（工程力学专业论文）立井次生地压与地下水位对应关系及井壁破裂机理研究.pdf

摘要 摘要 在不考虑立井井筒周侧土体中各含水层之间存在水力联系的前提下，本文主 要研究表土段地层弯曲的挠曲线方程、表土段立井次生地压和井筒竖向附加力的 成因、分布及变动规律并以此为基础研究立井次生地压与地下水位的对应关系和 井壁破裂机理。文章首先建立了底含层疏水沉降时井筒周侧土体中地层弯曲的挠 曲线方程，以此为基础对深厚表土层中立井次生地压的成因、分布及变动规律作 了较为细致的分析，在此基础之上研究了立井井壁竖向应力的分布及变动规律， 然后建立了立井次生地压与地下水位沉降的对应关系的公式，最后在上述研究的 基础之上研究了立井井壁的破裂机理。文章的分析过程中涉及的理论主要包括： 土力学中的有效应力原理、固体力学中的弹塑性理论、静不定原理等相关理论。 文中列举的实例为我国近年来最具典型的张双楼副井。本文的研究成果对立井井 壁结构的优化设计、防破措施的研究具有重要的指导意义。 图1 4表9参8 9 关键词：立井井壁；次生地压；竖向附加力；地下水位；挠曲线方程 分类号：t d 2 6 摘要 a b s t r a c t t h ed e f l e c t i o nc u r v ee q u a t i o no fs t r a t u mb e n d , t h e 耐g i n ，t h ed i s t r i b u t i o na n dt h ec h a n g er u l e o ft h es e c o n d a r yg r o u n dp r e s s u r ea n dt h ev e r t i c a la d d i t i o n a lf o r c ea c t i n go ns h a f ti ns o i la r em a i n l y s t u d i e dt a k i n gn oa c c o u n to fe x i s t i n gh y d r a u l i cr e l a t i o na m o n ga q u i f e r sa r o u n ds h a f t s ，t h e no nt h e b a s i so fa b o v er e s e a r c h e s ，t h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h es e c o n d a r yg r o u n dp r e s s u r ea c t i n g o ns h 硪a n dt h ew a t e rt a b l ei ss t u d i e d ，a n dt h er u p t u r em e c h a n i s mo fs h a f tl i n i n gi sa n a l y s e d i nt h i s d i s s e r t a t i o n , t h ed e f l e c t i o nc u r v ee q u a t i o no fs t r a t u mb e n di ns o i la r o u n dt h es h a f ti sf i r s t l y e s t a b l i s h e dw h e nt h eb o t t o ma q u i f e rs u b s i d ed u et og r o u n dw a t e rs e e p a g e ，t h e no nt h eb a s i so f a b o v er e s e a r c h e s ，t h eo r i g i n ，t h ed i s t r i b u t i o na n dt h ec h a n g er u l eo ft h es e c o n d a r yg r o u n dp r e s s u r e a c t i n go nt h es h 心i nd e e ps o i l a l ef u r t h e rs t u d i e dc a r e f u l l y , t h e no nt h eb a s i so fa b o v er e s e a r c h e s ， t h es h a f tl i n i n gv e r t i c a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h ec h a n g er u l ea r es t u d i e d , a n dt h e nt h ef o r m u l ao f t h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h es e c o n d a r yg r o u n dp r e s s u r ea c t i n go ns h a f ta n dt h ew a t e r t a b l es u b s i d e n c ei se s t a b l i s h e d ，f i n a l l y , o nt h eb a s i so fa b o v er e s e a r c h e s , t h er u p t u r em e c h a n i s mo f s h a f tl i n i n gi sa n a l y s e d i nt h ea n a l y s i s ，a p p l i e dt h e o r ym a i n l yi n c l u d e s ：t h ee f f e c t i v es t r e s s p r i n c i p l ei nt h es o i lm e c h a n i c s ，t h ep l a s t i c - e l a s t i c i t yt h e o r yi ns o l i dm e c h a n i c s ，s t a t i c a l l y i n d e t e r m i n a t ep r i n c i p l ea n ds oo n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ee x a m p l eo nz h a n gs h u a n g l o us e c o n d a r y s h a r , t h em o s tt y p i c a li nr e c e n ty e a r si nc h i n a , i sa n a l y s e d t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o n h a v et h ei m p o r t a n tg u i d i n gs e n s et ot h eo p t i m u md e s i g no ft h es h a f tl i n i n gs t r u c t u r ea n dt h e r e s e a r c ho nt h em e a s u r e sw h i c hp r e v e n t ss h a f t r u p t u r e f i g u r e1 4 t a b l e9r e f e r e n c e8 9 k e y w o r d s ：s h a f tl i n i n g ，s e c o n d a r yg r o u n dp r e s s u r e ，v e r t i c a l a d d i t i o n a l f o r c e ， g r o u n d w a t e rl e v e l ，d e f l e c t i o nc u r v ee q u a t i o n c h i n e s eb o o k s c a t a l o g ：t d 2 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得：塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：毯窒堂日期：型盟年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞徼理三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 鳓期节加日 l 长 ， 匆 砂 摊门辛 j 1 i 一锑 引言 己i吉 ji口 本文的研究主要是为了弄清楚井壁破裂的原因，从而为煤矿的安全生产提供 保障。关于立井井壁破裂机理的研究，自2 0 世纪8 0 年代至今，数十位此领域的 专家和学者进行了大量的研究，最终得出了一个极为重要的结论，即立井井壁破 裂的主要原因为竖向附加力所致。但是他们忽略了立井井筒周围的土体在发生沉 降的过程中会因为井筒对土体的支撑效应而发生地应力的重新分布，即井筒附近 的土体中有次生地压应力的产生，而且他们在进行由于底含层疏水沉降导致的井 筒周侧土体弯曲变形的分析时，均假设了地层弯曲的挠曲线方程，这样是不够准 确的。本文的研究范围包括：1 ) 井筒周围表土段地层弯曲的挠曲线方程；2 ) 立 井次生地压应力的成因、分布及变动规律；3 ) 立井井壁竖向附加力分布规律及变 动规律的研究；4 ) 弹塑性交界面的位置与地下水位的关系；5 ) 立井次生地压与 地下水位变化之间的关系；6 ) 立井井壁破裂机理研究。本文首先将整个井筒周侧 的表土层划分为若干层厚度非常薄的薄板单元体，然后建立薄板单元体的受力模 型，分析过程中假设轴对称圆形薄板的变形为弹性变形，即薄板单元体为弹性体， 建立地下水位疏水沉降时立井井筒周侧土体中地层弯曲的挠曲线方程，然后依据 此方程求解出立井次生地压应力和竖向附加力的表达式，然后在此基础上确定了 立井井筒弹塑性交界面位置的表达式以及立井次生地压与地下水位的对应关系， 最后研究了立井井筒的破裂机理。本文主要涉及的理论包括土力学中的有效应力 原理、固体力学中的弹塑性理论和静不定原理等相关理论。本文的研究对立井井 壁结构的优化设计以及对立井井壁的破裂机理具有重要的指导意义。 1 绪论 l绪论 煤炭工业是我国重要的基础产业，在探明的化石能源资源中煤炭占9 4 3 ， 我国绝大多数工业生产离不开煤炭，所以，我国工业经济的正常发展取决于煤炭 工业的安全生产。自2 0 世纪8 0 年代以来，我国徐、淮、大屯、兖州等矿区的煤 矿立井井壁出现了一种国内外罕见的地质灾害，即非采动性井壁破裂。这种灾害 轻者造成井壁变形破裂、渗水，重者造成卡罐、涌水涌砂，甚至停产( 如张双楼 矿、海孜矿、临涣矿均停产2 8 个月) ，给煤矿生产带来了严重的安全隐患，也 使煤矿企业承受巨大的经济损失。据不完全统计，自1 9 8 7 年以来，在我国的华东 地区深厚表土层中建设的立井井筒已经有8 0 多个遭受破坏，造成巨大的经济损 失，严重影响了矿井的安全生产。因此，煤矿立井井壁破裂机理的研究就具有十 分重要的意义。 1 1 问题的提出 自从徐、淮、大屯、兖州、永夏等主要矿区发生较大规模的井壁破裂事故以 来( 具体见表1 ) ，我国对矿山立井井壁破裂机理的研究已有2 0 多年的历史。近 2 0 年来，有关表土段立井井筒受力机理的研究成果颇丰【1 1 3 1 ，其中较为著名的有： “新构造运动假说 、“施工质量假说、“渗流变形假说 、“负摩擦力假说 、“三 因素综合假说 、“竖向附加力假说”等。毋庸置疑，上述假说对制定破裂井壁的 治理措施，对新型防破裂井壁结构的研究起到了巨大的推进作用。但是上述假说 不能很好的解释矿山立井井壁的一系列破裂特征，因此，这些假说在前提假设方 面以及在解释井壁破裂特征方面均存在着尚需完善之处，如：( 1 ) 在分析底部含 水层疏水沉降时，地层弯曲的挠曲线方程均为假设，因此关于地层弯曲的挠曲线 分析是不够准确的；( 2 ) 上述假说在分析立井井壁破裂位置时，均一致认为立井 井筒的破裂发生在表土与基岩交界处，但是却有相当数量的井筒的破裂位置并非 发生在该处；( 3 ) 上述假说在分析由底部含水层疏水导致土体下沉的同时，忽视 了立井井筒对周围土体会产生很大的支撑效应，从而造成井筒次生地压的重新分 布。因此，研究人员在忽视这些问题的情况下对井筒进行受力分析时，只考虑了 底部含水层内的水头降低会导致土体中有效应力的增大，没有考虑到立井井筒对 土体的支撑会减小土体中的有效应力。这些都会导致井筒的受力状态在根本上发 生变化，造成立井井壁应力分布规律的巨大差异，从而影响立井井壁破裂发生的 位置。本文的研究正是基于这样一个背景展开的。 2 1 绪论 一3 1 绪论 4 1 绪论 5 l 绪论 1 2 国内研究现状 经过2 0 多年的研究实践表明，立井井壁破裂的主要原因是在表土沉降过程中 作用于井筒上的竖向附加力。在此观点的基础上，该课题的研究现状可从以下6 个方面进行阐述。 1 2 1 解释井壁破裂的多种假说 自从兖滕一徐淮井壁破裂后，近二十年来已开展了不少研究工作，发表了一 批研究成果，有多种观点解释井壁破裂的原因，其中最主要的有如下几种： 1 新构造运动假说 2 2 - 2 4 1 有的专家试图从地质学和工程地质学的观点对井壁的破裂机理进行分析，他 们怀疑井壁破裂是郯庐大断层的活动或地质构造运动影响的结果。该假说认为由 于郯庐断裂的活动，导致该地区地层发生区域性的水平运动，第四系地层与基岩 发生水平错动所产生的剪力为井壁破裂的主要原因。然而该地区1 9 0 多个井筒仅 4 0 多个产生不同程度的破裂，多数没有破坏。实际上井壁破裂并非都发生在1 9 8 7 年，而是在这前后断断续续都有发生。郯庐大断层通过的开滦、东北等矿区的井 壁并未大量破裂。同时该假说也不能合理解释井壁破裂的季节性、冻结井壁比钻 井井壁破裂的多且破裂时间发生的早等破裂特征。因而，事实并不支持该假说。 这种假说的另一个理由是有相当一部分井壁破裂发生在1 9 8 7 1 9 8 8 年间，认 为是新构造运动最活跃期，究竟有多少实际地质资料可证实当时新构造活动的加 剧，没有详细说明。在徐淮地区，1 9 8 2 1 9 8 3 年问所建井筒居多，而煤层开采及 地面用水影响第四系地层水位下降、有效应力增加产生地层固结一般发生在投产 3 - 4 年( 与第四系地层水力联系及地层性质有关) 之后。 目前新构造运动假说解释井壁破裂缺乏有力证据，因而很多人对此观点持怀 6 1 绪论 疑态度。 2 地震说 1 2 - 2 4 1 由于发生井壁破裂灾害的时间和地区相对集中，有人曾怀疑井壁破裂是地震 的影响，经调研得知：自1 9 8 5 年以来，这些地区处于地震平静低潮期，1 9 8 7 年 除仅有几次2 级左右的小地震外，无异常现象。在1 9 6 6 年邢台7 3 级地震中，邢 台、邯郸、峰峰矿区井筒均未发生破裂；1 9 7 6 年唐山大地震，开滦矿区井筒破裂 部位在地面以下2 0 m 范围内，其破裂特征与华东地区井壁破裂特征完全不同，因 而基本排除了地震主因说。 3 井壁施工质量假说口5 2 6 1 该假说认为施工质量差是井壁破裂的主要原因。毫无疑问，井壁的稳定性与 井壁施工质量( 影响井壁砼的强度) 有一定关系，在相同应力作用下，施工质量 差的井壁易发生破裂。但是调研结果表明，虽然施工质量差的井壁更易遭受破裂， 但在已经破裂的井筒中，有相当数量的井壁质量较好( 如临涣矿主井、鲍店矿主 井、姚桥矿主井等) ，混凝土强度达到甚至超过了设计强度，说明施工质量问题并 不是井壁破裂的主要原因，因而用工程质量难以解释这一现象，但又认为质量是 一个因素，施工质量仍然是井筒安全运营的基本保证，但应找出井壁破裂的根本 原因。 4 渗流变形假说1 2 7 。3 0 】 该假说认为井壁周围底含水动力条件、静压条件变化、引起水对土层渗流、 潜蚀作用，架空土体，从而破坏上覆粘土板层与井筒所形成的板一柱结构，这是 导致井壁发生破裂的主要原因，特别是不均匀动水压是造成井壁破裂的最主要原 因。它认为井筒破裂前底含向井筒突水，使得其周边的砾石层发生强烈潜蚀；由 于砾石层厚度不均导致潜蚀强度不均，从而在井筒周围形成不均匀地压，井壁周 边应力纵向分布，产生较大的不均匀变形而引起井壁破裂。同时，土体潜蚀架空 使得其应力不断向井筒刚性体转嫁，这进一步加快了井筒破裂。但研究表明，底 含的渗透系数并不大( 1 0 - 4 _ 1 0 击级) ，渗流动水压能否足以引起井壁破裂，值得怀 疑。 5 负摩擦力假说【1 5 - 2 0 该假说认为，由于疏、排水等原因引起井筒周围柔性土层的下沉，从而在刚 性井壁上产生一个侧向向下的负摩擦力，这种负摩擦力是导致井壁破裂的主要原 因。但是该假说不能合理解释为什么大多数井筒的破裂发生在7 8 月份、冻结法 井筒比钻井法井筒破坏的多和早、很多地质条件类似的井筒并未发生破裂等事实， 7 1 绪论 因而也存在着不完善的地方。 6 三因素综合假说【3 1 羽】 该假说认为工程地质条件、排水条件引起的负摩擦力和水平地应力三因素是 导致井壁破裂的主要因素，用有限元数值模拟的方法支持了“三因素综合破环” 假说，但是“三因素综合破坏 中第三因素“水平地应力 目前还没有充分证据 证明为井壁破裂的一个主要因素。此外，该假说也解释不了井壁破裂的时间性问 题。 7 竖向附加力假说p 5 弓6 1 1 9 8 5 年5 月，在崔广心教授的领导下，中国矿业大学与大屯煤电公司合作， 以相似理论为基础，用模拟试验研究首次证明：在深厚表土层底部含水层在补给 水不足的特定条件下，由于采矿活动或人为疏排水使含水层水位下降，土层固结 压缩，造成地层下沉，在地层下沉过程中对井筒外壁施加一个向下的竖直附加力， 该力正是井壁破裂的主要原因。该理论认为，由于井筒周围地层位移与井壁位移 的不完全同步原因，导致井壁外表面产生了向下的竖向附加力。根据工程实际， 竖向附加力起因于：1 ) 冻结壁融沉；2 ) 含水层疏水产生固结沉降；3 ) 井壁热胀 冷缩受限于土层约束；4 ) 地表水的水夯效应；5 ) 开采工业广场的保护煤柱引起 岩土层下沉；6 ) 近采区开采引起地应力的变化。其中底部含水层疏水是主要因素。 底部含水层疏水排放引起地面沉降，由于井壁与周围土体的界面作用，在壁外侧 面产生一个向下的摩擦力：季节温度变化引起井壁相对土层的热胀冷缩现象，使 井壁外侧面产生摩擦力。该假说合理的解释了为什么大多数井筒破裂发生在7 8 月份，冻结法井筒比钻井法井筒破坏的多和早这两个事实，显然较前三个假说全 面的多。目前，该研究领域中的很多学者均持这个观点。但是，该假说在建立力 学模型时所做的前提假设尚存在着不完善之处，如在分析下含层水头降低导致下 含层压缩的同时没有考虑立井井筒的支撑效应会减小土层中的有效应力并导致立 井井筒下部一定范围内微压缩区的存在、同时也未考虑内外壁温差及径向热膨胀 等因素。因此，在研究井壁破裂时，上述因素到底占有多大的成分，井筒破裂的 危险位置在哪，危险位置及危险位置处的应力随着地下水位的下移如何变化、随 着表土厚度的增加如何变化、随着井筒直径的改变如何变化等均不能从该假说中 得到解释。因此，该假说对立井井壁破裂机理的解释尚存在需完善的地方。 1 2 2 现场实测 现场实测是一种检验理论正确与否的最具说服力的方法，因而现场实测一直 8 l 绪论 是井巷专家最想进行的一项工作，但是由于环境的特殊性，井壁应力和变形的实 测在我国开展的并不多。典型的实测主要有： 1 淮北矿务局谢洪彬等人对童亭副井、风井进行的竖向和径向收敛位移实测 1 3 7 1 2 淮北矿务局等单位应用内井壁表面贴应变花的方式对临涣副井井壁实施 的井壁相对应力实测【3 8 】； 3 安徽理工大学丑万禧教授利用其发明的套筒致裂法对淮北临涣主井实施 的井壁绝对应力实测3 川； 4 安徽理工大学汪仁和教授利用电阻应变砖、光弹应变计和机械卡规等仪器 对临涣主井井壁应变的实测m ； 5 中国矿业大学吕恒林、崔广心、高孟民等人利用埋入式混凝土应变计对鲍 店南风井井壁及卸压槽所做的竖向和环向应变的实测【4 1 1 ； 6 中国煤炭科学研究总院许延春高级工程师等人利用s o n d e x 观测系统对兴 隆庄煤矿各井筒工业广场表土层沉降、变形的实测1 4 2 ； 7 张双楼矿利用y h d 1 0 0 位移计对张双楼副井进行的竖直收敛位移实测 【4 3 4 隼】 o 上述各项实测中，只有丑万禧、许延春的实测用于分析、研究井筒的受力和 井壁破裂的机理，其余各项实测的目的均是为了了解井壁加固及修复效果，这是 十分令人遗憾的。虽然，这些年来相关科研部门和有关高等院校也做了二定的模 拟试验，但是由于受到诸多因素的限制，模拟试验的可靠性远不能与现场实测的 结果相比。本课题研究表土沉降机理和建立井筒力学模型时将充分地利用上述现 场实测的结果，希望得出立井井壁破裂机理的正确分析。 1 2 3 计算机数值模拟研究现状 目前该领域较为突出的研究成果主要有以下几个部分： 1 李文平，于双忠等人利用有限元法对立井井筒在深部土层失水变形时以及 深部与浅部含水层同时失水变形时井壁轴向附加应力分布规律的数值分析【4 5 郴】。 该研究用a d i n a 有限元程序解决了解析法不能很好解决的深厚土层中因土层较 多，性质差异较大而引起的不同土层与井壁相互作用的差异问题及土层中的位移、 应力场的分布及变化特征问题。 2 葛晓光利用有限元法对立井井筒在底含疏水变形时井壁受力的数值模拟 4 9 j 。该研究同李文平、于双忠等人的研究出发点均是底含疏水压缩变形，上下含 9 1 绪论 水层之间无水力联系；不同的是：李文平、于双忠等人将整个表土层的变形看成 塑性变形( 下部) 和弹性变形( 上部) 两部分，而葛晓光则认为在底含疏水过程 中，底含上部的表土会发生流变；因此，二者使用的本构关系不同；葛晓光使用 的是m a xw e l l 粘弹性模型，李文平、于双忠等人使用的是广义虎克定律( 弹性阶 段) 和塑性势理论( 塑性阶段) ；但是，由于二者建立的力学模型基本一致，故所 得结果也基本相同，如对井壁纵向应力分布的模拟均如图1 所示。 g 蜊 送 稍 僻 1 3 m p a 图1 井壁纵向应力研究【4 9 1 f i g lv e r t i c a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n 3 吕恒林，崔广心利用大型通用有限元分析软件a n s y s 所进行的井壁结构 弹塑性数值模拟 4 5 , 5 0 - 5 4 】。该研究首次考虑了竖向、环向及径向钢筋的改变对井壁 力学特性的影响，并且采用线性分级加载方式模拟竖直附加力随疏水时间的增加。 在井壁破裂的具体位置的研究方面，该研究同上述两种研究得出了基本一致的结 果，但由于加载方式存在差异，因此，整个井筒的竖向应力分布规律不同。 4 刘希亮，罗静，华安增关于特殊地层井壁破裂的粘弹性数值模拟研究【5 5 1 。 该研究仍是以井壁负向摩擦力假说为基础，与其他学者研究的不同之处在于模型 的建立方面，它将地层简化为图2 所示的基本模型。 5 高明中，张建怡，冯震海教授对立井井壁破裂机理的数值模拟【5 6 1 。该数值 模拟以构造应力和负摩擦力共同作用为基础，由于构造应力作为井壁破裂的主要 因素现在以不被大多数学者认同，因此，该模拟同样存在有需要修改的地方，正 1 0 1 绪论 因为如此，该模拟的结果与前述相关模拟的结果有明显不同之处，见图3 。 jl 潜水水位， rm 2 潜水含水 + 一 。l _ - 卜 m 1弱透水层 k ， r o l 已一 m 承压含水 r 77 7f ，f7 7 r 1 2 4 模拟实验研究现状 z 图2 地层基本模型示意酬钢 f i 9 2s t r a t ab a s i cm o d e l 附加垂直应力m p a 0 24681 0 2 4 g 瑙6 半8 1 0 1 2 姐1 4 1 6 风化带 1 8 隔水层 图3 井壁纵向应力分布【5 6 l f i 酉v e r t i c a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n 自从2 0 世纪9 0 年代以来，我国一些有条件的高等院校、科研单位及著名的 专家分别就立井井壁的破裂进行了大量的模拟实验方面的研究。目前，比较有代 表性的模拟实验主要有如下三个： 1 姚直书，孙文若，程桦教授等人的关于井壁破裂形态的加载模拟实验【8 】。 1 绪论 安徽理工大学地下结构研究所用钢筋混凝土材料浇筑成直径为9 0 0 r a m 的井 筒模型，进行轴向和水平加载两种试验，观测井壁混凝土的破坏形态。结果表明： 水平侧向载荷为主引起的井壁破坏形态与徐淮地区实际井壁破坏形态明显不同， 其主破裂面沿井壁的轴向分布，次级破裂面与环向切线方向的夹角为2 5 。3 5 。 而竖向载荷为主引起的井壁破裂，不仅破坏形态与徐淮地区实际井壁破坏形态相 似，而且产生破坏时的现象及变形特征也与现场监测相吻合：主破裂面沿井筒的 环向分布，许多次级破裂与井壁的轴线呈2 5 。3 5 。 2 三维物理模拟实验1 3 3 】。 该实验根据相似理论原理，用钢筋混凝土设计了六个井壁模型( 见表2 ) ，每 个模型上布置了1 5 0 多个测点，采用分级加载方式分别作了水平荷载作用试验和 水平与竖直荷载联合作用试验。 表2 模型试件尺寸及配筋表【3 3 】 t a b l e 2t h es i z e sa n ds t e e lr a t i oo fm o d e lt e s tp i e c e 实验结果表明：徐淮地区竖井的受力方式为水平和竖向载荷的联合作用，井 壁的破裂主要由竖向载荷引起，井壁破裂发生在表土与基岩交界面处主要是应力 集中所致。 3 崔广心教授等人的相似模拟实验 5 1 , 5 3 - 5 4 , 5 7 - 5 8 】。 1 9 9 1 1 9 9 4 年期问，中国矿业大学崔广心教授等人经改装建立了井壁破裂受 力模拟试验平台( 如图4 ) ，模拟了底含失水后井壁附加应力的大小，模型井壁高 约2 o m ，外径0 4 m ，每次可模拟实际井壁长约5 0 o m ，采用顶部加载模拟土体自 重，用底座荷重传感器测得的井壁总附加载荷除以模型外壁总面积，得到井壁附 加剪应力。 1 2 l绪论 1 2 5 理论解析分析研究现状 理论解析分析的基础是“竖向附加力假说 和“渗流变形假说 ，研究的出 发点主要有两点：( 1 ) 破裂井壁处底含的确产生了明显的水位下降；( 2 ) 井壁周围地 表明显下沉。目前，较有影响的研究成果主要有以下三项： 1 于双忠教授按土的长期抗剪强度指标计算井壁附加应力【5 9 - 6 0 。丁双忠教授 在煤矿工程地质研究中，首次采用土的长期强度指标计算了张双楼矿主副井 的附加轴向应力，但分析过程同样解释不了井壁破裂的时间性。 1 底座；2 承力座；3 土层压缩量位移计；4 泄水孔；5 土层压缩量测点；6 底部含水层：7 土体；8 。外支撑圈；9 侧面液压囊；1 0 项部液压囊；1 1 上盖；1 2 上端位移计；1 3 支座；1 4 荷载传感器；1 5 下端位移计；1 6 出水孔；1 7 下部内挡圈；1 8 应变计：1 9 模型井壁；2 0 上 部内挡圈：2 1 内支撑环 图4 井壁受力模拟实验台 5 1 , 5 3 - 5 4 5 7 。5 8 l f i 9 4t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lt a b l eo fs h a f ta c t e db yf o r c e 2 娄根达、苏立凡( 1 9 9 0 ) 的解析分析6 1 1 。其分析模型如图5 ，解析分析过 程中做了以下假设： 1 ) 只有底含疏水，土层水平分布； 2 ) 地层为弹性体，且应力计算符合叠加原理； 3 ) 土体的剪应变只与径向坐标有关； 4 ) 井壁与土体间无相对滑动，在计算附加轴向应力时认为井壁轴向应变沿截 面均匀分布。 1 3 1 绪论 在假设的基础上，根据土力学原理导出了井壁在疏水含水层处的附加轴向应 力吒及其极限值的计算公式。 3 杨维好( 1 9 9 4 ) 的解析分析5 4 , 6 2 1 。其模型如图6 ，解析分析过程中做了如 下假设： 1 ) 在地层沉降受井筒影响的范围内，底部含水层及上覆土层水平，空问问题 可简化为轴对称平面问题； 2 ) 只有底部含水层失水； 3 ) 井壁和土体为线弹性体； 4 ) 土与井壁间无相对滑动； d r _ - j lj 上t 上t 上t 上t 1 h 1 士 尊 t z气 t r 9 上t 上t 表土层 上 t 1， 上 十 井 j lj t t j 壁 工 o 含水层 1r 1r 茸粤 0 井 筒 中 心 线 z 图5 娄根达等的井壁受力模型1 6 1 l f i 9 5f o r c em o d e lo fg e n d a l o u ss h 硪l i n i n g 5 ) 井壁轴向应变沿径向均匀分布； 6 ) 将井筒按纵向抗压刚度及外直径不变的原则等价地视为一个实心井筒。 1 2 6 模糊反演分析研究现状 目前，利用模糊理论对疏水沉降地层井筒负摩擦力进行反演分析的研究非常 的少，公开发表研究成果的只有安徽建筑工程学院的院长程桦教授与他的合作者 1 6 3 - 6 4 1 及刘全林等人【6 卯。该法强调了反演井筒所受负摩擦力的不确定性，不精确性， 1 绪论 即模糊性；通过对隶属函数，敏感性及贡献性的模糊分析得到负摩擦力的较低值、 可能值和较小值三个级别的值，然后再按照文献【4 9 】的公式算出平均值作为设计 值。该方法的优点是解决了物理模拟实验无法同时考虑多个影响因素的缺点，但因 无法给出负向摩擦力的真值，因此，运用起来仍然很不方便；此外，目i j i 的研究 中对负向摩擦力的成因及其中温度的作用缺乏定量分析，因此，仍需进一步完善。 1 3 国外研究现状 根据文献【2 l 】，在国外如俄罗斯、前西德、加拿大、澳大利亚、日本和美国等 国家也发生竖井破裂，并对破裂机理进行分析。但据资料文献检索和查新，国外 只有建井施工和生产期间因采动影响造成的破裂实例，没有类似黄淮地区煤矿竖 井受疏水引起松散层沉降造成的破裂。国外研究主要集中在城市地表沉降方面。 0 地表 jlj 。 2 r o 。 j 。 。 骂，m 。 王 茎 r e f 。 。 1 。 j l 底砾1i 含水胃 王 1r 工 1r 1r1r1 r1 r1r 1p1 r z l ， i 图6 杨维好的井壁受力模型【5 4 , 6 2 1 f i 9 6f o r c em o d e lo fw e i h a o y a n gs h ml i n i n g 1 5 l 绪论 1 4 研究内容、拟解决的关键问题 1 4 1 研究内容 本文的主要研究内容是揭示表土段地层弯曲的挠曲线方程、立井次生地压和 井壁竖向应力的分布规律，并在此基础上建立立井次生地压与地下水位的对应关 系。因此，本文的研究内容主要包括以下几个方面： 1 井筒周围表土段地层弯曲的挠曲线方程； 2 立井次生地压应力的成因、分布及变动规律； 3 立井井壁竖向附加力分布规律及变动规律的研究； 4 弹塑性交界面位置与地下水位变化之间的关系； 5 立井次生地压与地下水位变化之间的关系； 6 立井井壁破裂机理研究。 1 4 2 拟解决的关键问题 上述研究内容中，最为关键的问题是“立井次生地压应力和竖向附加力的成 因、分布与变动规律”，而“井筒周围表土段地层弯曲的挠曲线方程”的研究则是 其最为重要的分析基础。因此，正确地建立地层弯曲的挠曲线方程是本文的重中 之重，同时与影响竖向附加力分布规律的立井次生地压应力构成了本课题的最为 关键的一环。 1 5 研究方法、技术路线和主要工作量 1 5 1 研究方法 本文首先将整个井筒周侧的表土层划分为若干层厚度非常薄的薄板单元体， 然后建立薄板单元体的受力模型，分析过程中假设轴对称圆形薄板的变形为弹性 变形，即薄板单元体为弹性体，建立地下水位疏水沉降时立井井筒周侧土体中地 层弯曲的挠曲线方程，并以此为依据对立井次生地压应力和竖向附加力的成因和 分布规律进行研究；通过解析分析，找出弹塑性交界面的位置；然后建立了立井 次生地压与地下水位沉降的对应关系：最后研究了立井井壁的破裂机理。 1 5 2 技术路线 本文具体的技术路线如下所示： 1 6 1 绪论 1 5 3 主要工作量 本课题研究工程中涉及的工作量主要包括以下三大方面： 1 现场调研，收集资料。内容主要包括我国主要矿区破裂井筒情况的调研， 相关的工程地质、水文地质资料的收集，矿区地下水水位变化数据的收集和整理， 近年来该课题相关研究成果、现场实测数据的收集、整理和研究。 2 理论求解。包括地层弯曲挠曲线方程的求解、立井井筒次生地压应力解析 解的求解、立井井筒承受的竖向附加力分布规律解析解的推论、弹塑性段交界面 位置的解析解。一 3 建立立井次生地压与地下水位对应关系的表达式，并举例验算公式的可行 性。 1 6 本章小结 本章简单的介绍了我国近年来学术界关于矿山立井井壁破裂机理的几种假 说，总结了我国主要矿区井筒破裂的基本情况。详细总结和归纳了立井井壁破裂 机理及相关课题的研究现状、发展趋势，并且介绍了本课题的研究方法、研究路 线和主要工作量。 1 7 2 立井井肇破裂特征与地层弯曲挠曲线分析 2 立井井壁破裂特征与地层弯曲挠曲线分析 因为立井井筒是处于深厚表土层中的特殊构筑物，所以对它的分析、研究不 能等同于地面构筑物，而且作用于井筒外壁与表土之间的竖向附加力是井壁破裂 的主要外力，我们无法直接去观察导致井壁破裂的这些外力的作用和变动情况， 同时也无法直接用仪器对其进行有关的测试。因此，井壁破裂特征的分析就成了 研究立井井壁破裂机理的一条重要途径。又因为矿区表土疏水沉降导致的地层弯 曲与作用于井筒外壁上的竖向附加力直接相关，所以，地层弯曲挠曲线的正确分 析对竖向附加力分布规律的研究具有十分重要的意义，同时也是本课题的重要组 成部分。 2 1 矿山立井井壁破裂特征 根据大量的现场勘察，自上世纪八十年代至今，在我国的徐、淮、大屯、永 夏、兖州等矿区发生破裂的7 0 余个井筒均表现出了如下特征1 2 4 , 6 6 - 6 7 ： 1 地域集中性：从破裂井壁的区域分布上看，我国煤矿立井井壁破裂均集中 在我国华东地区黄淮一带，基本呈南北向带状分布，该区域为冲积平原，破裂井 筒均穿越了较厚的冲积层。 2 破裂地质条件的相似性：井筒破裂主要发生在表土层厚度较大的华东地区 矿井，破裂井筒地区煤系之上松散土层深厚，一般为2 0 0 - - - 6 0 0 m ，而且有数层含 水砂砾层，特别是深部有高压含水层，下含水水位明显下降；破裂时，下含水水 头位置基本降至距井口约8 5 - 9 5 m 的范围( 见表3 ) 。 3 破裂时间的集中性：井壁破裂通常发生在矿井投产的若干年间，且变形破 裂均发生在每年的4 , - , 1 0 月份，大多集中在7 8 月份。从建井竣工至发生变形破 裂，时间最短的为7 个月零9 天，最长的为3 2 年，一般时间间隔为3 , - - 4 年。 4 破裂位置的集中性：井壁破裂位置一部分集中于第四系深厚表土层与基岩 交界面及其附近，一部分分布于上部特定范围内的含水层或粘土层中。其岩性主 要为松散未胶结砂岩、可塑风化性粘土岩和风化、强风化膨胀性粘土岩等。 5 地下大量排水，地表明显下沉：发生井筒破裂的矿井工业广场的下降幅度 多在2 5 0 5 0 0 m m ，且以井筒为中心沿径向逐渐增大，即以井筒为中心，地表表现 出明显的弯曲变形。 6 破裂形态的相似性：破裂井壁均呈现压裂破裂形念，井壁内壁混凝土呈楔 形剥落、掉块，破裂处可见渗水、淋水现象，甚至涌水、冒砂现象，大多数井筒 2 立井井壁破裂特征与地层弯曲挠曲线分析 1 9 2 立井井壁破裂特征与地层弯曲挠曲线分析 的破裂带呈近似水平环状，少数表土层较厚且井径较大的破裂井筒的破裂呈4 5 0 斜向，井内侧纵、环向钢筋均向井内外突变形。 7 井筒罐道变形显著：井壁发生破裂之前，通常表现出罐道弯曲变形、罐道 与井壁之间的间隙缩小，混凝土井壁发生局部的纵向和径向变形。 8 破裂多发生在用冻结法施工的双层井壁，其内外井壁结合紧密。 9 重复破裂：早期发生过破裂的井筒如徐州张双楼副井、淮北临涣矿、兖州 兴隆庄主井和副井、济宁太平煤矿主井加固后都出现过2 3 次重复破裂或严重变 形。此现象说明井壁加固后，并不能长期有效地阻止井壁变形和破裂。 破裂的井壁除了具有上述的共性之外，某些破裂的井筒还表现出了其它方面 的一些特征【2 4 , 6 6 - 6 7 】： 1 某些破裂井筒采用注浆法治理后，井口及其周侧地面在一个较长的时间内 表现出持续的抬升现象。 2 某些采用“卸压槽+ 壁后注浆 治理后的井筒，卸压槽处的纵向应变反小 于开槽前相应部位的纵向应变值，似乎破裂井筒的治理效应并非为卸压槽所带来。 3 大多数破裂井筒具有底部含水层，但也有少数破裂井筒无底部含水层；大 多数破裂井筒穿越的底部含水层厚度较大，但也有少数破裂井筒穿越的底部含水 层厚度很小。 4 某些井筒下部( 表土段) 的变形范围随时问的增长表现出逐渐向上延伸的 态势，且在某一时间段内，各变形部位的纵向应变趋于均匀。 事物的本质是通过现象反映的。因此，我们必须通过以上所述的井壁破裂现 象来弄清楚井壁破裂的本质。井壁破裂是因为底部含水层排水使地下水位下降( 包 括开采造成的和地表用水造成的) ，于是井筒周侧表土的缩沉不可避免，从而表土 的疏水沉降为处于深厚表土层中的井筒遭受较大负向摩擦力的作用创造了条件。 近2 0 年来的研究结果表明：立井井壁破裂的主要因素是表土在沉降过程中所形成 的对立井井壁的竖向附加力。由于立井井筒所具有的较大刚度，使得它在承受表 土施加的竖向附加力的同时，也给予了表土以相反方向的反作用力，即立井井筒 2 0 2 立井井壁破裂特征与地层弯曲挠曲线分析 在表土疏水沉降的过程中对周围的表土具有支撑效应。正是立井井筒所具有的这 种支撑效应一方面使得井筒周侧的土体在沉降过程中不可避免的会发生轴对称弯 曲变形，另一方面也因相当一部分土体的重量通过竖向附加力转移到了立井井筒 之上，由立井井筒来承担，从而造成了井筒地压的重新分布，即表土的沉降促使 了立井井筒次生地压应力的产生。要想求出立井井筒的次生地压应力的分布规律， 就必须先求出当底部含水层疏水时井筒周侧土体中地层弯曲的挠曲线方程。 2 2 地层弯曲的挠曲线分析 为了研究井筒周侧土体中地应力沿深度的分布规律，现将整个表土层划分为 若干层厚度非常薄的薄板单元体，薄板单元体的受力情况如图7 所示，分析过程 中假设轴对称圆形薄板的变形为弹性变形，即薄板单元体为弹性体。 y t g 。z ，。g d z y 。g ( z + d z ) 勘r 。 ， ， ， ， t ；山山q ( 盯，) ： ，、，、 ，、，t、 ， j、j、o、j 下t 士 j c a ) 、一7 。75 w 井 筒 中 心 线 d ( 盯，) z 图7 地层弯曲变形分析 ( a ) 弯曲地层受力模型；( b ) 、( c ) 弯曲地层受力简化模型；( d ) 弯曲地层挠度分析 f i 9 7t h ea n a l y s i so fs t r a g r a p h i c a lb u c k l i n g ( a ) t h ef o r c em o d e lo f b u c k l i n gg r o u n d ；( b ) 、( c ) t h es i m p l i f i e df o r c em o d e lo f b u c k l i n gg r o u n d ； ( d ) t h ed e f e c t i o na n a l y s i so fb u c k l i n gg r o u n d 由于井筒周侧土体中的地应力仃，沿井筒深度并非为均值，其沿深度的变化速 率也不一定恒定，故此处可采用数学中的微元法来分析其竖向的分布规律。如图 所示，现以井筒为中心，距井口距离为z 处的位置取一厚度为出的轴对称圆形薄 2 1 2 立井井壁破裂特征与地层弯曲挠曲线分析 板，薄板下方的土体看成板的基础。由于q 的作用，薄板会发生弯曲变形，若按 照图7 ( c ) 中所建立的坐标系，弯曲变形后的板应具有如下的位移边界条件： w | ，。：兰，坐l = 0 (21)ok “七rl 、7 式中：w 为薄板弯曲变形的挠度，单位为m ； q = 以g 七； 以为表土的容重，单位为k g m 3 ； 七为地基弹性模量，单位是m p a m ； ，为圆板中某点的径距，单位为聊。 另外，上述的圆板在，= 犬处还应该满足下述的位移边界条件： w i 矿华 ( 2 - 2 ) 式中：r 为井筒外壁半径，单位为聊； ( 吼) ：为距井口距离为z 处的表土的竖向应力，单位均为坳口； 出为板的厚度，单位为历。 此问题可看作是弹性地基上的小挠度薄板问题，由于板的自重7 e g d z 的作用， 弹性地基对薄板有一个抵抗力。按照温克勒地基模型 7 2 - 7 3 1 的假定，这个弹性抗力 与薄板的挠度w 成正比，而方