煤矿立井次生地压分布规律研究之一

作者:代写论文来源：星论文网发布时间：2011-07-01 14:09:46

　摘要：：针对第四纪冲积层底部含水层疏水引发立井次生地压发生与变动的情况，展开次生地压分布规律的研究。通过将底部含水层之上的表土划分成若干薄板单元进行受力与变形的解析分析，揭示立井次生地压与原始地压相比已经发生了巨大的变化，随着距地表距离的增大，立井次生地压显现出趋于稳定值的特征。因为次生地压的分布规律直接关系着作用于外井壁之上的竖向附加力分布规律，因此，研究结果对煤矿立井井壁破裂规律的研究具有重要意义，对深厚表土层中立井井壁结构的优化设计具有重要的参考价值。
　　关键词：立井；次生地压；薄板单元
　　中图分类号：TD262.11文献标识码：A 文章编号：1672-1098(2011)01-0001-04
　　Research on Distribution Regulation of Secondary Stress of Shaft
　　——Under Condition of Bottom Aquifer Great Subsidence by Dewatering
　　JING Lai-wang, XUE Xue-gui, HAO Peng-wei，YE Li-ping ZHAO Ke-xiu， ZHANG Hong-xue, ZHANG Ning
　　(Department of Mechanics, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)
　　Abstract:Aiming at secondary strata stress occurrence and change in shaft of coal mine caused by dewatering of bottom aquifer of thick silting deposit formed in quaternary period, the secondary strata stress distribution regulation was studied. Surface soil on bottom aquifer was divided into some thin-plate elements in order to analyze stress and deformation. The results showed that the secondary stress changes a lot compared with the initial strata stress, and the secondary stress levels off with increase of the distance from the ground surface. As distribution regulation of secondary stress influences on regulation of vertical additional stress acting on outside shaft lining, the results have great significance for research of shaft lining fracturing regulation, and important reference value to optimal design of shaft lining structure in deep alluvium.
　　Key words: shaft； secondary strata stress； thin-plate element
　　20世纪八十年代以后，我国的徐、淮、大屯、永夏、兖州等矿区陆陆续续发生了大规模的煤矿立井井壁破裂事故［1-6］，轻者导致煤矿停工停产、重者导致煤矿涌水淹井。对此，国家投入了大量的人力物力进行了攻关研究，获得了许多极具价值的研究成果，如双层复合井壁结构、高强高性能混凝土井壁材料、附加钢板井壁结构、大弧板井壁结构、井壁卸压槽防破处理手段等，这些研究结果的诞生对解决这一煤矿井筒特殊灾害问题发挥了巨大的作用。近些年来，井壁破裂事故仍旧在断断续续地发生，这一方面说明了立井井壁结构的设计尚存在需要改进之处；另一方面也说明了井壁破裂机理的研究也需要进一步的完善。
　　此外，近年来煤矿新井建设中出现一些新的情况也说明了这一领域需要进一步研究，如：①立井井壁使用的高强高性能混凝土等级越来越高，C100混凝土已经制备出来［7］，C90混凝土已经投入使用［8］； ② 井壁的厚度越来越大，某些井壁厚度已经超过2 m。因此与立井井筒竖向附加力直接相关的井筒次生地压分布规律的研究成了人们关注的中心，本课题的研究正是在这样一个背景下展开的。
　　1 立井次生地压求解模型的建立
　　底含层大幅疏水沉降情况下的立井次生地压分布规律研究，是针对立井井筒周围的表土相对井筒已经发生了很大的下沉，且地表处表土与井筒之间发生明显的相对错动进行的。这种情况下，底部含水层之上的上覆表土与井筒之间发生的剪切变形已超出了表土的剪切弹性极限，即剪切变形已处于塑性的范围。对于某一深度位置，表土与井壁之间的剪切力进入塑性范围之后，随即恒定在某一具体数值。该数值与该处的竖向地压之间应存在如下的关系：
　　τz=k0•λ•(σv）z（1）
　　式中：τz、(σv)z为距井口距离在z处的表土与井壁之间的竖向附加力和表土的竖向应力，MPa；k0为表土与井壁之间的最大静摩擦系数；λ为表土的侧向应力系数。
　　对于地下水流失过程中表土所表现出来的弯曲变形，不难看出上述的竖向附加力是这种弯曲变形的根源。又因竖向附加力与相应位置处的土的竖向应力之间存在如式(1)所示的正比例关系，因此，竖向附加力的研究可通过对相应位置处土的竖向应力的分析来进行。在进行竖向应力分析之前，首先利用轴对称薄板变形的弹性理论进行弯曲薄板挠曲线的求解(见图1)。
　　a. 弯曲底层受力模型；b~c. 弯曲底层受力简化模型；d. 弯曲地层挠度分析
　　图1 地层弯曲变形分析
　　力学模型中，z表示薄板单元取自距地表距离为z处的深度，m；Qz表示z处表土与井筒外壁之间的相互剪切力，N；(σv)z表示距地表距离为z处的井筒外壁处的竖向地压，MPa；d(σv)z表示z+dz处竖向地压的增量，MPa；dz为薄板的厚度，m；K为表土的弹性压缩模量，MPa；w为表土弯曲变形对应的挠度，m；γe为表土的容重，Kg／m3；g为重力加速度，m／s2；R为井筒的外径，m。
　　2立井次生地压分布规律分析
　　依据弹性理论［9-10］，轴对称薄板变形的求解方程为
　　(d2dr2+1rddr)(d2wdr2+1rdwdr)=q-kwD(2)
　　式中：D为薄板的抗弯刚度，MPa•m3，且D=Eh／［12(1-u2)］； w为薄板弯曲变形的挠度， m； q=γe gz，γe为表土的容重，Kg／m3；k为地基弹性模量，MPa／m； r为圆板中点的径距，m。式(2)还应该满足如下的边界条件：
　　wr=∞=γegdz/k wrr=∞=0(3)
　　对于式(2)，可利用贝塞尔函数［11］并结合边界条件求解，最终可得地层弯曲的挠曲线方程为
　　w=RQzkl2
　　｛1［(1+ln 2-γ)R416l4+R464l4-R416l4lnRl-πR28l2］｝keix+γegdzk(4)
　　式中： k0为表土与井壁之间的最大静摩擦系数； λ为表土的侧向应力系数； l=4Dk， m； keix=-(e-σ2xπ)sin(σ+π8)；σ=x2；x=rl；z=wl；γ=0577 215 7…，为欧拉常数。
　　式(4)中的w应满足如下的边界条件：
　　wr=R=γeg•dz-d(σv）zk(5)
　　联合求解式(1)、式(4)和式(5)，并同时考虑如下关系式和边界条件σz=0=0：
　　Qz=τz•dz (6)
　　即可得到次生地压分布规律数学表达式为
　　(σv)z=2γegλk0p(1-e-λk0pz)(7)
　　式中：
　　p=Rkei(Rl)［R416l4lnRl+πR28l2-(1+ln 2-γ)R416l4-R464l4］l2 。
　　显然，立井次生地压同原始地压相比已经发生了巨大的变化，随着距地表距离的增大，立井次生地压显现出逐渐趋向于零的特征，即如图2所示的变化规律。
　　图2 立井次生地压分布规律
　　3 实例列举
　　上世纪八十年代，文献［12］经过现场测试获得的井壁竖向应力呈近似线性分布的重要结论(见图3)，文献［13］进行的数值模拟(见图4)，文献［14］关于井筒压力的实测研究，均与本研究结果相印证，表明了研究结果的正确性。
　　图3 临涣主井竖向井壁应力分布规律示意图
　　1.侧压+重力；2.侧压+重力+1a附加力；3.侧压+重力+5 a附加力；
　　4.侧压+重力+10 a附加力(首次破裂)；5.侧压+重力+13 a附加力(压碎)
　　图4 井壁内侧应力变化规律
　　4 结语
　　1) 本文的研究结果仅针对发生疏水沉降的立井地压；
　　2) 该结论对目前我国井壁结构设计中采用的挡土墙地压理论与重液理论的现状的变革具有重大意义；
　　3) 在进行井壁结构设计时，应将挡土墙地压理论与次生地压理论比较分析，最终应取偏于安全的一种计算理论，因为在进行井壁结构设计时，无法预测表土是否会发生疏水沉降，若不发生疏水沉降，则应用挡土墙地压理论或重液理论进行井壁结构设计的依据，否则应采用次生地压理论进行井壁结构的设计。
　　参考文献：
　　［1］徐辉东，经来旺，杨仁树. 矿山立井井筒与表土之间的剪切力分析［J］. 岩石力学与工程学报， 2006,25 (2):385-390.
　　［2］经来旺, 刘飞, 高全臣，等. 表土沉降阶段煤矿立井井壁破裂应力分析［J］. 岩石力学与工程学报， 2004,23(9):3 274-3 280.
　　［3］ ZHAO QIAN-LI，GAO QIAN，ZHANG ZOU-PING.Deformation Analysis and Stability Evaluation of the Main Shaft at Jinchuan Mine No.3［J］. Xiao Wei-guo. Journal of China University of Mining & Technology. 2007, 17(2): 148-152.
　　［4］ YAO ZHI-SHU， CHANG HUA， RONG CHUAN-XIN. Research on Stress and Strength of High Strength Reinforced Concrete Drilling Shaft Lining in Thick Top Soils［J］. Journal of
　　China University of Mining & Technology. 2007, 17(3):432-435.
　　［5］夏红春，汤美安. 表土层注浆加固法防治井壁破裂的机理及应用［J］. 采矿与安全工程学报， 2009,26(4):407-412.
　　［6］杨秀虎. 地面注浆控制井壁破裂变形的理论与工程分析［J］. 西安科技大学学报， 2009,29(4):436-440.
　　［7］姚直书,宋海清,程桦.高性能混凝土冻结井壁研制及主要力学性能试验研究［J］. 煤炭工程，2009(12):80-81.
　　［8］王晓红，韩振先，李国栋.冻结井壁高强高性能混凝土的研制与应用［J］. 中州煤炭， 2009（11）：24-26.
　　［9］徐芝纶.弹性力学（下）［M］. 北京：高等教育出版社，2006：26-37.
　　［10］徐秉业，刘信声.应用弹塑性力学［M］. 北京：清华大学出版社，2002：318-355.
　　［11］ JAMES MGERE. Mechanics of Materials［M］. New York: Brooks/Cole publishing Company, a division of Thomson Learning， 2001: 102-197.
　　［12］万禧, 魏善斌, 藏德胜. 立井井壁应力测试的套筒致裂测试及其分析［J］. 岩土工程学报， 1995, 1(17):61-65.
　　［13］吕恒林, 崔广心. 深厚表土中井壁结构破裂的力学机理［J］.中国矿业大学学报， 1999, 28(6):539-543.
　　［14］马英明. 立井厚表土层地压的研究和计算［M］. 徐州:中国矿业学院出版社, 1978: 29-46.