深立井基岩段井壁地压应力研究

徐辉东　杨仁树

(中国矿业大学资源与安全工程学院，北京100083)

摘要： 揭示深立井及超深立井基岩段井壁地压应力的理论分析方法，为基岩段立井井壁的 优化设计奠定基础。首先将立井基岩段井筒及围岩均按照轴对称受力状况建立力学模型，依 据井筒开挖前后围岩受力状态的分析，通过围岩内表面与井筒外壁环向或径向应变相等原理 ，然后依据轴对称原理、弹性理论、静不定问题的求解方法等理论，求解出基岩段井壁地压 应力的分布规律。所举算例得到的结果较为充分地反应了井壁中地压应力在井壁结构设计中 的作用。其结果对深立井井壁结构的优化设计具有极为重要的指导作用。

关键词：深立井；基岩段井壁；地压应力；优化设计

中图分类号：TD265文献标识码：A[WT]文章编号：16721098(2008)02003804

Research on Ground Pressure Stress in Shaft Lining in Bedrock

Section of Deep Vertical Shaft

XU Huidong,YANG Renshu

(College of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Tec hnology(Beijing), Beijing 100083, China) Abstract: Ground pressure stress of shaft lining in bedrock section of deep vert ical shaft and extra deep shaft is revealed by theoretical analysis, which provi des a basis for optimized design of shaft lining in bedrock section. At first me chanical model was established according to axisymmetric force condition in shaf t and surrounding rock in bedrock section of vertical shaft, then the distributi on regularity of ground pressure stress in shaft lining in bedrock section was a nalyzed based on the analysis of force condition in surrounding rock before andafter excavation and by the principle of equal toroidal or radial strains in inn er surface of surrounding rock and in shaft ektexine. With help of axisymmetricprinciple, elastic theory, static indeterminate problem solving method and soon the distribution regularity of ground pressure stress in shaft lining in bedr ock section was obtained. The results of a case study demonstrated the effect ofground pressure stress in shaft lining in shaft lining structure design. The re search results have important guiding effect in optimized design of shaft liningstructure.

Key words:deep vertical shaft；shaft lining in bedrock secti on；ground pressure stress；optimized design

长期以来，我国煤矿立井基岩段井壁结构的设计通常采用原苏联的经验公式，这些经验公式 源于浅部立井，对浅部立井基岩段井壁结构的设计具有较为准确、实用的效果。但随着我 国浅部煤炭资源的不断开挖、枯竭，深立井的建设已经成为目前和今后的主要工作，由此而 引发的施工方法、结构设计、高地压和高应力软岩的处理措施等不同于浅立井的一系列变革 势在必行。本文针对深立井基岩段井壁结构设计中的地应力计算给出具体方法，为井壁结 构的整体优化设计奠定基础。井壁结构的设计中除地应力之外，还有温度应力［1］ 、自重应力等，这些应力将在其它文章中做进一步研究。

1地压应力分析

地压应力是因地压的原因使得井壁内产生的应力［2］，井壁内地压应力的计算需考 虑井筒与围岩之间的相互作用（见图1），假设井筒与围岩之间的相互作用力为玴，则施 工后的围岩可以看成是厚壁圆筒，对这样的轴对称厚壁圆筒，其应力值可依据拉梅解答 ［3］184求解，即

求得

2算法举例

某矿主井井筒井深992.5 m，井深770 m以上井筒外径8.7 m，壁厚550 mm；井深770 m以下井筒外径8.8 m ，壁厚600 mm。弹性模量=25.48 GPa，混凝土强度等级C30 ；混凝土的泊松比玼=0.18。岩石为天然含水状态，其物理力学性质如表1所示。 表1砂质泥岩物理力学性质

岩石容重/（kg•m-3）[]弹性模量/GPa泊松 比平均容重/（kg•m-3）抗拉强度/MPa单值平均值12326022 5972 55722.160.3142 5860.7471.8380.823 1.136

2.1地应力计算

由于地应力从上至下按线性分布，故井筒危险点应在770 m和992.5 m处。

将表（1）中有关参数代入式（12），则可得到井深770 m和992.5 m处的地压值。

玃770=1 581 438.831 N/m2

玃992.5=2 184 239.376 N/m2

对于混凝土井壁，其危险点位于内井壁处，内井壁处的应力值可利用式（13）求解。

2.2地应力分析

从上述的计算结果可看出，危险点处的环向应力要远远大于竖向应力，通常在5倍左右，因 此，对于基岩段立井井筒，导致其破坏的主要原因在于水平地压，这与表土段井筒破坏 ［510］的因素是完全不同的，尽管温度变化也会导致竖向应力的增大，但温度变化会 导 致环向应力的更大增加。所以，对于基岩段井筒，防止井壁破裂的措施应从改变应力状态和 减小环向应力入手。

3提高承载能力措施

3.1提高承载能力的理论分析

根据上述的分析，结合第三强度理论σ1-σ3≤［σ］［4］，或 库仑 纳维尔准则［5］σ1基岩段井壁承载能力的行之有效的途径。

3.2提高承载能力的措施

概括起来，措施有两个方面：① 提高混凝土的强度等级；② 井壁内表面设置钢板［6 ］，即用单面钢板混凝土井壁。

（1） 混凝土强度等级的提高，可以有效的增大［σ］和［(f2+1)1/2-f］ 的数值，达到提高承载能力的目的。

（2） 钢板混凝土井壁的使用，使得σr不再为零，一方面提高了σ3的数值，同时也 降低了σ1的数值，从而大幅降低了（σ1-σ3）和σ1［(f2+1)1/2-f ］-σ3［(f2+1)1/2+f］的数值，而且随着地压的增大，σr的数值会迅速 的提高，同时σθ会呈缓慢降低态势，因此对井壁承载能力的提高效果是显而易见的， 且表现出地压越大，承载力越强的特殊功能。另外，根据对我国上世纪80年代至今的数年间 发生在各大矿区破裂的井筒［78］和未破裂井筒（表土段）的对比情况分析， 凡是增设了内层钢板的井筒基本完好无损，而未加钢板的井筒，发生了数百例破裂事故。

4结论

（1） 本文给出的深立井基岩段井壁地压应力的计算理论对我国目前深立井井壁结构的设 计具有很大的参考意义。

（2） 文章分析了基岩段钢板混凝土提高井壁承载能力的力学机理，对减小井筒荒断面的直 径，优化井壁结构的设计具有很大的实践意义。

（3） 本文的计算结果结合井壁温度应力的计算结果可作为井壁结构设计的理论基础。

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(责任编辑：何学华)