岩石工程竖向附加力的统计分析范文

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1井筒破裂机理与荷载计算方法

井筒的破裂是由于其承受的竖向荷载超过其材料的承载能力所致。井筒所受的竖向荷载中，一方面包括重力，即井壁自重、作用于井壁上的井塔重量、井壁上的装备重量等，另一方面包括竖向附加力，即井壁与周围土体之间、方向与自重一致的负摩擦力。中国矿业大学等单位通过大量模拟试验表明：特殊地层含水层疏水，水位下降引起含水土层的有效应力增大，使土体产生固结压缩，引起上覆表土下沉，由于井壁与周围土体之间存在摩擦作用，土体在下沉过程中必然施加于井壁外表面一竖直向下的附加力，随着水位的下降该附加力不断增加，当该附加力增加到一定值时，即钢筋混凝土井壁不能承受巨大的竖直附加力与自重之和时发生破坏。井筒的破裂形态可以从井壁钢筋的受力情况得到验证。大屯矿区龙东矿东风井井筒处松散层厚195.6m，在井深194.8m处的井壁钢筋应力实测值。可见，井壁的环向钢筋应力变化率很小，表明外部径向挤压力是持续稳定的；而竖向钢筋则以51.6～57.0MPa／a的平均增长率逐年快速递增，井筒的破裂缘于井壁竖向应力的增大。

2关于井壁竖向附加力的讨论

以前在设计井壁时认为表土段井壁的自重荷载的3／4由井筒周围的土体分担，而在基岩段则基本不考虑自重荷载。实际上，在特殊地层条件下井壁不但要承受自重（含装备重量），还要承受由于含水层疏排水而产生的竖直附加力。分析表2数据可知以下方面。

1）同一煤矿中不同立井（如主井、副井、风井等）的单位外表面积竖向附加力标准值Pf，k较为接近，而不同煤矿的附加力标准值Pf，k相差较大。如芦岭煤矿的Pf，k值在22～24kPa之间，而海孜煤矿的Pf，k值在51～61kPa之间。

2）童亭煤矿的主井与副井、前岭煤矿北风井、临涣煤矿西风井均为预制钢筋混凝土结构，它们的附加力标准值Pf，k分别为36.0kPa、27.03kPa、20.83kPa、39.63kPa，数值总体上偏小，说明预制混凝土结构与土体的接触不够紧密，土体施加给井壁的竖向附加力较小。

3）16个破裂立井的附加力Pf，k的均值为45.66kPa，若把上述四个预制混凝土立井剔除后，剩下12个破裂立井的附加力Pf，k的均值为51.1kPa。中国矿业大学根据试验提出安徽省宿县矿区祁南矿井副井井筒井壁外缘单位面积的附加力值为50kPa；煤炭总院北京建井所提出其设计标准值，淮北矿区为61.5kPa，大屯、徐州矿区为56.4kPa，其他矿区为62.1kPa。本文所求的附加力Pf，k均值51.1kPa与这些建议值较接近。一般地，由于预制立井的稳定性、安全性、耐久性与现浇混凝土相比有诸多劣势，且其厚度受到限制，已在立井设计中较少使用。故上述分析中把预制混凝土立井剔除后更为合理。

4）孔庄煤矿副井的破裂深度为142～145m，该深度在所列案例中属较浅，但反演得到其单位外表面积竖向附加力标准值Pf，k为67.5kPa，为所列案例中的最大值。可见附加力Pf，k的大小并不取决于立井的深度，而与地质条件有关。事实上，竖向附加力Pf，k的大小与地层的地质和水文地质条件、地层是否疏水以及疏水的速率、井壁结构等多种因素有关。大量研究表明：①竖向附加力与疏排水层的压缩模量成反比，与疏排水层的水压降成正比；竖向附加力是随着含水层线性降压而线性增加的，当停止疏排水后，竖向附加力也很快趋于稳定。②竖向附加力随深度呈非线性的递增关系，越靠近疏排水层与上覆土层的交界面，附加力的值越大，在表土与基岩交界面处达最大值。③竖向附加力与疏排水层的厚度成正变关系，疏排水层越厚，竖向附加力越大。④附加力的大小与土层性质有关。一般而言，在其他条件相同时，砂、黏土质砂、砂质黏土、黏土四种土层的附加力相比，砂的附加力大，黏土质砂的附加力次之，黏土的附加力最小。可见，影响竖向附加力大小的因素众多，仅依照地质资料要准确确定某一矿井的竖向附加力取值是非常困难的，故相关规范中也未对该值做过多地规定与阐述。竖向附加力一般按试验数据或经验选取。鉴于试验过程的复杂性、高代价与工况局限性，参照经验选取竖向附加力Pf，k是通用做法。本文依据已破裂立井资料，反演得到了各立井竖向附加力Pf，k的取值。

3结论

1）井壁单位外表面积竖向附加力是井筒设计中的重要参数，但规范中尚未给出明确地数值大小，仅注明了可根据具体条件按试验数据或经验选取。本文基于大量已破裂立井案例，通过具体参数反演推算得到附加力的有效均值为51.1kPa，为新井井壁的设计提供参数依据。

2）同一煤矿中不同立井的附加力值较为接近，不同煤矿的附加力值相差较大。预制混凝土结构与土体的接触不够紧密，故预制井壁的竖向附加力值较小。附加力的大小并不取决于立井的深度，而与地质条件有关。

3）影响竖向附加力大小的因素众多，仅依照地质资料要准确确定某一矿井的竖向附加力取值是非常困难的。若新建矿井的地质条件与本文反演计算中的矿井类似或相近，则其竖向附加力可选相近矿井的相应值做参考。（本文来自于《中国矿业》杂志。《中国矿业》杂志简介详见.）

作者：刘金龙陈陆望王吉利单位：合肥学院建筑工程系合肥工业大学资源与环境工程学院中国科学院武汉岩土力学研究所