鋼板混凝土井壁結(jié)構(gòu)受力變形監(jiān)測應(yīng)用研究

洪士保

中煤新集能源股份有限公司板集煤礦 安徽亳州 236700

板集煤礦副井井筒于2009年4月18日發(fā)生突水事故，在治水專家組的指導(dǎo)下，開展了為期多年的井筒治水與修復(fù)工作，治理工作進(jìn)展順利并取得成功，2017年8月17日順利通過井筒安全性評價專家論證。由于井筒穿過巨厚松散層，水文與工程地質(zhì)條件復(fù)雜，在恢復(fù)礦井建設(shè)和后期開采過程中，將引發(fā)地下水和地層的變化，可能改變井筒的受力狀態(tài)；再者，井筒擔(dān)負(fù)著礦井的通風(fēng)、提升任務(wù)，是礦井的“咽喉”，事關(guān)煤礦安全運(yùn)行和高效生產(chǎn)。因此，需要對井筒受力變形進(jìn)行長期有效的監(jiān)測和研究。省內(nèi)部分高校長期對高強(qiáng)混凝土井壁或馬頭門上下口井壁的變形進(jìn)行了監(jiān)測研究，但針對鋼板井壁變形的監(jiān)測研究較少，因此，主井鋼板井壁受力變形的監(jiān)測研究施工難度大、創(chuàng)新性強(qiáng)，研究結(jié)果對礦井安全生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 監(jiān)測方案

根據(jù)主井井筒檢查孔地質(zhì)柱狀圖和井壁結(jié)構(gòu)圖，確定在主井內(nèi)層井壁共布置3個監(jiān)測水平，如表1所示。

表1 主井監(jiān)測水平設(shè)置及土性表

主井3個監(jiān)測水平都安設(shè)鋼弦式傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，每個水平在內(nèi)層井壁外表面等間距布置4個測試點(diǎn)。每個測點(diǎn)沿豎向和環(huán)向各布置鋼弦式表面應(yīng)變計(jì)各1個，分別監(jiān)測井壁混凝土的豎向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變，每個水平合計(jì)布置鋼弦式表面應(yīng)變計(jì)8個，內(nèi)層井壁上合計(jì)布置鋼弦式表面應(yīng)變計(jì)24個。通過主信號電纜與鋼弦式頻率測試儀相連，實(shí)時測試主井鋼板井壁的受力和變形狀態(tài)[1]。

2 主井井壁安全預(yù)警值計(jì)算

以第一水平累深420m處井壁為例進(jìn)行計(jì)算，原預(yù)制鋼板混凝土井壁外壁承受水土側(cè)壓力：P=0．013×420=5．46MPa；原預(yù)制鋼板混凝土井壁的外層和內(nèi)層是鋼板，中間層是混凝土。外層鋼板厚度為10mm，中間層鋼筋混凝土厚度為824mm，內(nèi)層鋼板厚度為16mm，混凝土強(qiáng)度為等級為C60。在原有鋼板混凝土井壁中套上鋼板混凝土井壁，此鋼板混凝土井壁共有兩層井壁，外層高強(qiáng)混凝土的厚度為580mm，混凝土強(qiáng)度等級為C80，內(nèi)層鋼板厚度為20mm。

表2 井壁混凝土的力學(xué)參數(shù)

鋼板材料為Q345，彈性模量E1=2．06×105N/mm2，泊松比根據(jù)組合筒設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算。

如圖所示，從內(nèi)到外的半徑表示為r1-r6，層數(shù)為第1層至第5層；r6=3．95m，r5=3．94m；最外層為薄壁圓筒，則內(nèi)層的徑向位移為

其中r5—該層井壁的平均半徑，h—井壁厚度，P—井壁外層水、土側(cè)壓力；P54—第5層井壁和第4層井壁之間的壓力。

第四層井壁為厚壁圓筒，r4=其內(nèi)、外側(cè)徑向位移分別為

第三層井壁為薄壁圓筒，其徑向位移變位為：

第二層井壁為厚壁圓筒，其內(nèi)、外徑向位移變位為：

最內(nèi)層井壁為薄壁圓筒，其徑向：

根據(jù)相鄰兩層井壁之間接觸面的變形協(xié)調(diào)條件可得

解得

將已知數(shù)值代入式（11）得內(nèi)層和第二層之間的壓力值P21=0．122×5．46=0．666MP

對于最內(nèi)側(cè)鋼板：

豎向自重應(yīng)力：

內(nèi)壁內(nèi)緣環(huán)向應(yīng)變：

內(nèi)壁內(nèi)緣豎向應(yīng)變：內(nèi)側(cè)鋼板的材料為Q345，抗拉抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為295Mpa，鋼板的極限壓應(yīng)變?yōu)椋?/p>

考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)1．35、 1．2和1時，得到不同的井壁環(huán)向和豎向富余壓應(yīng)變，如表3所示。鋼板的極限拉壓應(yīng)變是一樣的?？紤]0．6、0．8和1倍極限拉應(yīng)變時，得到井壁環(huán)向和豎向富余拉應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表3 井壁鋼板變形預(yù)警值設(shè)置

3 主井井壁變形監(jiān)測結(jié)果

主井井壁鋼弦式鋼板表面應(yīng)變傳感器安裝測試80天后，三個水平的鋼板變形監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2-圖7所示

4 結(jié)語

板集煤礦在恢復(fù)建設(shè)和后期開采過程中，地下水和地層的變化將改變井筒的受力狀態(tài)，因此開展了主井筒井壁監(jiān)測技術(shù)研究，得到結(jié)論如下：（1）建立了鋼弦式鋼板井壁變形監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時、準(zhǔn)確、全面反映井筒的受力變形；（2）根據(jù)主井井壁的受力狀態(tài)，通過組合筒理論，考慮不同的荷載分項(xiàng)系數(shù)，給出了主井鋼板內(nèi)層井壁的黃色、橙色和紅色變形預(yù)警值；（3）井壁監(jiān)測元件安裝80天后，鋼板內(nèi)層井壁表面變形較小，變形處于預(yù)警值范圍之內(nèi)，后期需要及時、準(zhǔn)確的實(shí)時跟蹤井筒的安全狀態(tài)[3]。