高压水荷载直接作用下煤矿井壁混凝土渗流演化规律和强度特性研究

In company with the thickness of water unsteady alluvium which new coal mine shaft lining pass through increasing, water pressure which shaft lining endures is becoming more and more large. The problem of concrete damage and percolation water stands out. Other than concrete in surficial air condition, the concrete of shaft lining is chronically under directly high hydraulic pressure load, then its infiltration mechanism and strength characteristic will be changed. This is a worthy scientific problems need to study. In this project, firstly, different shaft strength grade of concrete ratio are chosen to make specimens, and different high pressure water saturated condition shaft lining concrete are used to take uniaxial compression test. At the same time, through the sound wave inspection and scanning electron microscope analysis, the damage evolution process of shaft lining concrete is analyzed under directly high pressure water load. Then, the permeability of shaft lining concrete under directly high pressure water load is studied according to the specimen and the shaft model test. Finally, three axis strength characteristics test of the concrete under directly high pressure water load is carried out. Through the above research, it shows that seepage characteristics evolution of shaft lining concrete under directly high pressure water load is unveiled, the seepage analysis model of the concrete under directly high pressure water load is put forward, and the concrete strength criterion under directly high pressure water load is summarized, which provides reasonable design and safe use for the deep alluvial soil coal mine shaft.

随着煤矿新建井筒穿过含水不稳定冲积层厚度增加，井壁承受的水压力越来越大，混凝土损伤和渗漏水问题愈加突出。与地面空气环境中的混凝土不同，井壁混凝土长期处于高压水荷载直接作用下，其渗流机理和强度特性将发生变化，这是一个值得研究的科学问题。本项目首先将选取不同强度等级井壁混凝土配比浇筑试件，对不同高压水饱和条件下井壁混凝土进行单轴抗压试验，同时通过声波检测和扫描电镜分析，对高压水荷载直接作用下井壁混凝土损伤演化过程进行分析；然后，通过试件和井壁模型试验，对高压水荷载直接作用下井壁混凝土渗流演化规律进行研究；最后，对高压水荷载直接作用下井壁混凝土的三轴强度特性进行试验研究和理论分析。通过以上研究，将揭示高压水荷载直接作用下井壁混凝土渗流演化规律，提出高压水荷载直接作用下井壁混凝土渗流分析模型，得到高压水荷载直接作用下井壁混凝土真实强度特性，为深厚冲积层中煤矿井壁的合理设计和安全使用提供科学依据。

针对深厚冲积层地下水直接作用在煤矿井壁上的问题，分别对水压作用下的井壁混凝土单轴强度、三轴强度以及对混凝土井壁结构的极限承载力开展了研究，并由理论分析获得了井壁临界突水水压值，更将研究成果在工程现场进行了应用，获得了有益效果。首先配制出了高强高抗渗井壁混凝土，在此基础上开展了各类试验。其中，水压作用下井壁混凝土单轴强度研究发现，随着水压力增大、作用时间增长，混凝土强度下降趋势更加明显，以剪压破坏为主。混凝土三轴强度研究分两种情况开展，一是围压为正常试验过程中的水压，竖向施加渗透水压，此时发现围压不变，随着渗透压增大，井壁混凝土初始渗透率呈增加趋势，峰值后渗透率演化呈现2种类型，峰值强度不同程度减弱；相同渗透压作用下，随着围压增大井壁混凝土三轴峰值强度增加，渗透压随着围压的增加对峰值强度的影响逐渐减弱。二是用水压代替正常试验中的油压且试件直接作用在水压下，此时发现Bresler 三参数正八面体强度破坏准则更能准确反映井壁混凝土峰值强度与水围压的非线性关系，随着水围压的增加井壁混凝土峰值强度具有明显的增强效应，随着混凝土强度等级提高水围压敏感性降低。通过设计相似模型试验研究水压作用对井壁结构竖向和侧向承载力的影响，发现承载力受水压直接作用呈降低趋势，随着井壁混凝土强度提高，这个不利影响逐渐减弱，结合极限平衡理论建立了相应条件下井壁结构承载力计算公式。理论计算发现当井壁混凝土强度(fc)40MPa时，井壁承受的地下水压增幅很小，临界突水水压仅为5.88MPa；fc=60MPa时，井壁承受的地下水压明显增大，临界突水水压为15.45MPa；fc=70MPa时，随着损伤半径增加井壁承受的地下水压增幅速率最快，临界突水水压为21.70MPa，说明采用高强混凝土不仅满足承载力要求，而且对抵抗高压地下水作用效果显著。上述研究成果为深厚冲积层中煤矿井壁的合理设计和安全使用提供了科学依据。