潘三煤矿西风井井壁突水机理分析

彭世龙，荣传新，程 桦

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南232001)

0 引 言

钻井法凿井是采用大型钻井机经一次或几次扩孔施工竖井井筒的方法，钻进时孔内充满泥浆，以保证井帮不坍塌，而破碎下来的岩屑则用压气提升反循环洗井通过钻杆提升到地面，并在钻成的钻孔内将预制井壁在泥浆中悬浮下沉到底，最后壁后环状空间充填水泥浆及石碴固井。全部作业在地面进行，其机械化程度高，施工安全，成井质量好，是通过深厚不稳定地层的有效方法［1］。我国1969 年在淮北朔里南风井钻凿了第一个井筒，钻井深度90 m，成井直径3.5 m。至今为止，我国钻井法凿井已施工井筒71 个，累计长度超过20 km，已竣工井筒最大钻井直径10.8 m(张集北区混合井、板集副井)，最大成井直径8.3 m(张集北区混合井)，最大成井深度656.2 m(板集主井)。其中，深度600 m 左右的有7 个，占竣工井筒的10%。

淮南矿业集团潘三矿西风井是当时我国采用钻井法凿井最深的井筒，钻井法施工的成井深度509.6 m，1982 年3 月开始施工，钻径9 m，1984 年11 月施工完毕。根据西风井检查孔资料，该井穿越冲积层厚度为440.82 m，划分为3 个含水层和2 个隔水层，即上部含水层、上部隔水层、中部含水层、中部隔水层和下部含水层。钻井井壁结构为预制钢筋混凝土井壁和钢板混凝土复合井壁两种形式，混凝土标号分别为400#、500#和550#(分别相当于混凝土强度等级C38、C48 和C53)，壁后采用水泥浆和石渣充填。从上至下井筒净直径和壁厚分别为:Φ6.8 m，壁厚0.5 m(深度0 ～169.7 m);Φ6.4m，壁厚0.7 m(深度169.7 ～268.7 m);Φ6.0 m，壁厚0.9 m(深度268.7 ～454.9 m);Φ6.4m，壁厚0.7 m(深度454.9 ～509.6 m);55 ～150 m 以及240 ～330 m 段壁后采用石渣充填，其余段采用水泥浆充填。

潘三矿西风井于2010 年2 月18 日突发井筒出水事故，井筒出水量约300 m3/h，出水位置位于井筒累深307.2 m 处，相对应的地层为近100 多米厚的第三含水砂层，该处井壁为钢筋混凝土结构，井筒净直径为6.0 m，壁厚为0.9 m，混凝土标号为500#，相当于混凝土强度等级为C48。根据移交档案资料，该井筒从开始施工到矿井投产前共出现5 次出水，并进行了5 次加固，井筒移交生产后，一直有出水现象，正常水量30 m3/h 左右，说明严重的渗水问题在施工一开始就存在。综合现场调查和资料分析，出水点附近井壁大量的裂隙发育，该处井壁于1984 年4 月13 日施工，混凝土强度测定值差异性较大，说明混凝土搅拌不均匀，观察剥落下来的井壁混凝土块，可见其内部气孔(蜂窝)，大小约有50 mm2;另外，破坏点出现在一节钻井井壁的中部而非两节井壁的连接处(强度最弱处)，也反映了该井壁内部质量存在问题，同时，破坏点出现在中部含水层，而非更深的、地层差异性最大、井壁受力最大的基岩面附近，也说明了该处井壁在初始设计阶段的质量有问题［2-3］。若立井井壁由疏水沉降而产生破坏时，破坏点常发生在表土与基岩的交界处附近，多为7 ～8 月份，且井壁受力为轴向压缩，发生轴向压裂的破坏形式，裂缝多呈现水平环状，横向断裂，混凝土成块剥落，钢筋外露，井壁内鼓［4-7］。由潘三矿西风井井壁突水点位置、突水时间、突水处裂缝形式可知，此时井壁非疏水沉降所产生的破坏，井壁裂缝为突水时冲刷所致。2010 年2 月25 日，淮南矿业集团公司有关领导邀请相关专家就潘三矿西风井出水问题召开了专题讨论会，通过对矿井安全有关问题进行了深入研究，决定采用抛石渣、河砂、水泥和水玻璃对井筒进行了充填，确保了矿井安全，避免了淹井的危险。为了进一步分析该井壁突水机理，依据文献［8］的研究成果，对其突水事故的发生机理进行了理论分析。

1 井壁突水机理分析

立井井壁发生突水事故与许多因素有关［8-11］，在井壁的几何尺寸一定的前提下，井壁能够承受的极限水压力P0c，不仅与和混凝土单轴抗压强度σc和塑性损伤区半径ρ 有关，而且还与井壁混凝土孔隙率φ 和塑性损伤区的降模量λ 等重要因素有关。现从这几方面对潘三矿西风井井壁的突水进行理论分析。

1.1 混凝土损伤程度的影响

损伤是材料、构件在外载或环境作用下宏观力学性能的劣化，表现为在应力作用下微观裂纹和微观空隙的产生和发展，宏观表现为有限工作面的减少。Manjoine 将损伤分为三个阶段:连续滑移带的发展，永久损伤的开始和永久损伤的传播直到破坏［12］。混凝土在自然状态下就是一种明显的多孔介质，其构件在受力后，内部沿着骨料界面产生许多微裂纹(损伤)，其开裂面大体上同最大拉应变或拉应力垂直。裂纹主要是沿着骨料界面发展，这是混凝土的应力—应变曲线出现“应变软化”效应。应变软化会引起结构内力的重新分布，同时还会引起泊松比和体应变的变化［13-15］。因此，混凝土井壁在外围水压力作用下的损伤程度对井壁突水有很大的影响。

由文献［8］可知，井壁承受的地下水压与塑性损伤区半径之间关系如式(1)，井壁结构如图1 所示。

当井壁承受的水压力接近临界水压时，井壁处于非稳定平衡状态，在此情况下井壁如受到轻微的扰动即可发生突水事故。潘三矿西风井井壁内半径a=3 m，外半径b=3.9 m，混凝土标号为500#，相当于混凝土强度等级为C48，泊松比μ=0.2，混凝土的单拉和单压强度比α=0.082 7，井壁突水位置位于井筒累深307.2 m 处，此处的水压力相当于3.07 MPa。现取井壁混凝土孔隙率φ=0.4，计算绘出混凝土强度等级在C48 时混凝土损伤后井壁承受水压力P0c与降模量与弹性模量之比λ/E 的关系曲线图如图2所示。

由图2 可知，当λ/E 的值小于1 时，随着λ/E 的增大，混凝土井壁所能承受的临界水压力降低很快，此时λ/E 对井壁的抗水压能力的影响较大。当λ/E≥30 以后，随着λ/E 的增大，混凝土井壁所能承受的临界水压力基本不变，并且即使当λ/E=无穷大(如图3)，混凝土井壁所能承受的水压力趋近于8.6 MPa，表明λ/E 取为无穷大，混凝土强度等级为C48 时，潘三矿西风井不会发生突水事故。

图1 潘三煤矿西风井井壁结构Fig.1 Structure of the west ventilation shaft lining at Pansan coal mine

图2 临界水压力P0c与λ/E 的关系曲线图Fig.2 Curve of critical hydraulic pressure P0c and λ/E

1.2 混凝土孔隙率的影响

立井井壁混凝土是可变形的多孔介质材料［16-17］，在地下水压的作用下，井壁混凝土的变形将引起其中孔隙、裂隙通道的改变，从而影响孔隙水的流动;孔隙水压力、流动速度变化等也会引起井壁混凝土变形的改变。因此，井壁混凝土变形与其中水流动间存在相互作用，即流固耦合作用［8］。在地下水压力较大的情况下，井壁更容易发生突水、涌水等事故，故而地下水渗流对井壁稳定性的影响不可忽视。

由前述分析可知，当λ/E≥30 时，混凝土井壁所能承受的临界水压力基本不变。取混凝土损伤后的降模量与弹性模量之比λ/E=50，计算绘出混凝土强度等级为C48 时，井壁承受水压力P0c与混凝土孔隙率φ 的关系曲线如图4 所示。由图4 可知，当λ/E=50 时，随着井壁混凝土孔隙率φ 的增大，井壁所能承受的临界水压力不断减小，当φ=0.5 时，P0c=8.06 MPa，大于3.07 MPa。因此，在混凝土强度等级为C48 的情况下，潘三矿西风井在307.2 m 处不会发生突水事故。由此可见，井壁发生突水的主要原因是混凝土强度未达到其设计强度C48。

图3 临界状态下的弹塑性损伤模型Fig.3 Elasto-plastic damage model for the critical state

图4 临界水压力P0c与孔隙率φ 的关系曲线图Fig.4 Curve of critical hydraulic pressure P0c and concrete porosity φ

1.3 井壁混凝土质量的影响

取混凝土损伤后的降模量与弹性模量之比λ/E=50，在不同孔隙率的情况下，混凝土井壁所能承受的临界水压力P0c与混凝土单轴抗压强度之间的关系如图5 所示。由图5 可知，随着井壁混凝土单轴抗压强度的不断增大，井壁所能承受的临界水压力呈直线型增长，当σc≥20 MPa 时，井壁所能承受的临界水压力值P0c均大于3.5 MPa，故要使潘三矿西风井在累深307.2 m 处发生突水，混凝土井壁的单轴抗压强度一定小于20 MPa。为了进一步得出潘三矿西风井在突水时具体的工作参数，取孔隙率分别为φ=0.3，0.4，0.5 来分析不同降模量与弹性模量之比λ/E 下，井壁所能承受的临界水压力与混凝土单轴抗压强度的关系，如图6 ～8 所示。要使得潘三矿西风井在累深307.2 m 处发生突水事故，井壁所能承受的临界水压力P0c≤3.07 MPa。由图6 可知，当井壁孔隙率φ=0.3 时，突水需满足以下条件:σc=15 MPa时，λ/E≥20;σc=16 MPa 时，λ/E≥50;单轴抗压强度σc≥17 MPa 时无法突水。由图7 可知，井壁孔隙率φ=0.4 时，突水需满足:σc=15 MPa 时，λ/E≥10;σc=16 MPa 时，λ/E≥20;σc=17 MPa 时，λ/E≥40。单轴抗压强度σc≥18 MPa 时均无法突水。由图8 可知，井壁孔隙率φ=0.5 时，突水需满足:σc=15 MPa时，λ/E≥5;σc=16 MPa 时，λ/E≥10;σc=17 MPa 时，λ/E≥20;σc=18 MPa 时，λ/E≥40。当单轴抗压强度σc≥19 MPa 时无法突水。综上分析可得潘三矿西风井在累深307.2 m 处突水时的工作参数应满足:σc≤19 MPa，φ=0.3 ～0.5，λ/E≥5。

图5 λ/E=50，不同混凝土强度下的临界水压力P0cFig.5 λ/E=50，the critical hydraulic pressure P0c under different concrete strength

图6 φ=0.3，不同混凝土强度下的临界水压力P0cFig.6 φ=0.3，the critical hydraulic pressure P0c under different concrete strength

图7 φ=0.4，不同混凝土强度下的临界水压力P0cFig.7 φ=0.4，the critical hydraulic pressure P0c under different concrete strength

图8 φ=0.5，不同混凝土强度下的临界水压力P0cFig.8 φ=0.5，the critical hydraulic pressure P0c under different concrete strength

2 结 语

将潘三矿西风井混凝土井壁视为多孔介质，考虑地下水渗流对井壁稳定性的影响，采用统一强度理论和弹塑性损伤力学模型，对潘三矿西风井井壁突水的机理进行了分析。

①井壁混凝土孔隙率φ=0.4，混凝土强度等级为C48，当λ/E≥30 时，混凝土井壁所能承受的临界水压力基本不变，λ/E 取无穷大，此时井壁能承受的临界水压力为8.6 MPa，即C48 强度等级的混凝土井壁在累深307.2 m 处不会发生突水事故。

②当λ/E=50 时，随着孔隙率φ 的增大，井壁所能承受的临界水压力不断减小，但仍然大于3.07 MPa，表明井壁在307.2 m 处不会发生突水事故。由此可见，井壁发生突水的主要原因是混凝土强度未达到其设计强度C48。

③潘三矿西风井井壁在累深307.2 m 处发生突水时，其混凝土单轴抗压强度σc≤19 MPa，孔隙率φ 为0.3 ～0.5，λ/E≥5。

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