深冻结井内层可缩性井壁接头设计研究★

薛大伟，张瀚文，程龙艺，张 伟，李广平

(1.安徽皖北煤电集团钱营孜煤矿,安徽 宿州 234000; 2.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

1 概述

立井井筒作为煤矿工程的“咽喉”连接着地面工业广场和地下采场工作面,具有提运煤炭、运送人员和通风等功能,井筒安全性是煤炭高效开采和工作人员生命安全的重要保障。然而,我国徐淮矿区井筒相继因过大竖向附加力发生破裂,这是由于含水层水位下降以及冻结壁融沉,使得土体有效应力不断变大,最终引起土体固结沉降。由于煤矿井筒刚度较大,无法产生过大竖向变形,使得井筒与土体之间产生相互作用形成负摩阻力,即竖向附加力。随着竖向附加力不断增大,当竖向附加力超过井筒极限承载力时,井筒出现破裂[1]。由于过去我国未将竖向附加力考虑到井筒结构设计中,使得井筒破裂事故频繁发生。同时,随着浅层煤炭资源枯竭,新建矿井多在深部煤层,面对地质条件十分复杂的深厚表土层,多采用冻结法凿井施工。为提高井筒安全性,迫切需要针对竖向附加力问题给出一种解决方法。

目前,张浩[2]对淮南丁集煤矿冻结井进行分析,如考虑土体竖向附加力作用,井筒混凝土等级取C70时,井筒厚度将达到3 m,这大大增加了施工成本;蔡海兵等[3]针对煤矿井筒因过大竖向附加力发生破裂这一问题,研发出一种设置于立井井筒的可压缩接头;杨道召等[4]采用有限元软件分析接头力学性能,并在接头设置位移传感器监测其压缩量,给出了接头压缩量随时间变化曲线;刘树彪等[5]以丁集煤矿为例,采用ANSYS软件进行分析,研究了可缩性井壁接头数量和设计位置的最优方案;荣传新等[6]采用试验和数值模拟相结合的方法研究可缩性接头,研究表明:接头在竖向附加力作用下可压缩性和抗侧压性优异,且变形前后均未出现渗漏现象;舒恩等[7]以杨村煤矿风井三立板可缩性井壁接头为例,采用ANSYS软件中优化设计程序将接头外立板厚度减小10 mm。

综上所述,为预防井筒因竖向附加力过大而发生破裂有两种解决方法:1)采用“抗”的方法,即提高混凝土强度或井筒厚度来抵抗竖向附加力,但这种方法不仅技术上难以实现,而且大大增加了经济成本;2)采用“让”的方法,即在井筒中设置可缩性井壁接头,当竖向附加力过大时,接头发生压缩变形,使井筒与地层同步下沉起到衰减竖向附加力的作用[8]。故选择合适的材料及接头形式,做好可缩性井壁接头尺寸设计等相关工作,便可有效防治井筒因竖向附加力过大而发生破坏。

2 可缩性井壁接头的接头设计

为防治井筒破裂,起到衰减竖向附加力作用,可缩性井壁接头应具有以下两个特点:在建井初期,井筒承受竖向附加力不大,井筒的自重及装备重量是井筒主要受载,可缩性井壁接头在此阶段不产生竖向变形,随着井筒周围土体不断沉降,竖向附加力不断增大,在达到井筒极限承载力之前,可缩性井壁接头产生压缩变形,使井筒与土体同步下沉,衰减竖向附加力;可缩性井壁接头在受压变形前后接头不可发生漏水现象。

2.1 设计要求

1)强度要求。可缩性井壁接头极限承载力应大于上部井筒及井筒装备的重量,小于井筒的极限承载力,能够在井筒破坏前先产生压缩变形,衰减竖向附加力,预防井筒出现破裂;同时,可缩性井壁接头侧向能够承受住井筒周围土体的侧向压力。

2)压缩量要求。为满足井筒结构设计需要,可缩性井壁接头累积可压缩量与井筒可压缩量之和高于土体沉降量,则可在同一个井筒中设置一道或者多道可缩性井壁接头。

3)防水防腐要求。可缩性井壁接头自投入使用至发生压缩破坏不出现漏水、渗水现象;此外,接头暴露在外部分必须做防腐防锈处理,避免锈蚀。

4)其他要求。可缩性井壁接头应具有构造简单、加工便捷的特性,另外,接头材料容易获得、高性价比也在考虑范围内。

2.2 结构形式

为满足可缩性井壁接头竖向可“让”,横向可“抗”的要求,本文以钱营孜煤矿新副井累深229 m处双立板可缩性井壁接头为例进行研究,该接头采用Q235-B钢材,钢板之间通过焊接连接在一起,其断面如图1所示。

由图1,图2可知,该可缩性井壁接头下部钢垫板为齿轮状,并在钢垫板内缘上设置有混凝土振捣孔,用于振捣接头下部混凝土,上、下法兰盘之间是两圈环状立板,用于承受竖向载荷,内、外立板上均开设一个沥青注入口,通过沥青注入管注入沥青,可在接头受竖向力压缩变形后起到一定防水作用,外弧板焊接于上、下法兰盘之间,用于承受侧向荷载,在上法兰盘外表面和下部钢垫板下表面均设置一个防水钢圈,用于阻隔地下水,防止井筒与可缩性井壁接头交界处出现渗水现象。

2.3 参数设计

可缩性井壁接头几何尺寸应根据井筒厚度、混凝土强度、质量以及直径等因素综合确定。同时,可缩性井壁接头竖向承载力需介于井壁自重和井壁极限承载力之间,使井壁受到竖向附加力时可缩性井壁接头先产生压缩变形[9-10]。由于内、外立板不仅承受竖向载荷,还需要满足压缩变形要求,因此以立板的厚度设计为重点。

累深229 m处井筒内壁混凝土强度等级为C55,厚度为0.6 m,井筒净半径3.25 m。在可缩性井壁接头中,初选外、内圈立板的中心半径分别为3.615 m,3.36 m,尺寸设计结果由以下公式得出。

井壁临界承载力设计值为:

(1)

其中，σ0为该层位混凝土强度;α0为折减系数,取0.7;R0为井壁外半径;r0为井壁内半径。

由式(2)选取各立板厚度如下:

(2)

其中，δ1，δ2分别为内、外立板厚度;r1，r2分别为内、外立板中心半径;σs为材料屈服强度;β0为材料变异系数，取1。

可缩性井壁接头的实际临界承载力为:

Pcr=2πβ0σs(δ1×r1+δ2×r2)

(3)

对于累深229 m处井筒内壁的自重和装备重量:

(4)

其中，γ为混凝土容重,取2.45 kN/m3;ξ为恒载分项系数,取1.2；h0为层位厚度。

对于累深229 m处井筒内壁混凝土的极限承载能力:

Pzmax=2P

(5)

假设载荷均匀分布在可缩性井壁接头的上法兰盘,则临界应力值为:

(6)

其中，R，r分别为可缩性井壁接头内、外缘中心半径。

由上述公式计算可得钱营孜矿新副井可缩性井壁接头选取内、外立板厚度均为0.03 m,可缩性井壁接头竖向临界应力值25.10 MPa。

在钱营孜煤矿新副井中共设置竖向双立板可缩性井壁接头1个,依据施工现场提调能力及新副井井筒直径,将可缩性井壁接头分为8节依次安放至指定层位,采用焊接的方式在井下将它们连接在一起,接头设计参数汇总见表1。

表1 接头设计参数

3 可缩性井壁接头的数值模拟

3.1 有限元分析模型

对钱营孜煤矿新副井可缩性井壁接头的竖向承载力和侧向承载力采用ANSYS软件进行分析。该数值模拟属于轴对称问题,Q235-B材料的本构关系选取弹塑性理想模型,单元类型采用4节点Plane42二维实体单元,接头材料弹性模量取210 GPa,泊松比取0.3,屈服应力取220 MPa,屈服模量取0。根据2.3节中设置在钱营孜煤矿新副井累深229 m处双立板可缩性井壁接头尺寸参数建立有限元模型,利用分割方法画出规整的网格,网格数量为580,如图3所示。

3.2 可缩性井壁接头竖向承载力

进行可缩性井壁接头竖向承载力分析时,对接头下边界施加约束,使其不产生任何位移和转角,在外弧板上施加2.0 MPa恒定侧向压力,然后在上边界不断施加载荷直至可缩性井壁接头发生屈服为止,此时施加载荷值即是接头的临界承载力。

由于实际工程需要双立板可缩性井壁接头的竖向承载力满足强度要求,采用ANSYS软件对接头竖向承载力进行模拟,模拟结果如图4～图6所示。

由图4～图6可知,上边界竖向载荷在22 MPa之前,接头的最大等效应力随竖向载荷增加呈直线变化,处于弹性阶段;当上边界竖向载荷超过22 MPa后,曲线斜率开始变小,接头的最大等效应力增大速率随载荷增加有所减缓,处于屈服阶段;上边界载荷增加至26.5 MPa时,接头最大等效应力达到所设屈服应力(220 MPa),接头发生屈服,其竖向承载力为26.5 MPa,这与理论计算式(6)仅相差5.58%。

3.3 可缩性井壁接头侧向承载力分析

进行可缩性井壁接头侧向承载力分析时,将接头的上、下边界约束,使其不发生任何位移和转角,然后在外弧板上不断施加载荷直至接头发生屈服为止。

由于实际工程需要双立板可缩性井壁接头的侧向承载力满足强度要求,采用ANSYS软件对接头侧向承载力进行模拟,模拟结果如图7～图9所示。

由图7～图9可知,外弧板侧向载荷在25 MPa之前,接头的最大等效应力随侧向载荷增加呈直线变化,处于弹性阶段;外弧板侧向载荷超过25 MPa后,曲线斜率开始变小,接头最大等效应力增大速率随侧向载荷增加减慢,处于屈服阶段;当接头最大等效应力达到所设屈服应力(220 MPa)时,接头发生屈服,其侧向承载力为28.2 MPa。而钱营孜新副井可缩性井壁接头设置在累深229 m处,该层位最大侧向压力仅为2.0 MPa,因此接头满足侧向承载要求。

3.4 可缩性井壁接头稳定性分析

稳定性分析也就是屈曲分析现在已经成为设计分析的一个重要方面,由于可缩性井壁接头是薄壁圆筒状的,极有可能接头未达到极限承载力之前就已经失稳[11-12]。

利用ANSYS软件中屈曲分析模块,对钱营孜矿新副井可缩性井壁接头进行线性特征值屈曲分析,得到内、外立板屈曲模态图,如图10,图11所示。

由图10，图11可知,在可缩性井壁接头施加1 MPa竖向载荷,得到其一阶、二阶线性屈曲特征值分别是590.80，621.84。线性屈曲特征值与施加载荷之积为线性屈曲载荷,则该接头最小线性屈曲载荷为590.80 MPa。

4 结语

1)给出双立板可缩性井壁接头设计要求,详细介绍了接头的结构形式,对各个部件功能做出了阐述。

2)通过理论计算得到钱营孜煤矿新副井可缩性井壁接头设计参数如下:内、外立板厚30 mm,高400 mm,上、下法兰盘厚30 mm,弧板厚20 mm。

3)数值模拟分析结果得到接头最大等效应力随竖向载荷变化曲线,其竖向承载力为26.5 MPa,这与理论计算仅相差5.58%。获得接头最大等效应力随侧向载荷变化曲线,其侧向承载力28.2 MPa,远大于实际承受荷载,故满足可缩性井壁接头强度要求。

4)针对可缩性井壁接头稳定性开展屈曲分析,获得内、外立板屈曲模态图,以及相应屈曲特征值590.798，621.842,其最小线性屈曲载荷为590.80 MPa。