易四海

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

井筒采動損壞評價方法

易四海

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

目前國內外對井筒的采動損壞缺乏定量的評價方法，井筒的采動設計與保護容易產(chǎn)生安全隱患。為此，通過總結井筒采動變形、破壞的形式和特點，并根據(jù)井壁破壞與圍巖變形的關系，主要針對混凝土、鋼筋混凝土井壁，建立了科學可行的井筒采動損壞評價方法和指標：以井壁與圍巖的豎向變形關系為主要評價指標，分別建立了表土、基巖段井壁豎向壓縮(拉伸)變形破壞的計算公式。通過井筒采動損壞實例分析，印證了該評價方法和指標的可靠性。研究成果解決了井筒采動損壞的安全性評價問題，為井筒煤柱開采的安全設計提供了可靠的技術保障。

井筒 采動損壞 安全 評價方法 指標

礦井井筒是聯(lián)系地面和地下巷道的生產(chǎn)中樞系統(tǒng)，其安全性歷來都是礦井安全生產(chǎn)保護的重中之重。但由于目前國內外對井筒的采動損壞規(guī)律研究不足，尚無明確的采動損壞評價標準，尤其是缺乏井筒采動損壞的定量評價指標，在進行井筒采動損壞鑒定或保護煤柱開采設計時多依賴現(xiàn)場經(jīng)驗，以定性分析或判斷為主[1-4]，致使采動損壞鑒定過于片面主觀，保護煤柱開采設計也往往缺乏科學根據(jù)，這就給井筒保護帶來了風險。

因此，有必要根據(jù)井壁破壞與覆巖變形的關系，建立井壁采動損壞的評價方法和指標，以解決井筒采動損壞的安全性評價問題，為井筒煤柱開采的安全設計提供可靠的技術保障。

1 覆巖移動變形對井筒的影響

地下開采引起的覆巖移動和變形，對構筑于覆巖內部的井筒將產(chǎn)生影響，這種影響一般是通過圍巖與井壁之間的緊密接觸相互作用產(chǎn)生的?，F(xiàn)場實踐表明，采動引起的巖層移動可使巖體內的井筒井壁遭受豎向壓縮(拉伸)變形和破壞、偏斜變形、水平斷面變形和破壞、錯動破壞等采動損壞[1-2]。

大量井筒破壞實例表明，在這些井壁變形、破壞形式中，以豎向變形、破壞最為常見，這與井筒為豎向線性構筑物的特點有關。由于井筒豎向比較長，采動豎向附加力累積比較大，容易超過井壁的豎向承載力而致井壁破壞。因此，對井筒的安全評價應以井壁與覆巖的豎向變形關系為主要評價指標。

2 井壁破壞與覆巖變形的關系

井壁受開采影響的損害程度主要取決于井壁與覆巖的黏結性能、覆巖變形值的大小、覆巖組合的力學結構和井筒本身抵抗采動變形的能力等因素。由于井壁與表土、基巖的黏結性能差異較大，為此，將對表土、基巖段井壁破壞與覆巖變形關系分別論述。

2.1 基巖段井壁破壞與覆巖變形的關系

對于基巖內的井壁，由于井筒井壁的外表面是一凹凸不平的混凝土結構面，井壁與它周圍的巖(土)層之間產(chǎn)生了良好的黏結能力，這種黏結力使得井壁和其周圍的巖石良好地結合在一起。在采動影響作用下，巖(土)層產(chǎn)生的水平移動、沉降作用到巖體內的井壁，井壁與圍巖協(xié)同變形[5]。

特別是井壁圍巖硬度大致相當時，當圍巖豎向變形達到井壁材料極限應變值時，即可判斷井壁產(chǎn)生豎向壓縮(或拉伸)破壞，即

(1)

式中，εw0為井壁材料處于極限抗壓(拉)強度時的變形量，也叫極限壓(拉)應變，m/mm；εs0為圍巖的豎向極限變形，m/mm。

當井壁圍巖軟硬相間時，井壁容易在軟巖處產(chǎn)生豎向壓(或拉)應力集中，從而發(fā)生豎向壓縮(或拉伸)破壞。此條件下，井壁產(chǎn)生豎向壓縮破壞，圍巖豎向極限變形應為井壁材料極限應變值處于一個集中系數(shù)，即

(2)

式中，k為軟硬相間圍巖在軟巖層處的變形集中系數(shù)，其值根據(jù)軟硬相間巖層硬度差異性及巖層厚度確定，可取1～10。

混凝土、鋼筋混凝土井壁是目前應用最廣泛的立井支護方法。對于混凝土井壁，混凝土的極限壓(拉)應變與混凝土的標號有關[6-7]，其取值可參考《混凝土結構設計規(guī)程》中混凝土單軸受壓(拉)應力-應變曲線的參數(shù)取值。對于鋼筋混凝土井壁，由于混凝土會在鋼筋屈服之前達到極限壓(拉)應變，從而在井壁上出現(xiàn)裂縫，這對起封堵涌水作用的井筒來說就意味著破壞，因此，鋼筋混凝土井壁對應的圍巖豎向極限變形可參照混凝土井壁求得。

2.2 表土段井壁破壞與覆巖變形的關系

對于表土內的井壁，由于表土內巖(土)層力學強度低，抗剪能力弱，井壁與表土黏結性能比較差。在采動影響作用下，井壁與表土圍巖會發(fā)生相對滑移，致使井壁外側面產(chǎn)生豎向附加力。

采動影響條件下，表土段井壁要保持不受采動破壞，要求表土段井壁所受的豎向荷載應小于井壁結構的承載力[8]，即

(3)

式中，Qf為計算截面以上井壁所受豎向附加力，MN；Qt為計算截面以上井壁重力，它包括井壁自重力，井筒上的井塔以及井筒裝備等重力，MN；R為計算截面以上井壁結構的豎向承載力，MN。

其中，井壁所受豎向附加力可用井壁圍巖的平均豎向變形量來表示：

(4)

對于彈塑性井壁材料，井壁破壞的臨界點為井壁抗壓強度處于極限，用極限變形表示，則井壁極限狀態(tài)下的承載力可表示為

(5)

將式(4)、式(5)代入式(3)，可求得井壁發(fā)生采動損壞時，圍巖的平均豎向變形值為

(6)

(7)

式中，ρ為井壁材料與圍巖體的變形模量之比。

對于混凝土井壁，普通混凝土的變形模量約為30GPa。文獻[9]中根據(jù)巖體的堅硬程度和完整程度劃分的巖體分級標準，將表土段巖體定級為Ⅳ級(軟巖或巖體破碎)或者Ⅴ級(極軟巖或巖體極破碎)巖體。參照各級巖體的變形模量，若表土段圍巖為Ⅳ級巖體時，巖體變形模量為6～1.3MPa，則ρ值取5～23；若表土段圍巖為Ⅴ級巖體時，巖體變形模量小于1.3MPa，則ρ值取值23以上。

3 井筒采動損壞實例分析

3.1 井筒概況及損壞實況

某礦為解決礦井通風安全，新建了1條進風井，井筒凈直徑6.0m，井深約730m，其中，表土段90m，采用雙層鋼筋混凝土支護，壁厚500m，混凝土強度等級為C30；基巖段640m，采用素混凝土支護，壁厚500m，混凝土強度等級為C30。進風井還用作副井，含提升系統(tǒng)及3趟管路。井壁圍巖基巖段主要由泥巖、砂巖、砂質泥巖相間組成，表土段由黏土層、流沙組成。區(qū)域地質構造較簡單，巖體整體較完整。

該井筒自建成投入運行后，發(fā)現(xiàn)進風井筒及裝備存在多處變形破壞等安全隱患。主要有如下變形破壞：

(1)井筒井壁在117～123m深處出現(xiàn)變形裂縫，裂縫寬5～30mm。

(2)井筒內提升系統(tǒng)變形嚴重，罐道從上井口到180m處出現(xiàn)嚴重彎曲變形。

(3)井筒內管路在96～234m出現(xiàn)嚴重彎曲變形，多處破裂漏風。

經(jīng)調查，該風井建于鄰礦井田范圍內，鄰礦在該區(qū)域附近開采了丙、丁、戊、己組煤層。其中，丙、丁組煤層為建井之前開采，井筒施工過程中揭露有丙、丁組煤采空區(qū)；戊、己組煤層為建井之后開采，部分工作面進入了井筒保護煤柱內。

3.2 井壁破壞標準

結合該礦井筒建設和井下開采情況，并參照混凝土、鋼筋混凝土的變形性能(C30混凝土的極限壓應變約為-1.47mm/m，極限拉應變0.095mm/m)，可以認為：

(1)基巖段，圍巖主要由頁巖、砂巖、砂質頁巖相間構成，變形集中系數(shù)k可取值為1.5。由式(2)可求得，在基巖段圍巖豎向壓縮變形超過-1.0 mm/m時，井壁產(chǎn)生豎向壓縮破壞；在基巖段圍巖豎向拉伸變形超過0.06 mm/m時，井壁產(chǎn)生豎向拉伸破壞。

(2)表土段，巖(土)體為極軟巖，巖體較完整，ρ值可取40。由式(7)可求得，在表土段圍巖平均豎向壓縮變形超過-0.33 mm/m時，井壁產(chǎn)生豎向壓縮破壞，且井壁破壞一般只在表土層與基巖交界處附近發(fā)生。

3.3 井筒采動損壞分析

由井下開采情況進行了井筒的采動變形預計，采用概率積分法進行預計，建井之后新工作面開采沉陷預計參數(shù)如下：下沉系數(shù)0.75，水平移動系數(shù)0.3，主要影響角正切1.8，拐點偏移系數(shù)0.06，開采影響傳播角系數(shù)0.65；建井之前老采空區(qū)殘余或“活化”沉陷預計參數(shù)如下：下沉系數(shù)0.03～0.15，水平移動系數(shù)0.3，主要影響角正切1.4～1.6，拐點偏移系數(shù)0.05，開采影響傳播角系數(shù)0.5。

圖1為進風井井壁豎向上的移動值W與變形量εv曲線圖。

圖1 進風井豎向上的移動與變形曲線

經(jīng)計算，進風井受采動影響范圍為0～375 m段，井口豎向移動(即下沉)為412 mm，表土層與基巖交界處豎向移動(即下沉)為400 mm，豎向變形表現(xiàn)壓縮變形，最大壓縮變形為-4.2 mm/m，表土段平均豎向壓縮變形為-0.13 mm/m。參照上述該礦的井壁破壞標準，根據(jù)進風井圍巖預計結果，可推測進風井井壁將有可能在井深110～280 m段出現(xiàn)壓縮裂縫，罐道、管路將有可能在0～375 m段出現(xiàn)彎曲變形或破壞。進風井內井壁、罐道、管路的實際破壞變形情況與預測結果基本一致。

由此可判定，鄰礦戊、己組煤層新采面的采動影響和丙、丁組老采空區(qū)的活化殘余沉陷變形影響(井筒穿過老采空區(qū))，是風井井筒發(fā)生采動損壞的主要原因。這也印證了該評價方法和指標適用于井筒采動損壞安全性評價。

4 結 論

(1)分析、總結了井筒采動變形、破壞的形式，根據(jù)大量井筒破壞實例顯示井壁破壞主要為豎向變形的特點，認為井筒安全評價方法應以井壁與覆巖的豎向變形關系為主要評價指標。

(2)根據(jù)表土、基巖段井壁與圍巖變形關系，分別建立了表土、基巖段井壁豎向壓縮(拉伸)變形破壞的計算公式。

(3)通過井筒采動損壞實例分析，印證了井壁豎向壓縮(拉伸)變形破壞評價方法和指標的可靠性。該評價方法和指標適用于井筒采動損壞安全性評價。

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[8] 中華人民共和國國家標準編寫組.GB 50384—2007 煤礦立井井筒及硐室設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2007. The National Standards Compilation Group of People′s Republic of China.GB 50384-2007 Code for Design of Coal Mine Shaft and Chamber[S].Beijing:China Planning Press,2007.

[9] 中華人民共和國國家標準編寫組.GB 50218-94 工程巖體分級標準[S].北京：中國計劃出版社，1995. The National Standards Compilation Group of People′s Republic of China.GB 50218-94 Standard for Engineering Classification of Rock Masses[S].Beijing:China Planning Press,1995.

(責任編輯 徐志宏)

Study on Mining Damage Evaluation Method for Shaft

Yi Sihai

(TangshanResearchInstitute,ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Tangshan063012，China)

At present，there is lack of the quantitative evaluation method for mining damage of shaft at home and abroad.It is easy to produce hidden danger for shaft′s mining design and protection.Thus，the form and characteristics of shaft′s mining damage are summarized.And also，according to the relationship of shaft lining damage and wall rock deformation，the scientific and feasible evaluation method and index of mining damage are established which aims at the concrete and reinforced concrete shaft lining.With the relationship of vertical deformation between shaft lining and wall rock as the main evaluation index，the calculation formula of vertical compression deformation damage of surface soil and bedrock section shaft lining are established separately.Through the example analysis on shaft mining damage，the reliability of the evaluation method and index are corroborated.The research solves the problems in safety evaluation of shaft mining damage，and supplies the safe and reliable technical support for safety design of shaft coal pillar mining.

Shaft，Mining damage，Safety,Evaluation method，Index

2015-02-02

國家自然科學基金項目(編號：51074089)。

易四海(1980—)，男，副研究員，博士。

TD262;TD313

A

1001-1250(2015)-04-146-04