高應力不同側壓條件下井壁合理結構及穩定性

張建武

(大同煤礦集團朔煤王坪煤電公司，山西 懷仁 038301)

隨著我國經濟的高速發展，國內對煤炭資源的需求量逐年增長，相應的許多大型礦井建設項目已經開始，然而，不同的地質條件對應不同的工程背景。由于地質構造、煤層埋深、巖體特性等方面的原因，井筒經常在水平雙向應力大小不同，且應力水平較高的條件中建設，由此帶來了井筒穩定性差、施工困難等問題。井筒作為礦井生產運輸的咽喉要道，其穩定性直接關系整個礦井的安全生產和效益，為此研究高應力不同側壓條件下井壁的穩定性，尋求合理的井壁結構就顯得非常重要。

國內外學者對雙側壓力不同情況下井筒應力分布和合理結構都做過許多研究［1－4］，其大都在彈性力學不同側壓圓形孔的結果上，然而，隨著現代數學與計算機技術的迅速發展，優化技術得到了發展，部分學者也對不同側壓下井壁的合理結構做了研究。

本文在不同側壓井壁應力分布及合理結構研究的基礎上，利用理論分析和數值計算相結合的方法，分析井壁結構的合理受力及結構，以改善井壁結構的受力，充分發揮材料的利用率為目的，給出了井壁結構的加固范圍。

1 井壁結構的受力分析

為了分析不同側壓井壁結構的受力，首先依據彈性理論雙向不等壓結論［5］。雙向不等壓井筒受力簡化圖見圖1。

圖1 雙向不等壓井筒受力簡化圖

由分析可知，隨著側壓系數的增大，沿井壁應力分布越來越不均勻，當側壓系數達到一定數值時，井壁局部出現受拉區域。

2 井壁結構穩定性的數值計算

在建立數值計算模型之前，首先分析傳統等厚度井壁上的應力分布情況，傳統等厚度井壁結構在雙向不等壓應力場中的環向應力云圖見圖2，從圖2可以看出，環向應力分布極不均勻，圖2中A點至B點，環向應力越來越大。

圖2 傳統等厚度井壁上的環向應力云圖

本文依據以前學者提出的橢圓形井壁結構，并依據數值計算的建模原則建立數值計算模型進行計算。設計模型尺寸為長40 m，寬40 m，井筒半徑4.1 m，模型側邊界距井筒中心約為井筒半徑的10倍。模型左邊界施加水平位移約束，下邊界施加鉛垂位移約束，上邊界施加15 MPa的均布壓力，右邊界施加10 MPa的均布壓力。優化過程中，井壁內壁為圓形，外壁為橢圓形，上部井壁厚度保持0.6 m，右邊井壁厚度從0.6 m開始增大。當應力分布函數的方差最小時，認為此時井壁結構最優。優化分析整體模型圖見圖3，計算參數見表1。

圖3 優化分析整體模型圖

表1 模型材料力學參數

圖3中，a為井筒半徑，b為井壁外橢圓短軸，c為井壁外橢圓長軸，q1為15 MPa，q2為10 MPa。

計算中，設定井筒處于細砂巖中，井壁材料采用C35混凝土。

等厚度井壁結構和內圓外橢圓井壁結構環向應力分布對比見圖4。

圖4 環向應力分布對比圖

從圖4可以看出，經過優化后的內壁為圓形，外壁為橢圓形的井壁結構上的環向應力分布較均勻，有利于井筒穩定型的保持。

合理井壁最大壁厚隨最大側壓力變化曲線見圖5。

圖5 合理井壁最大壁厚隨最大側壓力變化曲線

由圖5可知，隨著側壓系數的增大，井壁的最大厚度在增加。

通過研究內壁為圓形，外壁為橢圓形的井壁結構上的受力，可以得知，按照傳統等候的圓形井壁結構設置井壁時，應該在布筋上進行調整，以使井壁上的應力分布均勻，依據前面分析結果，建議在側壓力小的方向上布置較密、較大的鋼筋。

3 結論

通過利用理論分析及數值計算方法研究高應力下不同側壓力下井筒井壁的應力分布規律、合理結構及合理的井壁結構布筋，主要得出如下結論:

1)當井筒布置于不同側壓環境中時，傳統的等厚度的圓形井壁穩定性差，局部甚至會出現拉應力而導致井壁結構失穩。

2)采用外壁為橢圓，內壁為圓的井壁結構可以調整井壁上的應力分布，維護井壁結構的穩定性。

3)采用傳統的等厚度井壁結構，如做適當的布筋調整，同樣可以維持井壁結構上的應力分布合理，維護井壁結構的穩定。

4)在采用布筋調整井壁應力分布時，應在側壓力小的方向加強布筋。

［1］張國鑫.鋼板－鋼筋混凝土復合井壁結構在不均勻側壓力作用下的應力［J］.建井技術，1995(5):34－39.

［2］胡學文.井筒在不均勻側壓力作用下的應力［J］.安徽理工大學學報(自然科學版)，1982(2):41－49.

［3］牛少卿，楊雙鎖，王志剛，等.非均勻水平應力場中井壁結構的優化設計研究［J］.山西大同大學學報(自然科學版)，2010，26(3):60－63.

［4］姚直書，孫文若.不均勻側壓力下凍結井筒混凝土井壁結構試驗研究［J］.阜新礦業學院學報(自然科學版)，1995，14(3):30－33.

［5］楊桂通.彈塑性力學引論［M］.北京:清華大學出版社，2003:106－108.