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1井筒破裂機理與荷載計算方法

井筒的破裂是由于其承受的豎向荷載超過其材料的承載能力所致。井筒所受的豎向荷載中，一方面包括重力，即井壁自重、作用于井壁上的井塔重量、井壁上的裝備重量等，另一方面包括豎向附加力，即井壁與周圍土體之間、方向與自重一致的負摩擦力。中國礦業大學等單位通過大量模擬試驗表明：特殊地層含水層疏水，水位下降引起含水土層的有效應力增大，使土體產生固結壓縮，引起上覆表土下沉，由于井壁與周圍土體之間存在摩擦作用，土體在下沉過程中必然施加于井壁外表面一豎直向下的附加力，隨著水位的下降該附加力不斷增加，當該附加力增加到一定值時，即鋼筋混凝土井壁不能承受巨大的豎直附加力與自重之和時發生破壞。井筒的破裂形態可以從井壁鋼筋的受力情況得到驗證。大屯礦區龍東礦東風井井筒處松散層厚195.6m，在井深194.8m處的井壁鋼筋應力實測值?？梢?，井壁的環向鋼筋應力變化率很小，表明外部徑向擠壓力是持續穩定的；而豎向鋼筋則以51.6～57.0MPa／a的平均增長率逐年快速遞增，井筒的破裂緣于井壁豎向應力的增大。

2關于井壁豎向附加力的討論

以前在設計井壁時認為表土段井壁的自重荷載的3／4由井筒周圍的土體分擔，而在基巖段則基本不考慮自重荷載。實際上，在特殊地層條件下井壁不但要承受自重（含裝備重量），還要承受由于含水層疏排水而產生的豎直附加力。分析表2數據可知以下方面。

1）同一煤礦中不同立井（如主井、副井、風井等）的單位外表面積豎向附加力標準值Pf，k較為接近，而不同煤礦的附加力標準值Pf，k相差較大。如蘆嶺煤礦的Pf，k值在22～24kPa之間，而海孜煤礦的Pf，k值在51～61kPa之間。

2）童亭煤礦的主井與副井、前嶺煤礦北風井、臨渙煤礦西風井均為預制鋼筋混凝土結構，它們的附加力標準值Pf，k分別為36.0kPa、27.03kPa、20.83kPa、39.63kPa，數值總體上偏小，說明預制混凝土結構與土體的接觸不夠緊密，土體施加給井壁的豎向附加力較小。

3）16個破裂立井的附加力Pf，k的均值為45.66kPa，若把上述四個預制混凝土立井剔除后，剩下12個破裂立井的附加力Pf，k的均值為51.1kPa。中國礦業大學根據試驗提出安徽省宿縣礦區祁南礦井副井井筒井壁外緣單位面積的附加力值為50kPa；煤炭總院北京建井所提出其設計標準值，淮北礦區為61.5kPa，大屯、徐州礦區為56.4kPa，其他礦區為62.1kPa。本文所求的附加力Pf，k均值51.1kPa與這些建議值較接近。一般地，由于預制立井的穩定性、安全性、耐久性與現澆混凝土相比有諸多劣勢，且其厚度受到限制，已在立井設計中較少使用。故上述分析中把預制混凝土立井剔除后更為合理。

4）孔莊煤礦副井的破裂深度為142～145m，該深度在所列案例中屬較淺，但反演得到其單位外表面積豎向附加力標準值Pf，k為67.5kPa，為所列案例中的最大值?？梢姼郊恿f，k的大小并不取決于立井的深度，而與地質條件有關。事實上，豎向附加力Pf，k的大小與地層的地質和水文地質條件、地層是否疏水以及疏水的速率、井壁結構等多種因素有關。大量研究表明：①豎向附加力與疏排水層的壓縮模量成反比，與疏排水層的水壓降成正比；豎向附加力是隨著含水層線性降壓而線性增加的，當停止疏排水后，豎向附加力也很快趨于穩定。②豎向附加力隨深度呈非線性的遞增關系，越靠近疏排水層與上覆土層的交界面，附加力的值越大，在表土與基巖交界面處達最大值。③豎向附加力與疏排水層的厚度成正變關系，疏排水層越厚，豎向附加力越大。④附加力的大小與土層性質有關。一般而言，在其他條件相同時，砂、黏土質砂、砂質黏土、黏土四種土層的附加力相比，砂的附加力大，黏土質砂的附加力次之，黏土的附加力最小。可見，影響豎向附加力大小的因素眾多，僅依照地質資料要準確確定某一礦井的豎向附加力取值是非常困難的，故相關規范中也未對該值做過多地規定與闡述。豎向附加力一般按試驗數據或經驗選取。鑒于試驗過程的復雜性、高代價與工況局限性，參照經驗選取豎向附加力Pf，k是通用做法。本文依據已破裂立井資料，反演得到了各立井豎向附加力Pf，k的取值。

3結論

1）井壁單位外表面積豎向附加力是井筒設計中的重要參數，但規范中尚未給出明確地數值大小，僅注明了可根據具體條件按試驗數據或經驗選取。本文基于大量已破裂立井案例，通過具體參數反演推算得到附加力的有效均值為51.1kPa，為新井井壁的設計提供參數依據。

2）同一煤礦中不同立井的附加力值較為接近，不同煤礦的附加力值相差較大。預制混凝土結構與土體的接觸不夠緊密，故預制井壁的豎向附加力值較小。附加力的大小并不取決于立井的深度，而與地質條件有關。

3）影響豎向附加力大小的因素眾多，僅依照地質資料要準確確定某一礦井的豎向附加力取值是非常困難的。若新建礦井的地質條件與本文反演計算中的礦井類似或相近，則其豎向附加力可選相近礦井的相應值做參考。（本文來自于《中國礦業》雜志。《中國礦業》雜志簡介詳見.）

作者：劉金龍陳陸望王吉利單位：合肥學院建筑工程系合肥工業大學資源與環境工程學院中國科學院武漢巖土力學研究所