井筒破坏机理分析及治理方案

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1、井简破坏机理分析及治理方案肖银武1，杨小燕2(1．安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南232001；2．河南郑州新郑市南水北调双洎河项目部，河南郑州451150)摘要：通过对龙固矿副井井筒、井壁破坏机理进行系统的分析可知，表土层疏水固结沉降、地面工业广场采动与冻结融沉等对井壁产生的较大竖向附加力导致了井壁局部的应力集中，引起井壁的局部表面破坏。提出了副井井壁的治理原则与治理方案，达到了预期效果。关键词：副并井筒；破坏机理；治理方案中图分类号：TU312+．3文献标识码：B文章编号：1672—401l(2012)0

2、6—00“一031问题的提出龙固矿副井井筒采用冻结法施工，井筒口设计永久标高为+35．30m，自然地坪标高为+33．00m，冻结深度248．0m，冻结段井壁总深242m。其中穿越第四纪表土地层为193．7m，表土底部以砂与粘土互层。井筒是矿井的咽喉。该井筒在位于垂深200m左右、49号罐道梁处发生突然性破坏，破坏段高约2．Ova，涌水量达到1m3／h。目前副井存在较大破坏段、变化严重，对矿井的安全生产存在威胁，对该井筒进行综合修复加固处理十分迫切。为此，针对工程地质条件和井壁破坏特征提出以下修复加固方案。2井壁

3、破坏机理分析龙固矿副井井壁破坏的形态基本上表现为混凝土成片状剥落，剥落的深度远小于其高度，竖向钢筋受竖向压缩呈向井内屈曲状态，井壁混凝土破裂裂缝呈闭合状，从井壁的破裂形态可以看出，井壁是受到了以竖向应力为最大主应力，切向应力为第二主应力，径向应力为最小主应力的压剪破坏，由于井壁内缘开始片状剥落，并逐步向井壁深处延展，整个剥落带为一环形的带高远大于深度的破坏区域。根据莫尔强度理论可以得到井壁中混凝土破坏剥落面与竖直方向的夹角。咖=÷口rcctg巧南1，r2式中：盯2寺(盯-一，，一A)A。丽南矿。17"。一分别为

4、混凝土的单轴抗压强度与抗拉强度。由此可得C45的混凝土，其‘p在30。左右。由此推论得到的井壁破坏面与井壁实际发生的破坏面很一致(如图1)。龙固矿副井破坏时井壁的应力状态可以从上述井壁破坏形态的表观现象中得到合理的分析。在过去的井壁设计计算中，均把井壁内由于侧向水土压力作用而产生的切向作者简介：肖银武(1982一)，男，湖南邵阳人，安徽理工大学土木建筑学院在读研究生，主要研究方向地下结构工程。应力为最大主应力，竖向应力为第二主应力。那么是何种外荷载导致了井壁内产生如此的应力状态改变呢?下面就要从井壁的受力条件进

5、行分析。要导致井壁中竖向应力成为最大主应力，必然要在竖直方向有一个作用于井壁的大荷载，由于井壁破坏发生在表土地层底部位置，则这个荷载必然与表土地层及该段井壁有关，井壁在竖直方向除了自重与井简装备以外没有直接施加的显荷载，而此显荷载已在过去的井壁设计中考虑过的，它们不能导致井壁应力状态的改变。这就必然存在一个由表土地层与井壁之间的相互作用产生的隐形荷载。从井壁破坏成水平环状破坏带的分布特征，这个隐形荷载应该是关于井筒中心基本上对称的，则不可能是某一局部位置地层的水平方向运动产生的水平推力引起的，必然是沿井壁与表土

6、地层的接触表面，作用一个方向为竖直向下的面荷载。／，l一环向钢筋2一竖向钢筋士一破坏面与a．的夹角·⋯理论破坏面——现场实际破坏面’心线图1井壁实际破坏面与理论分析破坏面显然要在井壁外表面产生一个巨大的竖向面荷载，必然是表土地层的变迁引起的，从自井筒建成后到投产的一段时间内，均末发生井壁的破坏，在井壁投产后发生了井筒的这种破坏现象，这表明表土特性的变化与矿井生产是有关。但矿井的开采是在煤系地层中进行，并未与表土地层发生直接的关系，要说开采后地表的塌陷，由于保安煤柱的存在，也是不会影响井筒的。通过对井筒水文地质情

7、况的分析，龙固矿的表土底部含水层直接覆盖于煤系地层，矿井开采后底部含水层的水渗入井下采空区域，使含水表土地层失水后土层固结，导致地层的压缩沉降，如图2所示。而位于表土地层包围之中的井壁是由钢筋混凝土制成的。与表土地层相比，其刚度很大，这样，表土地层与井壁的接触面上就会产生一个相对滑动或滑动趋势。这个相对运动的过程就给并壁外表面施加了一个向下的面荷载，由于井筒穿越的表土较深，此面荷载沿深度分布，到表土底部累积的总荷载就十分巨大了。由于过去井壁设计时未考虑到此荷载^?仃在，井壁的竖向承载能力不足以抵御此附加的活荷载

8、，最终导致了井壁的破坏。即竖向附加力引起井筒破坏。另外，龙固矿副井由于穿过的表土层深厚，冻结壁厚度大、平均温度低，冻胀较大，当冻结壁解冻后，冻土融沉较大，增大了竖向附加力数值，加剧了井壁破裂。h一底含水层固结压缩量△h一底含水层承压水位下降量z一地表沉降量图2含水层疏水固结沉降示意图3修复治理设计原则自1987年以来，黄淮地区的淮北、大屯、徐州、兖州、永夏等矿区有60多个矿井井筒相继发