厚表土立井井壁应力状态及其演变规律研究

我国厚表土层中已有100多个井筒发生破裂，经济损失达数十亿元，灾害仍在继续蔓延；未来10年我国东部拟新建约100个矿井，多数需穿越400～700m厚表土层。现有井壁破裂研究成果尚无法有效预测发生破裂的具体时间和位置，进而无法为灾害的预测、预警与防治提供可靠的理论基础和有力的技术支持。课题以处于生产期间的井筒破裂和治理工程为背景，基于双剪统一强度理论，研究井壁混凝土的塑性极限荷载线；采用理论分析、室内试验和数值模拟的综合方法，研究并建立井壁既有应力的原位测试新方法；根据长达10年的井壁受力实测数据，运用R/S分析法研究井壁受力的长时演变规律。在此基础上，综合研究井壁破裂灾害的稳定预测方法。课题成果对完善井壁与围土相互作用机理及竖直附加力理论有重要理论与学术意义，对新建矿井井壁设计与施工，现有井筒破裂及再破裂时间、部位的预测预报有重要实际意义。

项目以厚表土立井井筒受力响应及井壁破裂灾害预测预警问题为背景，针对井壁当前受力状态、既有强度特征和井筒受力演变规律，开展了大量室内试验、数值模拟及理论分析工作。基于双剪统一强度理论考虑混凝土材料拉压异性特性和中主应力影响，建立了井壁塑性极限荷载状态线。采用无量纲形式分析了井壁塑性极限荷载与混凝土拉压异性特性之间的关系。获得了井壁塑性极限荷载与井筒几何特性之间的关系。随着井壁厚度的增大，其塑性极限荷载非线性增大。这一规律对分析、判断、预报井壁是否达到塑性极限有重要意义。分析了井壁的塑性极限荷载与中间主剪应力之间的关系，获得了分析井壁塑性极限荷载时参数b的合理取值范围。当0.6≤b≤1.0时，在本课题给定的条件下，对井壁塑性极限荷载基本没有影响。建立了双孔部分应力解除法原位测试井壁当前应力状态的新方法。确定了衰减率57%作为双孔部分应力解除法测试井壁混凝土既有应力大小的计算标准。进行了大量不同应力状态条件下混凝土回弹试验，建立了更加符合井筒工况的专用测强曲线，为现场实测井壁既有强度特征奠定基础。研究表明，混凝土处于不同应力状态时，回弹测试结果不同。其中C10等级的混凝土回弹值在不同应力状态下的测试结果最大相差达20%左右，而C50混凝土回弹值相差9%左右。基于井壁塑性极限荷载表达式，建立了适用于厚表土层中立井井壁可靠度分析的功能函数，应用数据表法计算分析了大屯矿区某矿立井井壁的可靠度指标β。功能函数中系数b和α对井壁可靠度影响较大，当b值取1时更能反映井壁实际可靠度。采用FLAC 3D 对地层扰动条件下井壁受力响应规律进行了数值模拟分析。采用R/S分析法对井壁附加应变长时演变规律进行研究，结果表明H指数的变化规律对预警井壁破裂具有较明显的中、短期前兆意义。.课题研究深化了对厚表土井筒受力状态、强度特征及其演变规律的认识，为井筒的设计、施工、质量控制以及工程灾害的预测预警提供了借鉴与指导，具有重要的理论意义和工程应用价值。