深凍結井內層可縮性井壁接頭設計研究★

薛大偉，張瀚文，程龍藝，張 偉，李廣平

(1.安徽皖北煤電集團錢營孜煤礦,安徽 宿州 234000; 2.安徽理工大學土木建筑學院,安徽 淮南 232001)

1 概述

立井井筒作為煤礦工程的“咽喉”連接著地面工業廣場和地下采場工作面,具有提運煤炭、運送人員和通風等功能,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,我國徐淮礦區井筒相繼因過大豎向附加力發生破裂,這是由于含水層水位下降以及凍結壁融沉,使得土體有效應力不斷變大,最終引起土體固結沉降。由于煤礦井筒剛度較大,無法產生過大豎向變形,使得井筒與土體之間產生相互作用形成負摩阻力,即豎向附加力。隨著豎向附加力不斷增大,當豎向附加力超過井筒極限承載力時,井筒出現破裂[1]。由于過去我國未將豎向附加力考慮到井筒結構設計中,使得井筒破裂事故頻繁發生。同時,隨著淺層煤炭資源枯竭,新建礦井多在深部煤層,面對地質條件十分復雜的深厚表土層,多采用凍結法鑿井施工。為提高井筒安全性,迫切需要針對豎向附加力問題給出一種解決方法。

目前,張浩[2]對淮南丁集煤礦凍結井進行分析,如考慮土體豎向附加力作用,井筒混凝土等級取C70時,井筒厚度將達到3 m,這大大增加了施工成本;蔡海兵等[3]針對煤礦井筒因過大豎向附加力發生破裂這一問題,研發出一種設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性能,并在接頭設置位移傳感器監測其壓縮量,給出了接頭壓縮量隨時間變化曲線;劉樹彪等[5]以丁集煤礦為例,采用ANSYS軟件進行分析,研究了可縮性井壁接頭數量和設計位置的最優方案;榮傳新等[6]采用試驗和數值模擬相結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壓性優異,且變形前后均未出現滲漏現象;舒恩等[7]以楊村煤礦風井三立板可縮性井壁接頭為例,采用ANSYS軟件中優化設計程序將接頭外立板厚度減小10 mm。

綜上所述,為預防井筒因豎向附加力過大而發生破裂有兩種解決方法:1)采用“抗”的方法,即提高混凝土強度或井筒厚度來抵抗豎向附加力,但這種方法不僅技術上難以實現,而且大大增加了經濟成本;2)采用“讓”的方法,即在井筒中設置可縮性井壁接頭,當豎向附加力過大時,接頭發生壓縮變形,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計等相關工作,便可有效防治井筒因豎向附加力過大而發生破壞。

2 可縮性井壁接頭的接頭設計

為防治井筒破裂,起到衰減豎向附加力作用,可縮性井壁接頭應具有以下兩個特點: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,在達到井筒極限承載力之前,可縮性井壁接頭產生壓縮變形,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生漏水現象。

2.1 設計要求

1)強度要求。可縮性井壁接頭極限承載力應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生壓縮變形,衰減豎向附加力,預防井筒出現破裂;同時,可縮性井壁接頭側向能夠承受住井筒周圍土體的側向壓力。

2)壓縮量要求。為滿足井筒結構設計需要,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,則可在同一個井筒中設置一道或者多道可縮性井壁接頭。

3)防水防腐要求。可縮性井壁接頭自投入使用至發生壓縮破壞不出現漏水、滲水現象;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。可縮性井壁接頭應具有構造簡單、加工便捷的特性,另外,接頭材料容易獲得、高性價比也在考慮范圍內。

2.2 結構形式

為滿足可縮性井壁接頭豎向可“讓”,橫向可“抗”的要求,本文以錢營孜煤礦新副井累深229 m處雙立板可縮性井壁接頭為例進行研究,該接頭采用Q235-B鋼材,鋼板之間通過焊接連接在一起,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,并在鋼墊板內緣上設置有混凝土振搗孔,用于振搗接頭下部混凝土,上、下法蘭盤之間是兩圈環狀立板,用于承受豎向載荷,內、外立板上均開設一個瀝青注入口,通過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,用于承受側向荷載,在上法蘭盤外表面和下部鋼墊板下表面均設置一個防水鋼圈,用于阻隔地下水,防止井筒與可縮性井壁接頭交界處出現滲水現象。

2.3 參數設計

可縮性井壁接頭幾何尺寸應根據井筒厚度、混凝土強度、質量以及直徑等因素綜合確定。同時,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可縮性井壁接頭先產生壓縮變形[9-10]。由于內、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計為重點。

累深229 m處井筒內壁混凝土強度等級為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、內圈立板的中心半徑分別為3.615 m,3.36 m,尺寸設計結果由以下公式得出。

井壁臨界承載力設計值為:

(1)

其中，σ0為該層位混凝土強度;α0為折減系數,取0.7;R0為井壁外半徑;r0為井壁內半徑。

由式(2)選取各立板厚度如下:

(2)

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

可縮性井壁接頭的實際臨界承載力為:

Pcr=2πβ0σs(δ1×r1+δ2×r2)

(3)

對于累深229 m處井筒內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為恒載分項系數,取1.2；h0為層位厚度。

對于累深229 m處井筒內壁混凝土的極限承載能力:

Pzmax=2P

(5)

假設載荷均勻分布在可縮性井壁接頭的上法蘭盤,則臨界應力值為:

(6)

其中，R，r分別為可縮性井壁接頭內、外緣中心半徑。

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

在錢營孜煤礦新副井中共設置豎向雙立板可縮性井壁接頭1個,依據施工現場提調能力及新副井井筒直徑,將可縮性井壁接頭分為8節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,接頭設計參數匯總見表1。

表1 接頭設計參數

3 可縮性井壁接頭的數值模擬

3.1 有限元分析模型

對錢營孜煤礦新副井可縮性井壁接頭的豎向承載力和側向承載力采用ANSYS軟件進行分析。該數值模擬屬于軸對稱問題,Q235-B材料的本構關系選取彈塑性理想模型,單元類型采用4節點Plane42二維實體單元,接頭材料彈性模量取210 GPa,泊松比取0.3,屈服應力取220 MPa,屈服模量取0。根據2.3節中設置在錢營孜煤礦新副井累深229 m處雙立板可縮性井壁接頭尺寸參數建立有限元模型,利用分割方法畫出規整的網格,網格數量為580,如圖3所示。

3.2 可縮性井壁接頭豎向承載力

進行可縮性井壁接頭豎向承載力分析時,對接頭下邊界施加約束,使其不產生任何位移和轉角,在外弧板上施加2.0 MPa恒定側向壓力,然后在上邊界不斷施加載荷直至可縮性井壁接頭發生屈服為止,此時施加載荷值即是接頭的臨界承載力。

由于實際工程需要雙立板可縮性井壁接頭的豎向承載力滿足強度要求,采用ANSYS軟件對接頭豎向承載力進行模擬,模擬結果如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知,上邊界豎向載荷在22 MPa之前,接頭的最大等效應力隨豎向載荷增加呈直線變化,處于彈性階段;當上邊界豎向載荷超過22 MPa后,曲線斜率開始變小,接頭的最大等效應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,接頭最大等效應力達到所設屈服應力(220 MPa),接頭發生屈服,其豎向承載力為26.5 MPa,這與理論計算式(6)僅相差5.58%。

3.3 可縮性井壁接頭側向承載力分析

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

由于實際工程需要雙立板可縮性井壁接頭的側向承載力滿足強度要求,采用ANSYS軟件對接頭側向承載力進行模擬,模擬結果如圖7～圖9所示。

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

3.4 可縮性井壁接頭穩定性分析

穩定性分析也就是屈曲分析現在已經成為設計分析的一個重要方面,由于可縮性井壁接頭是薄壁圓筒狀的,極有可能接頭未達到極限承載力之前就已經失穩[11-12]。

利用ANSYS軟件中屈曲分析模塊,對錢營孜礦新副井可縮性井壁接頭進行線性特征值屈曲分析,得到內、外立板屈曲模態圖,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 結語

1)給出雙立板可縮性井壁接頭設計要求,詳細介紹了接頭的結構形式,對各個部件功能做出了闡述。

2)通過理論計算得到錢營孜煤礦新副井可縮性井壁接頭設計參數如下:內、外立板厚30 mm,高400 mm,上、下法蘭盤厚30 mm,弧板厚20 mm。

3)數值模擬分析結果得到接頭最大等效應力隨豎向載荷變化曲線,其豎向承載力為26.5 MPa,這與理論計算僅相差5.58%。獲得接頭最大等效應力隨側向載荷變化曲線,其側向承載力28.2 MPa,遠大于實際承受荷載,故滿足可縮性井壁接頭強度要求。

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