施工與運營初期厚表土立井井壁受力實測研究

溫德華

(上海大屯能源股份有限公司，江蘇沛縣 221000)

1 前言

自1987年以來，我國已有110多個井筒在表土段或基巖風化段發生了井壁破裂災害，主要集中在徐州、大屯、兗州、淮北、永夏等礦區［1，2］，對煤礦生產和安全構成了巨大的威脅。根據破裂井壁的狀況，通過近20年的研究得出結論:井筒周圍土層下沉過程對井筒外表面產生較大的豎直附加力，這一附加力是發生破裂災害的主要原因［3～6］。井筒是煤礦安全順利生產的咽喉部位，也是整個煤礦安全保障系統的重要組成部分，掌握其在建設和生產運營期間的安全穩定狀況及井壁受力發展趨勢對于確保煤礦的正常安全生產有重要意義。分別在井筒內外井壁建立長時安全性監測系統，分析掌握井壁在垂深100～180 m范圍的受力變化規律和井壁外壁與周圍土體的相互作用力，預測預報井壁的安全度，為保證礦井井筒的安全具有重要意義。

2 監測方案

2．1 工程概況

孔莊混合井設計深度為1088 m，凈徑為8．1 m。井筒表土段及風化基巖段采用凍結法施工，基巖段采用普通鑿井法施工。凍結段包括表土和風化基巖共346 m，凍結表土段為187 m，井壁為雙層鋼筋混凝土支護。

2．2 傳感器選擇

井壁受力和變形監測選用的傳感器為埋入式混凝土應變傳感器，如圖1(a)所示，用于測量井壁混凝土的豎向應變。這種規格的傳感器使用壽命長、精度高(誤差在6 με以內)，同時可測量溫度(精度為0．5℃)，反映溫度應力對井壁受力的影響。測量井筒外壁和周圍土體土壓力選用振弦式二次感應土壓力傳感器，如圖1(b)所示，它具有二次密封性能，增加了受力面積，能消除不均勻受力影響，安裝方便，適用于長期測量土壓力變化，并可同步測量埋設點的溫度。分辨能力≤0．05% 滿量程、綜合誤差≤1．0%滿量程、工作溫度為－25～60℃、測溫精度為±0．5℃。

圖1 傳感器實物圖Fig．1 Stain and pressure sensors

2．3 傳感器的布置

根據孔莊礦混合井的實際地層條件和測試目的，并考慮埋設施工和測試的方便，設計在井筒垂深100、120、140 m和160 m 四個水平布設傳感器，各層位巖性情況見表1。傳感器具體位置如圖2所示，各水平上設4個測區。內外壁埋設豎向混凝土應變傳感器，外壁外邊緣埋設土壓力傳感器，實測井壁與周圍土體的相互作用及沿井深的變化規律。

表1 傳感器埋設層位巖性Table 1 Lithologic characters for different layers

圖2 井壁傳感器豎向位置示意圖Fig．2 The arrangement diagram of sensors

2．4 測試系統

測試系統由傳感器、控制電纜、傳輸信號電纜、測量單元、轉換儀和計算機組成。應變傳感器與土壓力傳感器用專用電纜引到井口，集成到測量單元再傳輸到計算機，由計算機數據采集系統自動進行采集和數據處理。測量單元和測試系統如圖3所示。

圖3 測量單元和測試系統示意圖Fig．3 Test modules and system

2．5 測試頻率

自2008年5月30日開始進行測試，測試頻率為每周2～3組數據。

3 測試數據及分析

3．1 內壁豎向應變變化分析

圖4為內壁第一層至第四層位豎向應變實測曲線。從圖4可以看出:

1)內壁中的豎向應變表現為應變積累，累計應變為400～900 με，其中第一層、第二層和第三層表現最為明顯，且4個方位的豎向傳感器均顯示出相同的規律。可見，對于剛建成的井壁，凍結壁剛開始融化，豎向應變隨時間積累，已經受到了附加力的作用。

2)第一層、第二層和第三層豎向應變進入2010年3月份以來，應變速率增長具有明顯加快的趨勢。此時凍結壁已經基本融化，地層固結沉降過程加速，從而造成豎向應變積累加快。

3)第四層應變速率呈現出一定的差異性，東側和北側應變增長速率達到230～260 με/a，而西側和南側增長速率僅為0～20 με/a，這與埋設層位的地層條件相關。該層處于基巖風化帶，由于在井筒表土段與基巖段附近具有井壁應力集中效應，不同方位的豎向應變變化規律也不完全相同。

圖4 內壁四層不同方位豎向應變Fig．4 Vertical strain of the interior shaft wall in different positions

3．2 外壁豎向應變變化分析

圖5為外壁第一層位至第四層位豎向應變實測曲線。從圖5可以看出:

1)外壁豎向應變為應變積累過程，這與內壁豎向應變的演變規律一致。應變增長速率達到100～300 με/a，井筒剛剛建成，井壁即受到附加力的作用，其應變隨時間而逐步積累。

2)應變速率的增長和內壁豎向應變增長速率基本相當，但波動較大。這是由于外壁直接和周圍土層接觸，應變增長速率在不同層位和不同方位的差異性較大。

3)凍結融化期間，周圍土層溶化后，外層井壁豎向應變的積累速率即呈現出加速趨勢，整體上亦可劃分為兩個階段。

3．3 內外壁豎向應變協調分析

將內外層井壁實測豎向應變綜合分析，如圖6所示。從圖6可以看出:

1)孔莊煤礦混合井內外層井壁豎向應變的變化趨勢基本相同，但由于采用了泡沫塑料板雙層鋼筋混凝土復合井壁結構，因此內外壁的豎向應變量值不完全相同。

2)凍結壁未完全融化階段:外壁的豎向應變累計量略微大于內壁，如第四層和第三層，而第一層的兩者基本一致。第一層和第三層處于細砂層中，第四層則處于風化基巖中，兩種材料凍結強度大，且和井壁之間凍結后的粘結強度大，地層分擔一部分載荷，因此該層位外壁的豎向荷載傳遞給內壁較少。第二層內壁略大于外壁，此土層為粘土層，凍結的強度小于砂土和風化基巖，因此外壁承擔的載荷相對較大，傳遞給內壁的載荷也相對較大。

3)凍結基本融化后階段:外壁載荷主要受井壁和土層之間的界面摩擦性能的影響，故外壁豎向應變的增長速率主要隨土層性質的差異而變化。摩擦系數:風化基巖＞粘土層＞飽和細砂層，因此第四層風化基巖段外壁豎向應變增長速率最快，其次是第二層粘土層，最小的是第一層和第三層細砂層。相對于內壁而言，由于外層井壁采用短段掘砌施工工藝，井壁不可避免產生裂縫，不再處于彈性狀態，混凝土井壁應力將產生應力重分布，導致一些部位的豎向應力降低，出現內壁豎向應變大于外壁的情形。

圖5 外壁四層不同方位豎向應變Fig．5 Vertical strain of the exterior shaft wall in different positions

圖6 內外壁豎向應變比較Fig．6 The comparison of vertical strains between interior and exterior shaft wall

4 結語

1)孔莊煤礦混合井井壁豎向應變(內壁和外壁)均表現出應變積累過程，應變增長速率達到150～300 με/a，說明井筒剛剛建成，井壁即受到附加力的作用，其應變隨時間而逐步積累;凍結壁基本融化后，地層固結沉降過程加速，內外層井壁豎向應變的積累速率均呈現出加速趨勢。

2)孔莊煤礦混合井第四層豎向應變速率呈現出一定的差異性，這和埋設層位的地層條件相關，第四層處于基巖風化帶。由于在井筒表土與基巖段附近具有井壁應力集中效應，因此不同方位的豎向應變變化規律也不完全相同。

3)孔莊煤礦混合井內外層井壁豎向應變的變化趨勢基本相同，量值不完全相同。凍結壁未完全融化階段，差異主要由監測層位巖層材料的凍結特性決定;凍結壁基本融化后，井壁和土層之間的界面摩擦性能起主導作用;由于外層井壁采用短段掘砌施工工藝，井壁不可避免產生裂縫，不再處于彈性狀態，混凝土井壁應力將產生應力重分布，導致一些部位的豎向應力降低，出現內壁豎向應變大于外壁的情形。

4)依據目前監測數據，孔莊煤礦混合井井壁是安全的，但是鑒于凍結壁基本融化后應變的增長速率明顯加快，同時不同方位的速率差異較大，建議繼續加強觀測。

［1］梁恒昌，周國慶，趙光思，等．井壁破裂過程的應變實測特征分析［J］．煤炭學報，2010，35(2):198－202．

［2］王書磊，胡 斌，安新豪．深厚表土凍結法鑿井井壁安全監測技術［J］．煤炭技術，2008，27(5):100－104．

［3］蔡海兵，程 樺，姚直書，等．深厚表土層凍結外層井壁受力狀況的監測及分析［J］．煤炭科技，2009，37(2):37－41．

［4］張黎明，王在泉，盧則陽，等．基于井壁監測信息的豎向附加力反演及井壁破壞分析［J］．煤炭學報，2009，34(5):619 －623．

［5］高 杰，王在泉，程金遙，等．水位下降誘發深厚表土井壁的附加應力研究［J］．地下空間與工程學報，2009，5(5):873－878．

［6］周 揚，周國慶．塑料板夾層雙層井壁的軸對稱變形分析［J］．煤炭學報，2010，35(9):1470－1475．