井筒采动损坏评价方法

易四海

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

井筒采动损坏评价方法

易四海

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

目前国内外对井筒的采动损坏缺乏定量的评价方法，井筒的采动设计与保护容易产生安全隐患。为此，通过总结井筒采动变形、破坏的形式和特点，并根据井壁破坏与围岩变形的关系，主要针对混凝土、钢筋混凝土井壁，建立了科学可行的井筒采动损坏评价方法和指标：以井壁与围岩的竖向变形关系为主要评价指标，分别建立了表土、基岩段井壁竖向压缩(拉伸)变形破坏的计算公式。通过井筒采动损坏实例分析，印证了该评价方法和指标的可靠性。研究成果解决了井筒采动损坏的安全性评价问题，为井筒煤柱开采的安全设计提供了可靠的技术保障。

井筒 采动损坏 安全 评价方法 指标

矿井井筒是联系地面和地下巷道的生产中枢系统，其安全性历来都是矿井安全生产保护的重中之重。但由于目前国内外对井筒的采动损坏规律研究不足，尚无明确的采动损坏评价标准，尤其是缺乏井筒采动损坏的定量评价指标，在进行井筒采动损坏鉴定或保护煤柱开采设计时多依赖现场经验，以定性分析或判断为主[1-4]，致使采动损坏鉴定过于片面主观，保护煤柱开采设计也往往缺乏科学根据，这就给井筒保护带来了风险。

因此，有必要根据井壁破坏与覆岩变形的关系，建立井壁采动损坏的评价方法和指标，以解决井筒采动损坏的安全性评价问题，为井筒煤柱开采的安全设计提供可靠的技术保障。

1 覆岩移动变形对井筒的影响

地下开采引起的覆岩移动和变形，对构筑于覆岩内部的井筒将产生影响，这种影响一般是通过围岩与井壁之间的紧密接触相互作用产生的。现场实践表明，采动引起的岩层移动可使岩体内的井筒井壁遭受竖向压缩(拉伸)变形和破坏、偏斜变形、水平断面变形和破坏、错动破坏等采动损坏[1-2]。

大量井筒破坏实例表明，在这些井壁变形、破坏形式中，以竖向变形、破坏最为常见，这与井筒为竖向线性构筑物的特点有关。由于井筒竖向比较长，采动竖向附加力累积比较大，容易超过井壁的竖向承载力而致井壁破坏。因此，对井筒的安全评价应以井壁与覆岩的竖向变形关系为主要评价指标。

2 井壁破坏与覆岩变形的关系

井壁受开采影响的损害程度主要取决于井壁与覆岩的黏结性能、覆岩变形值的大小、覆岩组合的力学结构和井筒本身抵抗采动变形的能力等因素。由于井壁与表土、基岩的黏结性能差异较大，为此，将对表土、基岩段井壁破坏与覆岩变形关系分别论述。

2.1 基岩段井壁破坏与覆岩变形的关系

对于基岩内的井壁，由于井筒井壁的外表面是一凹凸不平的混凝土结构面，井壁与它周围的岩(土)层之间产生了良好的黏结能力，这种黏结力使得井壁和其周围的岩石良好地结合在一起。在采动影响作用下，岩(土)层产生的水平移动、沉降作用到岩体内的井壁，井壁与围岩协同变形[5]。

特别是井壁围岩硬度大致相当时，当围岩竖向变形达到井壁材料极限应变值时，即可判断井壁产生竖向压缩(或拉伸)破坏，即

(1)

式中，εw0为井壁材料处于极限抗压(拉)强度时的变形量，也叫极限压(拉)应变，m/mm；εs0为围岩的竖向极限变形，m/mm。

当井壁围岩软硬相间时，井壁容易在软岩处产生竖向压(或拉)应力集中，从而发生竖向压缩(或拉伸)破坏。此条件下，井壁产生竖向压缩破坏，围岩竖向极限变形应为井壁材料极限应变值处于一个集中系数，即

(2)

式中，k为软硬相间围岩在软岩层处的变形集中系数，其值根据软硬相间岩层硬度差异性及岩层厚度确定，可取1～10。

混凝土、钢筋混凝土井壁是目前应用最广泛的立井支护方法。对于混凝土井壁，混凝土的极限压(拉)应变与混凝土的标号有关[6-7]，其取值可参考《混凝土结构设计规程》中混凝土单轴受压(拉)应力-应变曲线的参数取值。对于钢筋混凝土井壁，由于混凝土会在钢筋屈服之前达到极限压(拉)应变，从而在井壁上出现裂缝，这对起封堵涌水作用的井筒来说就意味着破坏，因此，钢筋混凝土井壁对应的围岩竖向极限变形可参照混凝土井壁求得。

2.2 表土段井壁破坏与覆岩变形的关系

对于表土内的井壁，由于表土内岩(土)层力学强度低，抗剪能力弱，井壁与表土黏结性能比较差。在采动影响作用下，井壁与表土围岩会发生相对滑移，致使井壁外侧面产生竖向附加力。

采动影响条件下，表土段井壁要保持不受采动破坏，要求表土段井壁所受的竖向荷载应小于井壁结构的承载力[8]，即

(3)

式中，Qf为计算截面以上井壁所受竖向附加力，MN；Qt为计算截面以上井壁重力，它包括井壁自重力，井筒上的井塔以及井筒装备等重力，MN；R为计算截面以上井壁结构的竖向承载力，MN。

其中，井壁所受竖向附加力可用井壁围岩的平均竖向变形量来表示：

(4)

对于弹塑性井壁材料，井壁破坏的临界点为井壁抗压强度处于极限，用极限变形表示，则井壁极限状态下的承载力可表示为

(5)

将式(4)、式(5)代入式(3)，可求得井壁发生采动损坏时，围岩的平均竖向变形值为

(6)

(7)

式中，ρ为井壁材料与围岩体的变形模量之比。

对于混凝土井壁，普通混凝土的变形模量约为30GPa。文献[9]中根据岩体的坚硬程度和完整程度划分的岩体分级标准，将表土段岩体定级为Ⅳ级(软岩或岩体破碎)或者Ⅴ级(极软岩或岩体极破碎)岩体。参照各级岩体的变形模量，若表土段围岩为Ⅳ级岩体时，岩体变形模量为6～1.3MPa，则ρ值取5～23；若表土段围岩为Ⅴ级岩体时，岩体变形模量小于1.3MPa，则ρ值取值23以上。

3 井筒采动损坏实例分析

3.1 井筒概况及损坏实况

某矿为解决矿井通风安全，新建了1条进风井，井筒净直径6.0m，井深约730m，其中，表土段90m，采用双层钢筋混凝土支护，壁厚500m，混凝土强度等级为C30；基岩段640m，采用素混凝土支护，壁厚500m，混凝土强度等级为C30。进风井还用作副井，含提升系统及3趟管路。井壁围岩基岩段主要由泥岩、砂岩、砂质泥岩相间组成，表土段由黏土层、流沙组成。区域地质构造较简单，岩体整体较完整。

该井筒自建成投入运行后，发现进风井筒及装备存在多处变形破坏等安全隐患。主要有如下变形破坏：

(1)井筒井壁在117～123m深处出现变形裂缝，裂缝宽5～30mm。

(2)井筒内提升系统变形严重，罐道从上井口到180m处出现严重弯曲变形。

(3)井筒内管路在96～234m出现严重弯曲变形，多处破裂漏风。

经调查，该风井建于邻矿井田范围内，邻矿在该区域附近开采了丙、丁、戊、己组煤层。其中，丙、丁组煤层为建井之前开采，井筒施工过程中揭露有丙、丁组煤采空区；戊、己组煤层为建井之后开采，部分工作面进入了井筒保护煤柱内。

3.2 井壁破坏标准

结合该矿井筒建设和井下开采情况，并参照混凝土、钢筋混凝土的变形性能(C30混凝土的极限压应变约为-1.47mm/m，极限拉应变0.095mm/m)，可以认为：

(1)基岩段，围岩主要由页岩、砂岩、砂质页岩相间构成，变形集中系数k可取值为1.5。由式(2)可求得，在基岩段围岩竖向压缩变形超过-1.0 mm/m时，井壁产生竖向压缩破坏；在基岩段围岩竖向拉伸变形超过0.06 mm/m时，井壁产生竖向拉伸破坏。

(2)表土段，岩(土)体为极软岩，岩体较完整，ρ值可取40。由式(7)可求得，在表土段围岩平均竖向压缩变形超过-0.33 mm/m时，井壁产生竖向压缩破坏，且井壁破坏一般只在表土层与基岩交界处附近发生。

3.3 井筒采动损坏分析

由井下开采情况进行了井筒的采动变形预计，采用概率积分法进行预计，建井之后新工作面开采沉陷预计参数如下：下沉系数0.75，水平移动系数0.3，主要影响角正切1.8，拐点偏移系数0.06，开采影响传播角系数0.65；建井之前老采空区残余或“活化”沉陷预计参数如下：下沉系数0.03～0.15，水平移动系数0.3，主要影响角正切1.4～1.6，拐点偏移系数0.05，开采影响传播角系数0.5。

图1为进风井井壁竖向上的移动值W与变形量εv曲线图。

图1 进风井竖向上的移动与变形曲线

经计算，进风井受采动影响范围为0～375 m段，井口竖向移动(即下沉)为412 mm，表土层与基岩交界处竖向移动(即下沉)为400 mm，竖向变形表现压缩变形，最大压缩变形为-4.2 mm/m，表土段平均竖向压缩变形为-0.13 mm/m。参照上述该矿的井壁破坏标准，根据进风井围岩预计结果，可推测进风井井壁将有可能在井深110～280 m段出现压缩裂缝，罐道、管路将有可能在0～375 m段出现弯曲变形或破坏。进风井内井壁、罐道、管路的实际破坏变形情况与预测结果基本一致。

由此可判定，邻矿戊、己组煤层新采面的采动影响和丙、丁组老采空区的活化残余沉陷变形影响(井筒穿过老采空区)，是风井井筒发生采动损坏的主要原因。这也印证了该评价方法和指标适用于井筒采动损坏安全性评价。

4 结 论

(1)分析、总结了井筒采动变形、破坏的形式，根据大量井筒破坏实例显示井壁破坏主要为竖向变形的特点，认为井筒安全评价方法应以井壁与覆岩的竖向变形关系为主要评价指标。

(2)根据表土、基岩段井壁与围岩变形关系，分别建立了表土、基岩段井壁竖向压缩(拉伸)变形破坏的计算公式。

(3)通过井筒采动损坏实例分析，印证了井壁竖向压缩(拉伸)变形破坏评价方法和指标的可靠性。该评价方法和指标适用于井筒采动损坏安全性评价。

[1] 克拉茨 H.采动损害及其防护[M].马伟民，王金庄，王绍林，译.北京：煤炭工业出版社，1984. Kratzsch H.Mining Damage and Protection[M].Ma Weimin，Wang Jinzhuang，Wang Shaolin，Translated.Beijing:Coal Industry Publishing House,1984.

[2] 吕泰和.井筒与工业广场煤柱开采[M].北京:煤炭工业出版社，1990. Lu Taihe.Extraction of Shaft and Surface Facility Area Protection Pillars[M].Beijing:Coal Industry Publishing House,1990.

[3] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000. China Coal Industry Bureau.Codes on Setting Safety Pillars under Surface Buildings，Water Bodies and Railways and Extraction of Locked-up Coal[M].Beijing:Coal Industry Publishing House,2000.

[4] 滕永海，卫修君，唐志新，等.新建千米井筒留设小保护煤柱与抗变形技术[J].煤炭学报，2012(8)：1281-1284. Teng Yonghai，Wei Xiujun，Tang Zhixin，et al，Study of setting of small safety pillars for protection of new ventilation shaft and shaft anti-deformation techniques[J].Journal of China Coal Society,2012(8):1281-1284.

[5] 易四海，滕永海，柏 玉，等.立井井筒采动变形机理与防护技术研究[J].煤炭工程，2011(9)：72-74. Yi Sihai,Teng Yonghai，Bai Yu，et al.Study on mining deformation mechanism of mine shaft and prevention technology[J].Coal Engineering,2011(9):72-74.

[6] 天津大学，同济大学，东南大学,等.混凝土结构[M].北京：中国建筑工业出版社，1998. Tianjin University，Tongji University，Southeast University，et al.Concrete Structures[M].Beijing:China Architecture and Building Press,1998.

[7] 中华人民共和国国家标准编写组.GB 50010—2010 混凝土结构设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011. The National Standards Compilation Group of People′s Republic of China.GB 50010-2010 Code for Design of Concrete Structures[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2011.

[8] 中华人民共和国国家标准编写组.GB 50384—2007 煤矿立井井筒及硐室设计规范[S].北京：中国计划出版社，2007. The National Standards Compilation Group of People′s Republic of China.GB 50384-2007 Code for Design of Coal Mine Shaft and Chamber[S].Beijing:China Planning Press,2007.

[9] 中华人民共和国国家标准编写组.GB 50218-94 工程岩体分级标准[S].北京：中国计划出版社，1995. The National Standards Compilation Group of People′s Republic of China.GB 50218-94 Standard for Engineering Classification of Rock Masses[S].Beijing:China Planning Press,1995.

(责任编辑 徐志宏)

Study on Mining Damage Evaluation Method for Shaft

Yi Sihai

(TangshanResearchInstitute,ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Tangshan063012，China)

At present，there is lack of the quantitative evaluation method for mining damage of shaft at home and abroad.It is easy to produce hidden danger for shaft′s mining design and protection.Thus，the form and characteristics of shaft′s mining damage are summarized.And also，according to the relationship of shaft lining damage and wall rock deformation，the scientific and feasible evaluation method and index of mining damage are established which aims at the concrete and reinforced concrete shaft lining.With the relationship of vertical deformation between shaft lining and wall rock as the main evaluation index，the calculation formula of vertical compression deformation damage of surface soil and bedrock section shaft lining are established separately.Through the example analysis on shaft mining damage，the reliability of the evaluation method and index are corroborated.The research solves the problems in safety evaluation of shaft mining damage，and supplies the safe and reliable technical support for safety design of shaft coal pillar mining.

Shaft，Mining damage，Safety,Evaluation method，Index

2015-02-02

国家自然科学基金项目(编号：51074089)。

易四海(1980—)，男，副研究员，博士。

TD262;TD313

A

1001-1250(2015)-04-146-04