冻结立井的破裂危险深度研究
探讨冻结法立井施工中高标号砼井壁产生裂缝的原因
现 代 建 筑 中时 常 涉 及 到 大 体 积混 凝 土施 工 ， 如 高 层楼 房 基 础 、 大 型设 备 基础 、 水 利 大坝 等 。它 主 要 的特
性 能 要 求较 高 。 目前 立井 施 工 时砼 的拌 制一 般 由施 工
点是体积大 ， 一般实体最小尺寸大于或等于 ｌ ｍ。它 的
表 面系 数 比较 小 ， 水 泥水 化 热 释放 比较 集 中 ， 内部温 升 比较 快 。 混凝 土 内外 温 差 较 大 时 ， 会 使 混凝 土 产 生 温
度裂 缝 。一般 大 体积 混 凝 土定 义 约定 的温 差 ２ ５ ℃。而
在 土建 工 ห้องสมุดไป่ตู้ 施 工 中 ， 砼 的标 号偏 低 （ 一 般不 超 过 Ｃ ４ ０ ） ，
冬 季施 工 时应 采 取 措 施 控 制砼 的入 模 温 度 ， 提 高砼 的
早 期 强度 。
而且可 以采取预埋降温管或冷却管来使砼 内外温差减
小， 但是 在 矿 建施 工 中此方 法不 适 用 ， 而且 立 井 井筒 施
施 工 中 的人 为 因 素 ； （ ４ ） 拆模时间； （ ５ ） 砼 的养 护 ； （ ６ ） 砼
外 部 温度 影 响 ； （ ７ ） 内外 井 壁结构 原 因 。
４ 原 因分析
砼水化热温度更高 ， 更容易形成裂缝 ， 但是裂缝产生 的
原 因不 一 定 都 是 由于砼 内外 温 差 引 起 的 ， 也 可 能 是 生 产 和施 工 过程 中的其 他 原 因造 成 。高 标 号砼 井 壁产 生 裂缝 的原 因及 施 工 中如 何减 少 裂缝 的产 生是 一 个值 得
冻结法凿井井壁破裂原因分析及对策
中央 并 列 式 通 风 系 统 。矿 井 投 产 时 共 布 置 ３个 井 筒 ， 别 分
为 主 斜 井 、 立 井 和 回风 立 井 。 主斜 井 净 宽 ５ ０ｍ， 筒 倾 副 ． 井 角 １ 。 斜 长 ７ ０ ０ｍ ； ６， ４ ． 副立 井 净 直 径 ９ ０ｍ， 深 ２ ０ ０ｍ； ． 垂 １ ．
江
第 ３期
ＮＯ．３ ２ ２ ０１
ＪＡ ＮＧＸＩＣ Ｉ ＯＡＬ Ｓ Ｅ ＣＩ ＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨ ＮＯＬ ＯＧＹ
冻 结法凿 井井 壁破 裂 原 因分 析及 对 策
贾成 刚
（ 中煤 科 工 集 团武 汉 设 计 研 究 院 ， 北 武 汉 ４ ０ ６ ） 湖 ３０ ４
３ 井壁破 裂 原 因分析 及 对 策
３ １ 井 筒破 裂情 况 ．
井 筒 所穿 过 的含水 层 由上 至下 依 次 划 分 为 第 四系 孔 隙
潜 水 含 水层 、 三 系 孔 隙 承 压 含 水 层 与 白 垩 系 风 化 岩 层 孔 第 隙 、 隙承 压 含 水 岩 层 以及 白 垩 系 煤 系 地 层 裂 隙 承 压 含 水 裂 层 。其 中 第 四系 孔 隙潜 水含 水 层 和 第 三 系 孔 隙 承 压 含 水 层 属 中等 富 水含 水 层 ， 它 含 水 层 富 水 性 弱 。副 立 井 和 回风 其 立井 井 筒 松散 地 层 涌水 量 １ ． ９ １ ． １ｍ３ ｈ 风 化岩 层 涌 ３ １ ～ ４ ６ ／ ， 水 量 ９ １ ～ １ ． １ｒ３ ｈ 基岩 涌 水 量 ２ ３ ～ ２ ６ ／ 。 ． ９ ０ １ Ｉ／ ， １ ． ６ ． ２ｍ３ ｈ
ｓ ａ ｔｉ ｈ ｆ ｎ Ｃｈａ ａ ｎ ｏ ｒ ｎ ｅ ｏ ｇ ｌａ ｈｅａ ｔ ｏ ｒ ｐ ｓ ｄｉ ｇ ｎ ａ ｅ ，Ｉ ｎ ｒＭ ｎ ｏ ｉ ，ｔ ｕ ｈ ｒｐ ｏ ｏ ｅ ｍｐｒ ｖｎ ａ ｌ ｔｅ ｇ ｈ ｏ ｏ ｃ ｅ ｅａ ｄ ｌｙｎ ｏｙ ｏ ｉｇ ｅ ｒｙ ｓ ｒ ｎ ｔ ｆｃ ｎ ｒ ｔ ｎ ａ ｉｇ ｐ ｌ— ｓｙ ｅ ｅｆａ ｂ ｒ ｔ ｒ ｎ ｏ ｍ ｏａ ｄ，ｗｈ ｃ ｕ ｒ ｎ ｅ ｄ ｓ ａ ｔｃ ｎ ｔｕ ｔｏ ａ ｅｙ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｘ ａ ｓｏ ｆｔ ｎ ｔ ｂ ｅｓ ｒ ｔ ｎ ｉｈ ｇ ａ ａ ｔ ｅ ｈ ｆ ｏ ｓ ｒ ｃｉ ｎ ｓ ｆ ｌ ｈ ｏ ｇ ｈｅｅ ｐ ｎ ｉｎ ｏ ｈｅｕ ｓ ａ ｌ ｔ ａ ａａ ｄ
初探立井冻土爆破技术
初探立井冻土爆破技术摘要：立井施工通过较厚不稳定表土层时大都采用冻结法。
早期由于缺乏成功经验，惧怕爆破造成冻结管断裂，而采用浅眼爆破。
随着施工经验的积累，在冻结基岩段掘进已有成功采用深孔爆破的实例。
借鉴冻结基岩爆破的成功经验，在井筒全断面冻实时，为提高掘进速度，人们开始研究并试用爆破法破碎冻土。
研究和实践表明，由爆破引起冻结管断裂的概率几乎为0，冻结管断裂真正原因则是冻结壁的过度变形方面进行了大量的试验研究工作，取得了一定的研究成果。
关键词：立井冻土爆破一、概述立井井筒是矿井建设的关键工程,其施工速度的快慢,直接影响着矿井建设的总工期。
国内外众多立井施工的实践经验表明,立井掘进深孔爆破技术的应用是提高立井掘进速度的条件之一。
此技术的优越性在于,一方面增加了循环进尺,相对减少了辅助作业时间;另一方面更大程度地发挥大型凿井设备的生产能力,如伞形钻架、中心回转或轨道抓岩机、大容积吊桶、大型提绞设备和自卸汽车等。
从而提高了成井速度,缩短了建井工期,节约了工程成本,经济效益显著。
因此越来越为立井掘进施工所重视。
影响立井掘进深孔爆破效果的2个关键因素有:①掏槽爆破;②光面爆破。
前者决定着掘进循环进尺,后者控制着井筒成型质量。
二、增大炮眼密集系数原理1.改变和增大自由面。
在立井冻土崩落爆破时，增大炮眼间距即增大炮眼密集系数，能够增加冻土内的剪应力和拉应力。
根据利文斯顿爆破漏斗理论，在装药处于临界抵抗线以内时，减少抵抗线，爆破漏斗半径增大，炮眼间冻土断裂面渐呈凸出状，新的自由面不再是一个平面，而是一个弯曲的凸面，即相当于可利用的自由面面积增大，为后继爆破创造了有利条件。
当爆破平面自由面时，应力波的传播和反射先在最小抵抗线方向产生裂隙。
一旦裂隙形成，爆生气体泄溢，爆炸能量释放，抑制了炮眼周围其他方向裂隙的形成和发展。
增大炮眼密集系数即增大眼距，使相邻炮眼间相互作用程度降低，爆后眼间留有一定量的凸出，新自由面变成了弯曲面。
关于冻结立井井壁开裂快速维修的研究与应用
Ｖ０１．４１ Ｎｏ．３
ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９６．ｉｓｓｎ．１６７２－９９４３ ２０１６．０３．０５６
能 源 技 术 与 管 理
Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
１４９
关于冻结立井井壁开裂快速维修的研究与应用
李忠森 ，车发 明，温永亮
表 ２ 新 庄煤 矿 回风 立 井 井 壁测 温 结 果
１５０
李 忠森 ，等 关 于冻 结立 井井 壁开裂 快速 维修 的研 究与应 用
２０１６年 ６月
Ｊｕｎ．，２０１６
经初步分析 ，该段井壁出现开裂 、剥落等变 形 ，主要 是 因为该 段 地 层 为粘 土 、细砂 含水 层 ，黏 土层 膨胀 系数 大 ，岩土冻 结发 展速 度不 平衡 ，在 膨 胀力 和冻 涨力 的长 期作 用下 ，井壁 局 部 出现变 形 剥落 ［ ］。
粘 土 、细砂层 ，中间夹粗 砂 薄层 、砂 质粘 土 。施工 时 该 段 曾 出现严 重 片帮 ，井帮 出现 淋水现象 。
表 １ 新庄矿 井回风立井井简地质素描
１ 井筒概 况
新庄煤矿回风立井设计井深 ９６６．６ ｍ，井筒净 直径 ７．５ ｍ，其 中表土层厚度 为 ２１０ ｍ，采用 冻结 法 施工 ，冻 结 深 度为 ９０２ ｍ，采 用 双层 钢 筋混 凝 土 内 、外层 井壁 支 护 。历 经 ５个 月 的时 间 ，该 矿冻 结 段 井筒 的外 层井壁 共施 工 ５６０ ｍ。
（ａ）井 筒 支 护 示 意
（ｂ）相 关 部 件
１．锚杆 ；２．钢楔 ；３．钢筋网片 ；４．筛 网片；５．托盘 ；６．井圈 ；７．井 圈连接板 ；８．井圈连接板螺栓 ；９．螺栓孔眼 ；１０．纵向连接钢筋 图 １ 回风 立 井 一１６５ ｍ、一１８１—１８７ ｍ 井 壁 锚 网 ＋井 圈支 护 示 意
深立井井壁破裂的力学机理及破裂预测研究
深立井井壁破裂的力学机理及破裂预测研究
经来旺;高全臣;刘飞;牛学超
【期刊名称】《工程力学》
【年(卷),期】2006(23)3
【摘要】分析了深立井井壁破裂的力学机理,研究了深立井井壁的应力分布规律在井壁破裂预测方面的具体运用,结合混凝土井壁的强度准则和矿区地下水下降的规律,建立了立井井壁破裂的预测理论。
研究表明:立井井壁破裂的危险位置与发生破裂的具体时间与矿区地下水的沉降规律及季节的变化有密切的关系。
最后通过对具体实例的分析,验证了上述理论的正确性和适用性。
对工程现场及井壁设计均具有较大的指导意义。
【总页数】7页(P156-161)
【关键词】深立井;冻结法;井壁;破裂预测;地下水位
【作者】经来旺;高全臣;刘飞;牛学超
【作者单位】安徽理工大学;中国矿业大学北京校区力学与建筑工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TD265
【相关文献】
1.非均衡开采下立井井壁破裂机理及修复技术 [J], 邓昕
2.立井井筒水灾之井壁重复破裂的机理分析 [J], 魏玉怀;经来旺;杨仁树;李清;郝朋伟;张宏学
3.深厚表土层中立井井壁结构破裂的力学分析 [J], 梁捷;程志荣;郑忠友;晏学功
4.深厚表土中井壁结构破裂的力学机理 [J], 吕恒林;崔广心
5.卸压法治理井壁破裂的力学机理 [J], 吕恒林;崔广心
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
冻结法凿井表土段爆破技术研究与应用
冻结法凿井表土段爆破技术研究与应用普通钻爆法在某矿副井冻结段的应用证明，只要爆破参数选取合理，相关措施处理得当，不仅能够避免爆破对冻结壁、冻结管的破坏，而且極大降低工人劳动强度，提高生产效率，缩短施工工期，有效满足现场生产需求。
希望通过文章的介绍，对相关工作提供借鉴。
标签：冻结法凿井；快速施工；普通钻爆法引言冻结法凿井在施工过程中由于冻土进入开挖荒径，导致人工掘进施工难度大，施工进度慢，劳动强度高，无法满足生产需求；而冻结段普通钻爆法施工技术的引入不仅降低了工人劳动强度，而且从根本上解决了施工效率问题，有效保证现场生产进度。
1 施工概况某矿副井井筒设计净直径Φ7.5m，井深1000.7m。
冻结深度725m，表土段厚536.65m。
井筒施工掘砌至冻结段外壁绝对标高-443.75m处时，每模循环时间超过67小时。
根据现场对井帮温度及冻土入荒实测数据分析，该段井壁井帮温度达到-16℃以上，井筒已完全冻实。
拟采用普通钻爆法施工替代人工掘进施工。
2 爆破参数及爆破方式2.1 爆破参数冻结段普通法爆破参数表冻结段普通法预期爆破效果表2.2 爆破方式使用直眼掏槽，中深孔光面爆破。
每循环放炮、出矸时间控制在16个小时左右，正规循环时间不超过40小时。
3 配套设施采用FBD-8.11伞钻打眼、配备Φ49mm麻花钻杆、Φ55mm金刚石钻头钻眼，CX55小型挖掘机及中心回转抓岩机装岩、出矸。
4 保证措施（1）严格按照爆破图表标定眼位开眼。
（2）严格控制钎子偏斜和炮眼深度，以保证各炮眼之间的平行度。
（3）掌握当前阶段冻结管的偏斜状况，控制周边眼成孔角度。
（4）放炮期间严格控制盐水管路关闭与开启，并观测盐水漏失情况。
5 问题与处理爆破期间炸药受低温以及炮眼中水结冰、体积膨胀而引起的乳化炸药的静压减敏从而导致拒爆现象频现，致使无法达到预期爆破效果，施工过程中采用如下措施，成功解决拒爆问题，取得良好效果。
（1）将炸药放入PVC管内后再放入炮眼利用PVC管隔绝炸药与外界接触。
立井基岩冻结段爆破用抗冻水胶炸药的研究
关键词 ：岩石水胶炸药 ；配方 ；铝粉 ；冻结段爆破 ；耐低温性能 。
中 图分 类 号 ：Ｔ Ｑ５ ６ ４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
１ 引 言
岩 石水胶炸药通常含有敏化剂硝酸一 甲胺和少量金属铝粉 ，与乳化炸药相比 ，威 力更大【 ” 。但该炸药 是以胶凝剂水
合后加入交联剂形成的凝胶体 ，在煤矿立井冻结段和北方冬季爆破炮孔 中装 药无 法起爆和传爆 ［ ２ － ３ １ 。为此 ， 国 内学者对 岩石水胶炸药的抗冻性进行了深入的研 究。周永涛 、 刘祖亮等在岩石水胶炸药 中加入十二胺、甲酰胺 等抗冻剂 ， 通过降
根据盖斯定律计算其爆热［ ｓ 】 。炸药的定压爆热 ： ＝ ： 一 Ｑ Ｐ ， （ １ ）
，
式中 ——炸药的定容爆热 ，ｋ Ｊ ． ｋ ｇ ＿ ｌ ；ａ ｐ ｚ ——炸药各原料组分的定压生成热之和
・ ， ——炸药爆炸产物的定压生成热之和 ，ｋ Ｊ ・ ｋ ｇ ～ 。 经计算 ，由式（ １ ） 可计算得水胶炸药定压爆热 ：
献 中查出 ， 下面 以 １ Ｋ ｇ岩石水胶炸药外加 ３ ． ５ ％的铝粉为例 ， 其反应物和爆炸产物基本参数分别列于表 ２ 和表 ３ ， 其 中， 膨胀珍珠岩是一种火山喷发的酸性熔岩 ， 经急剧冷却而成的玻璃质岩石 ， 其主要成份 Ｓ ｉ Ｏ ２， Ａ１ ２ ０３ ， 其内含有许多微孔 ，
３ ２ ． ０ ０ ３ ２ ０ ９ ４ ３ ． ４ ０ ． ３ ３ ９ ． ０ ４
— １ １ ５ ４． １ ８
（ Ｃ ３ ３ ２ Ｈ ５ ９ ０ ３ ｚ ｓ Ｎ ｏ ０ ８ ４ ）ｎ
１ ． １ ０ ｌ １ ２ ３ ２ ６ ０ ０ ０ ． ０ ０ ０ ０ ４ ７ ． ２ ５ ９ ９ ． ６ ２
冻结法施工井壁开裂的原因分析及防治措施
ｌ Ｏ ， ｜ ｉ 蔓 ± Ｉ 坛５ 拖土
ｌ Ｉ Ｏ
拈土
１
． １ ． ７
母 ５
． ｏ 矗
７
３
． １ ０
． ２
ｌ ｌ ４ ｊ 糕 土
建 筑 与工 程
Ｃ ｈｉ ｎ ａ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏｌ ｏ ｇ ｙ Ｒ ｅ ｖｉ ｅ ｗ
●ｌ
冻结 法 施 工 井 壁 开 裂 的 原 因分 析 及 防治 措施
彭
（ 安 徽理 工大 学 安徽 淮南
贺
安徽 淮北 ２ ３ ５ ０ ０ ０ ）
２ ３ ２ ０ ０ １ ； 淮北 矿 业集 团 孙瞳 煤矿
［ 摘 要］ 近年来， 国内有不少井筒通过膨胀粘土层所采取的对策不合适 ， 致使井筒在该段出现不同程度的破坏 。 该篇文章首先分析了导致孙瞳矿北风井井 壁破裂的主要因素， 并在此基础之上， 提出了切合实际的防破措施。 ［ 关键 词］ 立井， 冻 结法 ， 井 壁开 裂 。 粘 土 中图分类 号 ： Ｔ Ｄ ２ ６ ５ ． ３ 文献标 识码 ： Ａ 文 章编号 ： １ ０ ０ ９ — ９ １ ４ Ｘ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ １ ４ １ — ０ １
２ ． ２ 井筒 旗工方 面
井筒掘进 到 １ ３ ０ ｍ时 ， 仅 冻结 １ ０ ０ 天， 同 时 由于辅 助孔 的影 响 ， 局部 井帮 温度
（ １ ） 缩短掘进段高。 下部粘土层段高改为２ ｍ， 同时保证井帮暴露时间不大
于１ ８ ｈ 。
过低 ， 致使井帮四周粘土层冻结壁蠕变变形能力不一致， 使得外壁所受荷载不 均匀 ， 造成 井壁 容易 破坏 。
立井井壁破裂原因分析及其预防和加固措施
壁破裂原 因是由于施工质量 ，导致混凝土井壁的
实际强度低于设计值 ，井壁没有足够的强度抵御 水平地压 ， 最终导致井壁破裂。 设计不合理造成井壁强度先天不足 ， 实际工作
应 力增加 ， 使井壁周围地层固结而下沉 。由于底部 含水层疏排水使地下水位下降 （ 包括地表用水和开
１ 立井井壁破 裂 的原 因分析
施工质量问题 ， 持此观点的人认为 ， 井壁不管
在设计基础、 还是受力方式上都是正确的 ， 导致井
凿矿井所造成的 ） ，井壁与周围土体的界面作用 ， 在井壁外侧面产生了一个 向下 的摩擦力 ，导致井 壁破坏 ； 季节冷热温度的变化和冻结井壁的冻融引
山西煤炭 ＳＨ ＸＩ ＯＡ ＡＮ Ｃ Ｌ
第３ 卷 ０
第３ 期
文章编 号 ：６２ ５５ （０００ — ０ ０ ０ １７— ００２ １ ）３ ０６ — ３
立井井壁破裂原因分析及其预防和加固措施
王 兵
（ 山西省煤炭工业厅基本建设局 ， 山西 太原 ０ ００ ） ３ ０ ６
摘
要： 分析 了立 井井壁破 裂 的原 因 ， 出 了立 井井壁 破 裂 的主要 原 因在 于 竖 向 附加 应 力 ， 指 并
工， 现场条件恶劣 ， 环境温 度较低 ， 混凝土在这样
条件下得不到很好的养护 ， 养护龄期长 ， 强度增长
缓陧 ， 混凝土强度往往达不 到设计等级 。再者 ， 井
壁 由于受到冻 结压 力的影响 ，致使井壁 外表面 比
较粗糙 ， 整体性差 ， 出现蜂窝麻面现象。从破坏 会
冻结法凿井井壁破裂原因及支护对策
由于冻结法施工工序复杂，加之地层的不确定 性，很多井筒在施工时外层井壁容易出现破裂等现 象。针对该矿副立井井筒井壁发生的破裂等情况， 分析了其主要原因。
（ 1） 从地层情况来看，破坏段井壁地层为粉砂 岩、砂 质 泥 岩 和 泥 岩，岩 层 膨 胀 率 为 2. 95% ～ 7. 85% 。这些岩层膨胀性大、膨胀速度快，井筒开挖 后冻结压力迅速增加，而混凝土早期强度增加慢，这 就使外层井壁的强度与冻结压力增长不相匹配，造 成井壁的破坏。
井筒所穿过的含水层自上而下依次划分为第四
收稿日期： 2012 － 06 － 26 作者简介： 李书勇（ 1973—） ，男，河北石家庄人，工程师，1997 年毕 业于太原理工大学，现从事煤矿技术管理工作。
系孔隙潜水含水层、第三系孔隙承压含水层以及白 垩系风化岩层孔隙、裂隙承压含水岩层以及白垩系 煤系地层裂隙承压含水层。其中第四系孔隙潜水含 水层和第三系孔隙承压含水层属中等富水含水层， 其他含水层富水性弱。副立井和回风立井井筒松散 系地层涌水量为 13. 19 ～ 14. 61 m3 / h，风化岩层涌 水量为 9. 19 ～ 10. 11 m3 / h，基 岩 涌 水 量 为 2. 36 ～ 2. 62 m3 / h。
1 井筒地质条件
矿井副立井、回风立井穿过的地层自上而下依 次为第四系、第三系、白垩系下统巴彦花组。第四系 厚 23. 5 m，第三系厚 34. 0 m，白垩系下统巴彦花组 厚 152. 5 m。第四系地层主要由风积和冲湖积形成 的亚砂土、粉—细砂及亚黏土组成，第三系地层主要 由棕红色黏土岩及薄层细、中、粗砂岩组成，白垩系 地层上部主要由风化的砂砾岩、粉砂岩和泥岩组成， 下部由易软化的泥岩、粉砂岩和砂岩组成。第四系 和第三系地层属不稳定的冲积地层，白垩系地层属 不稳定的软弱类岩层，各类岩层抗压强度均小于 1 MPa。第三系地 层 中 的 亚 黏 土、黏 土 和 白 垩 系 风 化 地 层 中 的 泥 岩、粉 砂 岩 具 有 膨 胀 性，膨 胀 率 为 2. 95% ～ 7. 85% 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
冻结立井的破裂危险深度研究经 来 旺(安徽理工大学,安徽淮南 232001)摘 要:通过对立井井壁受力特点的分析,揭示了井壁破裂处的应力与温度变化、井筒深度有着密切的关系;在井筒的几何尺寸及温度变化值确定的情况下,冻结立井随着表土段深度的增加,破裂的可能性在随之增大。
在对危险层面上危险点处的主应力值同井筒深度尺寸(表土段)之间关系的研究以及校核井壁破裂的强度准则的应用基础上,描绘出了“应力-破裂深度关系曲线”,从而确定出冻结立井表土段的危险深度值。
关键词:立井;冻结;危险层面;破裂危险深度中图分类号:TD262 文献标识码:A 文章编号:0253-2336(2002)010-0043-04Study on dangerous cracking depth of mine freezing shaftJ IN G Lai 2wang(A nhui U niversity of Science and Technology ,Huai nan 232001,Chi na )Abstract :With an analysis on the stressed feature on mine shaft wall ,the paper found that the exchanges of the stress and temperatures at the cracking section of the mine shaft wall had a close relationshi p with the depth of the mine shaft.With the geometrical size and temperature exchange value of the mine shaft ,the possibility of the cracking on the mine freezing shaft would be increased with the depth of the overburden.With the study on the relationship between the main stress value and mine shaft de pth (in overburdern section )at the dangerous point over the danger layer and the application of strength code of mine shaft wall cracking ,the paper drawed a rela 2tionship curve of stress and crack de pth to determine the dangerous depth of theoverburdern in the mine freezing shaft.K ey w ords :mine shaft ;frezzing ;dangerous layer ;cracking dangerous depth 长期以来,我国很多采用冻结法施工的立井,其井壁的破裂均呈现出了一定的规律性,概括起来可分为2个阶段[1]:①井筒转入基岩施工,冻结壁融化阶段;②矿井建成投产以后的15～20年间。
对应于这2个不同的阶段,很多立井井筒在特定的位置均不同程度地出现了一定数量的裂缝,轻则停工停产,重则透水淹井,严重制约了我国深立井建设的进一步发展。
1 危险深度的确定因素分析 根据资料[2]可知,对于图1a 所示井壁破裂的第一阶段,危险层面位于A -A 层面处;破裂原因主要为冻结壁解冻后,立井井壁沿纵向及横向的热膨胀所带来的负向摩擦力。
而根据图1b 可知,在井壁破裂的第二阶段,危险层面在A -A 层～C ′-C ′层(C ′-C ′为稳定的地下水位);破裂原因主要为表土的沉降及立井井壁沿纵向及横向的热膨胀所带来的负向摩擦力。
对比之下,第二阶段中图1 井筒受力分析示意a —冻结壁融化阶段井壁受力分析图;b —地下水位将至C ′-C ′层面处时,井筒受力分析图;R 为基座对井筒的反作用力;Z A 为地面到A -A 层的距离;Z B 为地面到B -B 层的距离;G 为表土段井壁所受重力,G =(πD 2-πd 2)Hγc /4;f B 为B -B 层摩擦力;f C 为C -C 层摩擦力;A -A 层～C ′-C ′层的各点的应力值均要大于第一阶段中相应点的应力值。
从而可推知,所设计的井壁只要能够承受住第二阶段的外力作用,在第一阶段是根本不会发生破裂的;反之,第一阶段井壁34破裂后,如若不采取根本性的措施,第二阶段井壁还将有可能在A-A层～C′-C′层再次破裂。
因此,井壁设计时应着眼于第二阶段,且着眼于第二阶段的C′-C′层面;对于等截面井筒,只要C′-C′截面的承受力达到或超过了强度值,则整个井筒就不会发生破裂,因此C′-C′面位置的计算对井筒破裂的预测具有重要意义。
计算对象确定之后,即可根据C′-C′层面上的应力状态,结合强度准则绘制出“应力-危险深度关系曲线”(H-σ曲线),从而确定出冻结立井的危险深度值。
2 危险层面处的危险点的应力分析 根据文献[2],C′-C′层面处的危险点为该层处内井壁上的各点,且应力值可根据下列公式计算得来。
σr=0σθ=-Eαf1-u T a+Eαf(1-u)(b2-a2)(b2T b-a2T a)-2b2b2-a2γeλH+Eαf2(1-u)T aln ba+T bln abσz=-Eαf1-u T a+Eαf u(1-u)(b2-a2)(b2T b-a2T a)+Eαf u2(1-u)T aln ba+T bln ab-2b2ub2-a2γeλH- 2Dγeλk0H2D2-d2γc Hτrθ=0(1)式中 σr———径向应力,MPa;σθ———环向应力,MPa;σz———竖向应力,MPa;E———井壁的弹性模量,Pa;αf———立井井壁的材料膨胀系数;u———井壁材料的泊松比;T a、T b———井筒内外壁的温度,℃;γc———立井井壁的平均容重,N/m3;γe———表土的平均容重,N/m3;λ———表土的侧压系数,λ=tan2(45°-ω/2),ω为表土的内摩擦角;k0———表土与井壁间的摩擦因数,k0=tanφ0,φ0为表土与井壁之间的内摩擦角,不同表土的一般k0值见文献[4];τrθ———切向剪应力,MPa;H———表土段的井筒长度,m;a、b———内外壁半径,m;D———井筒外径,m;d———井筒内径,m。
将后面运算举例4中的具体数据代入式(1)即可算出不同H值时的σr,σθ,σz值,将所得应力值按从小到大的顺序排列,即可得到不同H值时的主应力σ1,σ3值如表1所示。
表1 危险点的主应力随H的变化情况H/mσ1/MPaσ3/MPa308163604010110105012102206013103070151264080171498090191732010022147801102514810120281741013032125601403519430150401054016044134203 强度准则的运用 由于混凝土井壁在很多情况下呈现剪切破坏的特性,故可按库仑-纳维尔准则校核[5]。
σ1[(f2+1)1/2-f]-σ3[(f2+1)1/2+f]=2C(2)44式中 σ1———最大主应力,MPa;σ3———最小主应力,MPa;f———摩擦因数,f=tanφ′=(σc-σt)÷(4σcσt)1/2,φ′为混凝土的内摩擦角;C———粘聚强度,MPa,C=[(σcσt)1/2]÷2,σc,σt分别为单向抗拉、抗压强度,MPa。
式(2)中一旦左边的数值达到右边的界限,井壁即发生破裂。
将表1中的数据代入式(2)的左端,即可得到σ1[(f2+1)1/2-f]-σ3[(f2+1)1/2+f]随H 的变化情况,见表2。
表2 σ1[(f2+1)1/2-f]-σ3[(f2+1)1/2+f]随H的变化情况H/mσ1[(f2+1)1/2-f]-σ3[(f2+1)1/2+f]/MPa30217340311950318060411270418280515390612410071101108105120910813010119140111361501216616014101 注:f=11423,根据式(2)中f的表达式计算而来。
4 运算举例 某立井,表土段采用冻结法施工,净直径等于7m,井壁厚度为700mm,井壁混凝土强度等级σc=35MPa,σt=315MPa;钢筋混凝土体积密度σc=2415kN/m3,弹性模量E=25148GPa,泊松比u=0118,热膨胀系数αf=10×10-6℃,静摩擦因数k0=013,γe=18620N/m3,侧压系数λ=01333,内井壁温度T a=25℃,外井壁温度T b=10℃,试计算危险深度值H。
首先,根据式C=[(σcσt)1/2]/2可计算出: C=5153MPa,2C=11106MPa,同表2中的数据比较即可发现,当H=137m时,σ1[(f2+1)1/2-f]∃σ3[(f2+1)1/2+f]=11106MPa=2C,从而可推知该立井表土段的破裂危险深度为137m。
图2 危险点应力-井筒深度(表土段)关系曲线 关于破裂危险深度的计算也可利用“σ-H关系曲线”来确定,如图2所示。
将本例中各参数的具体数值代入式(2)得σ1=-1479104H2-17545164H-61815×106(3)σ3=0 (4) 从而:σ=σ1[(f2+1)1/2-f]∃σ3[(f2+1)1/2+f] =467138H2-5544142H-21157×106(5) 根据式(5),即可绘制出图2中的曲线1,曲线1同σ=2C的交点的横坐标(H=137m)即为该算例井筒的危险深度。
5 结 语(1)对立井破裂危险深度的确定是在井筒的内外径、施工方案均以取定的情况下进行的,当井筒的横截面面积增大时,此破裂危险深度值会随之增大;因此,该破裂危险深度是相对的。
同时也表明了,积极有效的防破裂措施的采用会增强井壁的抗破裂能力。
例如使用较高标号的混凝土会使得2C值有很大提高,而同时“应力-危险深度关系曲线”的形状及位置几乎不变,故而破裂危险深度值会相应大幅增加。
(2)图2中还绘制出了曲线2(d=7m,D=549m,H=160m)从这2条曲线中可看出,随着井筒截面积的提高,井筒的危险深度在大幅的增大。
另从经济成本及减轻井筒重量的角度考虑,可采用从上至下变截面井筒的设计方案。