司馬礦新風井凍結段井壁結構穩定性分析

廖波

（煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原030001）

0 引 言

隨著煤炭資源的開發，開采深度逐步增加。在向地下延伸的同時，建井和開采難度也將逐步增大，井筒將有可能穿越含水較大的松散層或基巖層。目前鑿井遇水時常采用凍結法或注漿堵水施工，當水量較大且巖層結構不太確定時，難以進行注漿堵水施工，最佳方式是采用凍結法施工[1]。

凍結法是采用人工制冷方式，將井筒附近圍巖中的水凍結成冰，冰與圍巖膠結起來，在井筒施工前預先形成一個堅硬且密閉的凍土墻，再進行鑿井施工的方法；具有隔絕涌水、抵抗地層壓力、地層適應性強、施工靈活等優點[2]。目前，立井凍結法施工方案設計時，常參考工程應用經驗來確定井筒井壁結構參數，對井壁結構穩定性系統的計算和研究相對較少。

司馬礦新回風立井上部擬采用凍結法施工，由于缺乏周邊礦井立井凍結法施工參考，施工前需對井壁結構進行穩定性分析。本文運用井壁受力分析，確定凍結段井壁結構參數，再通過ANSYS數值模擬分析，驗證井壁結構的穩定性，為立井順利實施凍結法提供理論分析依據，保證了井筒井壁穩定性。

1 概 況

司馬礦位于長治市長治縣，隸屬潞安集團，規模300萬t/a。根據礦井采掘接替和通風要求，2015年礦井擬新建一座回風立井，服務于三采區（3號煤層）和下組煤。新風井場地位于工業場地北側、司馬村西廢棄工廠內，場地標高約+938.5 m。

根據井筒檢查鉆孔資料，本區土層覆蓋層主要由粉質粘土、粉土、粘土、砂層等組成，厚度達124.74 m；弱風化基巖厚27.65 m，裂隙發育；總風化及不穩定基巖厚度為152.39 m。檢查鉆孔共揭露5層含水層，預計涌水量合計65.02 m3/h，見表1。

表1 井筒含水層涌水量Table 1 Aquifer inflowof wellbore

根據礦井開拓部署及后期風量分配計算，后期新回風立井的總回風量為230 m3/s。根據規程要求設有梯子間的井筒風速不得超過8 m/s，設計確定立井凈直徑為6.50 m，凈斷面33.18 m2，最大允許風量為265.44 m3/s，滿足通風要求。

設計立井井口標高+938.5 m，井筒落底于3號煤層頂板巖層中，標高+640.5 m，垂深298 m。井筒內裝備梯子間，擔負礦井三采區（3號煤層）和下組煤的回風任務。

考慮立井將穿越較厚的不穩定地層和涌水較大的多層含水層，設計井筒上部采用凍結法施工，深度為210.0 m，凍結段采用雙層鋼筋混凝土支護。

2 凍結段井壁結構參數

新回風立井凍結段采用雙層井壁，內、外井壁分兩次澆筑，施工時先澆筑外井壁，再澆筑內井壁。由于內、外井壁承受的地壓荷載不同，因此應根據井壁凍結受力分析，分別計算外、內井壁結構參數。

2.1 外井壁應力分析

外井壁受力包含永久荷載與施工荷載，永久荷載主要為地壓、井壁自重，而施工荷載主要為凍結溫度應力，因此外井壁計算時應考慮凍結冷熱引起的體積膨脹而產生的凍結壓力[3]。當外井壁混凝土出現環向應力狀態時，其應力按下式計算：

式中：σθ外、σr為外井壁外緣的環向和徑向應力，MPa；σθ內為外井壁內緣的環向應力，MPa；P為凍結壓力，MPa；a、b為外井壁的內、外直徑，mm。

2.2 內井壁應力分析

凍結法采用雙層井壁時，主要的地壓和凍結應力均在外井壁上，內井壁的受力相對較小且簡單。內井壁應力主要為靜水壓力，內井壁在考慮強度的同時，還需考慮其防水性。受力分析時，內井壁內緣為水平上的側應力和豎向的軸應力，為雙向受壓[3]。重點關注外緣受力，內井壁外緣為三向受壓，其應力按下式計算：

式中：σθ外、σr外、σz外為內井壁外緣的環向、徑向和豎向應力，MPa；γ為水容重；H為計算位置深，m；v為混凝土泊松比；a、b為內井壁的內、外直徑，mm。

2.3 井壁結構參數

根據新回風立井外、內井壁受力分析，結合礦井現場實際情況，計算得出凍結段井壁厚度為900 mm，其中外、內井壁厚為500 mm和400 mm。井壁采用C40混凝土澆筑，施工時外井壁混凝土中添加防凍劑，內井壁混凝土中添加防水劑。

根據井壁強度驗算和配筋率要求，在外井壁的外側設外環筋和外豎筋，在內井壁的內側設內環筋和內豎筋，鋼筋均采用直徑20 mm、間距300 mm，保護層厚度為60 mm。施工時內、外井壁之間設置聚乙烯塑料板[4]，雙層，厚度2 mm×1.5 mm，其中外層用圓釘固定在外井壁上，內層用膠結法與外層塑料板聯系。井筒凍結段斷面如圖1所示。

圖1 凍結段井筒斷面示意Fig.1 Section of frozen shaft

3 數值模擬分析

為驗證新風井凍結段井壁結構穩定性能否滿足井筒強度要求，進行ANSYS數值模擬分析。

3.1 模型單元參數

建模時模型有混凝土和鋼筋，在ANSYS中，混凝土有多種材料可以代替，綜合考慮本工程情況，確定采取65號單元模型，用8節點的非線性三維實體代替混凝土單元（材料力學參數見表2），用三維桿Link8代替鋼筋單元，采用Willam-Wamke5破壞準則。

表2 混凝土材料基本力學參數Table 2 Basic mechanical parameters of concrete materials

3.2 模型基本假設

對凍結段井壁強度進行數值模擬分析時，為確保模擬結果的可靠性，建模時應進行必要的假設[5]。

（1）假設混凝土和鋼筋之間的粘結性良好，不存在相對滑移現象，兩者單元之間通過節點合并來協調變形位移。

（2）假設井筒井壁結構受到的應力在同一水平是均勻分布的，不考慮集中應力。

（3）假設鋼筋的重力為0，相較于混凝土而言，鋼筋的重力可以忽略不計。

（4）假設井壁結構始終能夠傳遞剪力，當井壁內部開裂時，裂縫之間仍能相互咬合，且不考慮加載中的應力松弛。

3.3 模擬結果與分析

根據井筒結構參數、模型單元參數（井壁外應力取凍結最深位置應力）創建模型，運行計算并處理，得出井筒外井壁應力云圖（圖2），內井壁應力云圖（圖3）。

從圖2得知，井筒外井壁應力最大值為29.7 MPa，位于外井壁的內緣。采用C40混凝土，抗壓強度為40 MPa，理論上井筒外井壁承載力滿足要求。在實際施工時，凍結段的應力增加較快，應考慮混凝土的養護時間強度。根據混凝土強度和養護時間規定[6]，初期強度約為最終強度的80%，即初期強度為32 MPa，大于模擬結果29.7 MPa，證明了井筒外井壁結構的可靠性。

圖2 井筒外井壁應力云圖Fig.2 Outside-wellbore stress nephogram

從圖3得知，井筒內井壁應力最大值為23.1 MPa，位于內井壁的內緣。該值小于井筒外井壁應力最大值，仍采用C40混凝土，其混凝土強度完全滿足井筒內井壁承載力要求。

圖3 井筒內井壁應力云圖Fig.3 Borehole wall stress nephogram in wellbore

4 工程應用

最終司馬礦新回風立井按照設計結構參數進行凍結法施工，于2018年施工完畢并竣工驗收。至今已運行兩年，井筒凍結段穩定性一直良好，未發現開裂、變形、漏水現象，再次證實了井筒凍結段外井壁和內井壁結構參數的合理性。新回風立井凍結段井壁結構穩定性分析可作為井筒施工圖的補充，為立井順利實施凍結法提供理論分析依據。該分析可為其他類似條件礦井井筒實施雙層井壁凍結法施工提供技術參考，具有一定的工程應用價值。