司馬礦新風(fēng)井凍結(jié)段井壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

廖波

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原030001）

0 引 言

隨著煤炭資源的開發(fā)，開采深度逐步增加。在向地下延伸的同時(shí)，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(shí)常采用凍結(jié)法或注漿堵水施工，當(dāng)水量較大且?guī)r層結(jié)構(gòu)不太確定時(shí)，難以進(jìn)行注漿堵水施工，最佳方式是采用凍結(jié)法施工[1]。

凍結(jié)法是采用人工制冷方式，將井筒附近圍巖中的水凍結(jié)成冰，冰與圍巖膠結(jié)起來，在井筒施工前預(yù)先形成一個(gè)堅(jiān)硬且密閉的凍土墻，再進(jìn)行鑿井施工的方法；具有隔絕涌水、抵抗地層壓力、地層適應(yīng)性強(qiáng)、施工靈活等優(yōu)點(diǎn)[2]。目前，立井凍結(jié)法施工方案設(shè)計(jì)時(shí)，常參考工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來確定井筒井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)井壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系統(tǒng)的計(jì)算和研究相對(duì)較少。

司馬礦新回風(fēng)立井上部擬采用凍結(jié)法施工，由于缺乏周邊礦井立井凍結(jié)法施工參考，施工前需對(duì)井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。本文運(yùn)用井壁受力分析，確定凍結(jié)段井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)，再通過ANSYS數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證井壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為立井順利實(shí)施凍結(jié)法提供理論分析依據(jù)，保證了井筒井壁穩(wěn)定性。

1 概 況

司馬礦位于長(zhǎng)治市長(zhǎng)治縣，隸屬潞安集團(tuán)，規(guī)模300萬t/a。根據(jù)礦井采掘接替和通風(fēng)要求，2015年礦井?dāng)M新建一座回風(fēng)立井，服務(wù)于三采區(qū)（3號(hào)煤層）和下組煤。新風(fēng)井場(chǎng)地位于工業(yè)場(chǎng)地北側(cè)、司馬村西廢棄工廠內(nèi)，場(chǎng)地標(biāo)高約+938.5 m。

根據(jù)井筒檢查鉆孔資料，本區(qū)土層覆蓋層主要由粉質(zhì)粘土、粉土、粘土、砂層等組成，厚度達(dá)124.74 m；弱風(fēng)化基巖厚27.65 m，裂隙發(fā)育；總風(fēng)化及不穩(wěn)定基巖厚度為152.39 m。檢查鉆孔共揭露5層含水層，預(yù)計(jì)涌水量合計(jì)65.02 m3/h，見表1。

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

根據(jù)礦井開拓部署及后期風(fēng)量分配計(jì)算，后期新回風(fēng)立井的總回風(fēng)量為230 m3/s。根據(jù)規(guī)程要求設(shè)有梯子間的井筒風(fēng)速不得超過8 m/s，設(shè)計(jì)確定立井凈直徑為6.50 m，凈斷面33.18 m2，最大允許風(fēng)量為265.44 m3/s，滿足通風(fēng)要求。

設(shè)計(jì)立井井口標(biāo)高+938.5 m，井筒落底于3號(hào)煤層頂板巖層中，標(biāo)高+640.5 m，垂深298 m。井筒內(nèi)裝備梯子間，擔(dān)負(fù)礦井三采區(qū)（3號(hào)煤層）和下組煤的回風(fēng)任務(wù)。

考慮立井將穿越較厚的不穩(wěn)定地層和涌水較大的多層含水層，設(shè)計(jì)井筒上部采用凍結(jié)法施工，深度為210.0 m，凍結(jié)段采用雙層鋼筋混凝土支護(hù)。

2 凍結(jié)段井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)

新回風(fēng)立井凍結(jié)段采用雙層井壁，內(nèi)、外井壁分兩次澆筑，施工時(shí)先澆筑外井壁，再澆筑內(nèi)井壁。由于內(nèi)、外井壁承受的地壓荷載不同，因此應(yīng)根據(jù)井壁凍結(jié)受力分析，分別計(jì)算外、內(nèi)井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 外井壁應(yīng)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(jié)溫度應(yīng)力，因此外井壁計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮凍結(jié)冷熱引起的體積膨脹而產(chǎn)生的凍結(jié)壓力[3]。當(dāng)外井壁混凝土出現(xiàn)環(huán)向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，其應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中：σθ外、σr為外井壁外緣的環(huán)向和徑向應(yīng)力，MPa；σθ內(nèi)為外井壁內(nèi)緣的環(huán)向應(yīng)力，MPa；P為凍結(jié)壓力，MPa；a、b為外井壁的內(nèi)、外直徑，mm。

2.2 內(nèi)井壁應(yīng)力分析

凍結(jié)法采用雙層井壁時(shí)，主要的地壓和凍結(jié)應(yīng)力均在外井壁上，內(nèi)井壁的受力相對(duì)較小且簡(jiǎn)單。內(nèi)井壁應(yīng)力主要為靜水壓力，內(nèi)井壁在考慮強(qiáng)度的同時(shí)，還需考慮其防水性。受力分析時(shí)，內(nèi)井壁內(nèi)緣為水平上的側(cè)應(yīng)力和豎向的軸應(yīng)力，為雙向受壓[3]。重點(diǎn)關(guān)注外緣受力，內(nèi)井壁外緣為三向受壓，其應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中：σθ外、σr外、σz外為內(nèi)井壁外緣的環(huán)向、徑向和豎向應(yīng)力，MPa；γ為水容重；H為計(jì)算位置深，m；v為混凝土泊松比；a、b為內(nèi)井壁的內(nèi)、外直徑，mm。

2.3 井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)新回風(fēng)立井外、內(nèi)井壁受力分析，結(jié)合礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算得出凍結(jié)段井壁厚度為900 mm，其中外、內(nèi)井壁厚為500 mm和400 mm。井壁采用C40混凝土澆筑，施工時(shí)外井壁混凝土中添加防凍劑，內(nèi)井壁混凝土中添加防水劑。

根據(jù)井壁強(qiáng)度驗(yàn)算和配筋率要求，在外井壁的外側(cè)設(shè)外環(huán)筋和外豎筋，在內(nèi)井壁的內(nèi)側(cè)設(shè)內(nèi)環(huán)筋和內(nèi)豎筋，鋼筋均采用直徑20 mm、間距300 mm，保護(hù)層厚度為60 mm。施工時(shí)內(nèi)、外井壁之間設(shè)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(nèi)層用膠結(jié)法與外層塑料板聯(lián)系。井筒凍結(jié)段斷面如圖1所示。

圖1 凍結(jié)段井筒斷面示意Fig.1 Section of frozen shaft

3 數(shù)值模擬分析

為驗(yàn)證新風(fēng)井凍結(jié)段井壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能否滿足井筒強(qiáng)度要求，進(jìn)行ANSYS數(shù)值模擬分析。

3.1 模型單元參數(shù)

建模時(shí)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(hào)單元模型，用8節(jié)點(diǎn)的非線性三維實(shí)體代替混凝土單元（材料力學(xué)參數(shù)見表2），用三維桿Link8代替鋼筋單元，采用Willam-Wamke5破壞準(zhǔn)則。

表2 混凝土材料基本力學(xué)參數(shù)Table 2 Basic mechanical parameters of concrete materials

3.2 模型基本假設(shè)

對(duì)凍結(jié)段井壁強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，為確保模擬結(jié)果的可靠性，建模時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的假設(shè)[5]。

（1）假設(shè)混凝土和鋼筋之間的粘結(jié)性良好，不存在相對(duì)滑移現(xiàn)象，兩者單元之間通過節(jié)點(diǎn)合并來協(xié)調(diào)變形位移。

（2）假設(shè)井筒井壁結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力在同一水平是均勻分布的，不考慮集中應(yīng)力。

（3）假設(shè)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(jì)。

（4）假設(shè)井壁結(jié)構(gòu)始終能夠傳遞剪力，當(dāng)井壁內(nèi)部開裂時(shí)，裂縫之間仍能相互咬合，且不考慮加載中的應(yīng)力松弛。

3.3 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)井筒結(jié)構(gòu)參數(shù)、模型單元參數(shù)（井壁外應(yīng)力取凍結(jié)最深位置應(yīng)力）創(chuàng)建模型，運(yùn)行計(jì)算并處理，得出井筒外井壁應(yīng)力云圖（圖2），內(nèi)井壁應(yīng)力云圖（圖3）。

從圖2得知，井筒外井壁應(yīng)力最大值為29.7 MPa，位于外井壁的內(nèi)緣。采用C40混凝土，抗壓強(qiáng)度為40 MPa，理論上井筒外井壁承載力滿足要求。在實(shí)際施工時(shí)，凍結(jié)段的應(yīng)力增加較快，應(yīng)考慮混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間強(qiáng)度。根據(jù)混凝土強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間規(guī)定[6]，初期強(qiáng)度約為最終強(qiáng)度的80%，即初期強(qiáng)度為32 MPa，大于模擬結(jié)果29.7 MPa，證明了井筒外井壁結(jié)構(gòu)的可靠性。

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

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

圖3 井筒內(nèi)井壁應(yīng)力云圖Fig.3 Borehole wall stress nephogram in wellbore

4 工程應(yīng)用

最終司馬礦新回風(fēng)立井按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行凍結(jié)法施工，于2018年施工完畢并竣工驗(yàn)收。至今已運(yùn)行兩年，井筒凍結(jié)段穩(wěn)定性一直良好，未發(fā)現(xiàn)開裂、變形、漏水現(xiàn)象，再次證實(shí)了井筒凍結(jié)段外井壁和內(nèi)井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。新回風(fēng)立井凍結(jié)段井壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析可作為井筒施工圖的補(bǔ)充，為立井順利實(shí)施凍結(jié)法提供理論分析依據(jù)。該分析可為其他類似條件礦井井筒實(shí)施雙層井壁凍結(jié)法施工提供技術(shù)參考，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。