鋼板混凝土井壁結(jié)構(gòu)受力變形監(jiān)測應(yīng)用研究

洪士保

中煤新集能源股份有限公司板集煤礦 安徽亳州 236700

板集煤礦副井井筒于2009年4月18日發(fā)生突水事故，在治水專家組的指導(dǎo)下，開展了為期多年的井筒治水與修復(fù)工作，治理工作進展順利并取得成功，2017年8月17日順利通過井筒安全性評價專家論證。由于井筒穿過巨厚松散層，水文與工程地質(zhì)條件復(fù)雜，在恢復(fù)礦井建設(shè)和后期開采過程中，將引發(fā)地下水和地層的變化，可能改變井筒的受力狀態(tài)；再者，井筒擔(dān)負著礦井的通風(fēng)、提升任務(wù)，是礦井的“咽喉”，事關(guān)煤礦安全運行和高效生產(chǎn)。因此，需要對井筒受力變形進行長期有效的監(jiān)測和研究。省內(nèi)部分高校長期對高強混凝土井壁或馬頭門上下口井壁的變形進行了監(jiān)測研究，但針對鋼板井壁變形的監(jiān)測研究較少，因此，主井鋼板井壁受力變形的監(jiān)測研究施工難度大、創(chuàng)新性強，研究結(jié)果對礦井安全生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 監(jiān)測方案

根據(jù)主井井筒檢查孔地質(zhì)柱狀圖和井壁結(jié)構(gòu)圖，確定在主井內(nèi)層井壁共布置3個監(jiān)測水平，如表1所示。

表1 主井監(jiān)測水平設(shè)置及土性表

主井3個監(jiān)測水平都安設(shè)鋼弦式傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，每個水平在內(nèi)層井壁外表面等間距布置4個測試點。每個測點沿豎向和環(huán)向各布置鋼弦式表面應(yīng)變計各1個，分別監(jiān)測井壁混凝土的豎向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變，每個水平合計布置鋼弦式表面應(yīng)變計8個，內(nèi)層井壁上合計布置鋼弦式表面應(yīng)變計24個。通過主信號電纜與鋼弦式頻率測試儀相連，實時測試主井鋼板井壁的受力和變形狀態(tài)[1]。

2 主井井壁安全預(yù)警值計算

以第一水平累深420m處井壁為例進行計算，原預(yù)制鋼板混凝土井壁外壁承受水土側(cè)壓力：P=0．013×420=5．46MPa；原預(yù)制鋼板混凝土井壁的外層和內(nèi)層是鋼板，中間層是混凝土。外層鋼板厚度為10mm，中間層鋼筋混凝土厚度為824mm，內(nèi)層鋼板厚度為16mm，混凝土強度為等級為C60。在原有鋼板混凝土井壁中套上鋼板混凝土井壁，此鋼板混凝土井壁共有兩層井壁，外層高強混凝土的厚度為580mm，混凝土強度等級為C80，內(nèi)層鋼板厚度為20mm。

表2 井壁混凝土的力學(xué)參數(shù)

鋼板材料為Q345，彈性模量E1=2．06×105N/mm2，泊松比根據(jù)組合筒設(shè)計方法進行計算。

如圖所示，從內(nèi)到外的半徑表示為r1-r6，層數(shù)為第1層至第5層；r6=3．95m，r5=3．94m；最外層為薄壁圓筒，則內(nèi)層的徑向位移為

其中r5—該層井壁的平均半徑，h—井壁厚度，P—井壁外層水、土側(cè)壓力；P54—第5層井壁和第4層井壁之間的壓力。

第四層井壁為厚壁圓筒，r4=其內(nèi)、外側(cè)徑向位移分別為

第三層井壁為薄壁圓筒，其徑向位移變位為：

第二層井壁為厚壁圓筒，其內(nèi)、外徑向位移變位為：

最內(nèi)層井壁為薄壁圓筒，其徑向：

根據(jù)相鄰兩層井壁之間接觸面的變形協(xié)調(diào)條件可得

解得

將已知數(shù)值代入式（11）得內(nèi)層和第二層之間的壓力值P21=0．122×5．46=0．666MP

對于最內(nèi)側(cè)鋼板：

豎向自重應(yīng)力：

內(nèi)壁內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)變：

內(nèi)壁內(nèi)緣豎向應(yīng)變：內(nèi)側(cè)鋼板的材料為Q345，抗拉抗壓強度設(shè)計值為295Mpa，鋼板的極限壓應(yīng)變?yōu)椋?/p>

考慮荷載分項系數(shù)1．35、 1．2和1時，得到不同的井壁環(huán)向和豎向富余壓應(yīng)變，如表3所示。鋼板的極限拉壓應(yīng)變是一樣的。考慮0．6、0．8和1倍極限拉應(yīng)變時，得到井壁環(huán)向和豎向富余拉應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表3 井壁鋼板變形預(yù)警值設(shè)置

3 主井井壁變形監(jiān)測結(jié)果

主井井壁鋼弦式鋼板表面應(yīng)變傳感器安裝測試80天后，三個水平的鋼板變形監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2-圖7所示

4 結(jié)語

板集煤礦在恢復(fù)建設(shè)和后期開采過程中，地下水和地層的變化將改變井筒的受力狀態(tài)，因此開展了主井筒井壁監(jiān)測技術(shù)研究，得到結(jié)論如下：（1）建立了鋼弦式鋼板井壁變形監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時、準確、全面反映井筒的受力變形；（2）根據(jù)主井井壁的受力狀態(tài)，通過組合筒理論，考慮不同的荷載分項系數(shù)，給出了主井鋼板內(nèi)層井壁的黃色、橙色和紅色變形預(yù)警值；（3）井壁監(jiān)測元件安裝80天后，鋼板內(nèi)層井壁表面變形較小，變形處于預(yù)警值范圍之內(nèi)，后期需要及時、準確的實時跟蹤井筒的安全狀態(tài)[3]。