臨界應(yīng)力值25.10 MPa。

在錢營(yíng)孜煤礦新副井中共設(shè)置豎向雙立板可縮性井壁接頭1個(gè),依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)提調(diào)能力及新副井井筒直徑,將可縮性井壁接頭分為8節(jié)依次安放至指定層位,采用焊接的方式在井下將它們連接在一起,接頭設(shè)計(jì)參數(shù)匯總見表1。

表1 接頭設(shè)計(jì)參數(shù)

3 可縮性井壁接頭的數(shù)值模擬

3.1 有限元分析模型

對(duì)錢營(yíng)孜煤礦新副井可縮性井壁接頭的豎向承載力和側(cè)向承載力采用ANSYS軟件進(jìn)行分析。該數(shù)值模擬屬于軸對(duì)稱問題,Q235-B材料的本構(gòu)關(guān)系選取彈塑性理想模型,單元類型采用4節(jié)點(diǎn)Plane42二維實(shí)體單元,接頭材料彈性模量取210 GPa,泊松比取0.3,屈服應(yīng)力取220 MPa,屈服模量取0。根據(jù)2.3節(jié)中設(shè)置在錢營(yíng)孜煤礦新副井累深229 m處雙立板可縮性井壁接頭尺寸參數(shù)建立有限元模型,利用分割方法畫出規(guī)整的網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量為580,如圖3所示。

3.2 可縮性井壁接頭豎向承載力

進(jìn)行可縮性井壁接頭豎向承載力分析時(shí),對(duì)接頭下邊界施加約束,使其不產(chǎn)生任何位移和轉(zhuǎn)角,在外弧板上施加2.0 MPa恒定側(cè)向壓力,然后在上邊界不斷施加載荷直至可縮性井壁接頭發(fā)生屈服為止,此時(shí)施加載荷值即是接頭的臨界承載力。

由于實(shí)際工程需要雙立板可縮性井壁接頭的豎向承載力滿足強(qiáng)度要求,采用ANSYS軟件對(duì)接頭豎向承載力進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知,上邊界豎向載荷在22 MPa之前,接頭的最大等效應(yīng)力隨豎向載荷增加呈直線變化,處于彈性階段;當(dāng)上邊界豎向載荷超過(guò)22 MPa后,曲線斜率開始變小,接頭的最大等效應(yīng)力增大速率隨載荷增加有所減緩,處于屈服階段;上邊界載荷增加至26.5 MPa時(shí),接頭最大等效應(yīng)力達(dá)到所設(shè)屈服應(yīng)力(220 MPa),接頭發(fā)生屈服,其豎向承載力為26.5 MPa,這與理論計(jì)算式(6)僅相差5.58%。

3.3 可縮性井壁接頭側(cè)向承載力分析

進(jìn)行可縮性井壁接頭側(cè)向承載力分析時(shí),將接頭的上、下邊界約束,使其不發(fā)生任何位移和轉(zhuǎn)角,然后在外弧板上不斷施加載荷直至接頭發(fā)生屈服為止。

由于實(shí)際工程需要雙立板可縮性井壁接頭的側(cè)向承載力滿足強(qiáng)度要求,采用ANSYS軟件對(duì)接頭側(cè)向承載力進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果如圖7～圖9所示。

由圖7～圖9可知,外弧板側(cè)向載荷在25 MPa之前,接頭的最大等效應(yīng)力隨側(cè)向載荷增加呈直線變化,處于彈性階段;外弧板側(cè)向載荷超過(guò)25 MPa后,曲線斜率開始變小,接頭最大等效應(yīng)力增大速率隨側(cè)向載荷增加減慢,處于屈服階段;當(dāng)接頭最大等效應(yīng)力達(dá)到所設(shè)屈服應(yīng)力(220 MPa)時(shí),接頭發(fā)生屈服,其側(cè)向承載力為28.2 MPa。而錢營(yíng)孜新副井可縮性井壁接頭設(shè)置在累深229 m處,該層位最大側(cè)向壓力僅為2.0 MPa,因此接頭滿足側(cè)向承載要求。

3.4 可縮性井壁接頭穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性分析也就是屈曲分析現(xiàn)在已經(jīng)成為設(shè)計(jì)分析的一個(gè)重要方面,由于可縮性井壁接頭是薄壁圓筒狀的,極有可能接頭未達(dá)到極限承載力之前就已經(jīng)失穩(wěn)[11-12]。

利用ANSYS軟件中屈曲分析模塊,對(duì)錢營(yíng)孜礦新副井可縮性井壁接頭進(jìn)行線性特征值屈曲分析,得到內(nèi)、外立板屈曲模態(tài)圖,如圖10,圖11所示。

由圖10，圖11可知,在可縮性井壁接頭施加1 MPa豎向載荷,得到其一階、二階線性屈曲特征值分別是590.80，621.84。線性屈曲特征值與施加載荷之積為線性屈曲載荷,則該接頭最小線性屈曲載荷為590.80 MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

1)給出雙立板可縮性井壁接頭設(shè)計(jì)要求,詳細(xì)介紹了接頭的結(jié)構(gòu)形式,對(duì)各個(gè)部件功能做出了闡述。

2)通過(guò)理論計(jì)算得到錢營(yíng)孜煤礦新副井可縮性井壁接頭設(shè)計(jì)參數(shù)如下:內(nèi)、外立板厚30 mm,高400 mm,上、下法蘭盤厚30 mm,弧板厚20 mm。

3)數(shù)值模擬分析結(jié)果得到接頭最大等效應(yīng)力隨豎向載荷變化曲線,其豎向承載力為26.5 MPa,這與理論計(jì)算僅相差5.58%。獲得接頭最大等效應(yīng)力隨側(cè)向載荷變化曲線,其側(cè)向承載力28.2 MPa,遠(yuǎn)大于實(shí)際承受荷載,故滿足可縮性井壁接頭強(qiáng)度要求。

4)針對(duì)可縮性井壁接頭穩(wěn)定性開展屈曲分析,獲得內(nèi)、外立板屈曲模態(tài)圖,以及相應(yīng)屈曲特征值590.798，621.842,其最小線性屈曲載荷為590.80 MPa。