李晉華

(山西汾西正佳煤業(yè)有限責任公司，山西　臨汾　041300)

1　工程概況

風立井的井口標高為1 121.6 m，設計深度為966.6 m，整個井筒凈直徑為7.5 m，凈斷面面積44.2 m2. 井壁采用雙層鋼筋混凝土復合井壁結(jié)構(gòu)，外層井壁厚度最大為 550 mm，最小為500 mm，內(nèi)層井壁厚度最大為1 350 mm，最小為600 mm，混凝土強度等級從C50到C80不等，采用II級鋼筋，d22～d28 mm. 回風立井井筒特征參數(shù)見表1.

表1　風立井井筒特征參數(shù)表

風立井井筒采用普通法鑿井到井口以下垂深90 m后，通過現(xiàn)場抽水試驗估算井筒涌水量，含水層厚度總計達411 m，其中白堊系洛河組涌水量比較大，涌水造成施工無法繼續(xù)進行，因而轉(zhuǎn)為凍結(jié)法施工，主要針對白堊系和侏羅系含水地層封水，凍結(jié)深度為910 m.

風立井依次穿過的沖積層厚度為210.61 m，為第四系黏土層或砂礫層，白堊系地層653.88 m，是井筒凍結(jié)的主要地層。其次是侏羅系巖層109.1 m. 風檢孔揭露的地層自下而上厚度見表2.

表2　井檢孔揭露地層厚度表

結(jié)合現(xiàn)場勘測結(jié)果可知，風井地層以白堊系地層為主，其占總厚度比例約為70%，因此重點研究白堊系巖層凍結(jié)壓力具有重要意義[1-2].

2　凍結(jié)壓力監(jiān)測

1) 測點布置與傳感器埋設。

通過對風井凍結(jié)段施工特點以及現(xiàn)場井檢孔的勘察結(jié)果分析，分別選擇距離井口632 m和841 m的位置布置溫度監(jiān)測裝置、豎向鋼筋計、環(huán)向鋼筋計和壓力計(布置圖見圖1).

圖1　測點布置總匯圖

在距離井口632 m和841 m兩個層位分別布置4個荷載壓力計，每個層位的4個荷載壓力計分別安置在東、南、西、北4個方向上。為了確保荷載壓力計能夠與井幫緊密接觸，將荷載壓力計制作成水泥塊埋設在井壁混凝土當中，埋設時將荷載壓力計的受力膜面軸線與井筒中心線保持在同一條直線上，保證測試結(jié)果的準確。

2) 監(jiān)測方法。

當荷載壓力計埋設之后，凍結(jié)壓力的監(jiān)測剛開始7天，加密監(jiān)測頻率，保證每天監(jiān)測一次，以后每周監(jiān)測一次，到套筑內(nèi)層井壁時期之前再測一次數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過電纜連接CUB-1 M數(shù)據(jù)存儲器實時對壓力進行記錄，然后將存儲的數(shù)據(jù)拷貝到計算機中，對數(shù)據(jù)進行歸類，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集記錄。每次監(jiān)測完后，對荷載壓力計伸出的電纜做好保護，方便下次監(jiān)測工作。

3) 凍結(jié)壓力監(jiān)測結(jié)果分析。

監(jiān)測的凍結(jié)壓力變化曲線分別見圖2，3.

圖2　第一層位(-632 m)凍結(jié)壓力隨時間變化曲線圖

圖3　第二層位(-841 m)凍結(jié)壓力隨時間變化曲線圖

比較分析圖2、3，大致可以把作用在外井壁上的凍結(jié)壓力分為以下3個階段[3-4]：

a) 壓力急劇增長階段。初期隨著井筒的掘進開挖，凍結(jié)土體由于開挖后應力得以重新分布，凍結(jié)壁向內(nèi)變形，澆筑外層混凝土井壁時，由于外層井壁阻止凍結(jié)壁向內(nèi)變形，早期凍結(jié)壁變形產(chǎn)生的凍結(jié)壓力直接作用在井壁壓力荷載計上而出現(xiàn)急劇增長現(xiàn)象；另一個原因是當澆筑外層井壁混凝土時，混凝土釋放出大量的水化熱，使得凍結(jié)壁融化，凍結(jié)壁由于外部水平地壓應力的作用擠壓融化段巖層，當凍結(jié)管繼續(xù)供冷時，融化巖體又重新發(fā)生凍脹而產(chǎn)生凍結(jié)壓力[5].

b) 壓力緩慢增長階段。隨著工作面的開挖，監(jiān)測層位距離開挖面越來越遠，并且下部井壁的澆筑影響范圍對監(jiān)測層位越來越小，同時監(jiān)測層位的外層井壁混凝土水化基本完成，此時凍結(jié)壁溫度在逐步下降，凍結(jié)壁巖層慢慢的發(fā)生回凍，因此回凍過程中凍脹壓力會發(fā)生緩慢增長現(xiàn)象。

c) 壓力穩(wěn)定階段。隨著凍結(jié)壁在第二階段的溫度繼續(xù)下降，當凍結(jié)壁溫度已經(jīng)趨于穩(wěn)定，鋼筋混凝土井壁強度也已基本不再增長，此時溫度沒有大幅度變化而影響凍結(jié)壁的變形，凍結(jié)壁只發(fā)生很小的蠕變現(xiàn)象，從而使凍結(jié)壓力最終在一個固定值上下浮動。

通過對比白堊系地層實測凍結(jié)壓力數(shù)值與西部地層目前廣泛采用的凍結(jié)壓力經(jīng)驗計算公式計算的結(jié)果(P=0.005H+1)，對二者凍結(jié)壓力數(shù)值進行對比，結(jié)果見表3.

表3　凍結(jié)壓力對比表

通過表3可以看出，實測的凍結(jié)壓力遠小于經(jīng)驗公式計算的凍結(jié)壓力值，也小于規(guī)范中按表土層計算的凍結(jié)壓力值。

通過對圖2和圖3數(shù)據(jù)進行回歸分析，分別得出中粒砂巖和粗粒砂巖凍結(jié)施工時凍結(jié)壓力隨時間的函數(shù)表達式：

中粒砂巖平均凍結(jié)壓力：

P凍=0.576 2lnt+0.117 7

(1)

中粒砂巖最大凍結(jié)壓力：

P凍max=0.678 2lnt+0.138 5

(2)

粗粒砂巖平均凍結(jié)壓力：

P凍=0.581 3lnt+0.819 0

(3)

粗粒砂巖最大凍結(jié)壓力：

P凍max=0.704 2lnt+0.992 2

(4)

通過對圖2，3分析可知：

對于中粒砂巖而言，前10天凍結(jié)壓力呈線性增長態(tài)勢，凍結(jié)壓力達到最大值的81.3%，20天達到最大凍結(jié)壓力的93.5%，20天后凍結(jié)壓力大致呈穩(wěn)定狀態(tài)，最終凍結(jié)壓力在最大值左右浮動。也就是說中粒砂巖凍結(jié)施工期間，需要關(guān)注前20天的混凝土養(yǎng)護狀況，特別需要注重前10天的混凝土養(yǎng)護，施工期間可在井幫與凍結(jié)壁之間放一定厚度的塑料夾層，達到延緩凍結(jié)壓力增長對外井壁作用的時間，從而使混凝土達到一定的強度來抵抗前期快速增長的凍結(jié)壓力。

對于粗粒砂巖來說，前9天凍結(jié)壓力呈線性增長態(tài)勢，凍結(jié)壓力達到最大值的95%，再往后凍結(jié)壓力增幅不大，大致在凍結(jié)壓力最大值左右變動。凍結(jié)壓力變化說明：在粗粒砂巖凍結(jié)施工期間，特別需要關(guān)注前9天的混凝土養(yǎng)護狀況，這樣就可以減少外層井壁施工期間的混凝土壓壞現(xiàn)象。

從表3可以看到，白堊系地層凍結(jié)壓力實測值遠小于目前西部地區(qū)廣泛采用的經(jīng)驗公式計算的值。其中，中、粗粒砂巖的凍結(jié)壓力回歸公式可為以后西部同種地質(zhì)的巖層提供參考數(shù)據(jù)，并能為西部地區(qū)井壁的設計提供依據(jù)。

3　外層井壁鋼筋應力監(jiān)測

1) 外井壁豎向鋼筋受力監(jiān)測結(jié)果分析。

豎向鋼筋測試結(jié)果見圖4，5.

圖4　-632 m豎向鋼筋計受力隨時間變化曲線圖

圖5　-841 m豎向鋼筋計受力隨時間變化曲線圖

a) 快速上升段。

外層井壁澆筑初期，豎直方向上由于鋼筋混凝土水泥水化熱影響，凍結(jié)壁融化，進而凍結(jié)壁對外層井壁的圍抱摩擦力減小，鋼筋混凝土井壁由于自重作用，產(chǎn)生豎直方向的吊掛力，因此豎向鋼筋出現(xiàn)快速增長的拉應力；另一方面，由于外層井壁澆筑后的一周內(nèi)，對外層井壁拆除模板，隨著鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)開始脫模，豎向方向上由原來的上下兩端用模板固定轉(zhuǎn)變?yōu)橄露藶樽杂啥耍虼虽摻顟τ刹鹉Ｇ暗氖軌籂顟B(tài)轉(zhuǎn)為拆模后的受拉狀態(tài)，此階段拉應力急劇增長，增長速率很快，最大達到0.4 MPa/h.該時期要特別防范混凝土發(fā)生拉裂現(xiàn)象，因為外層井壁混凝土還沒有達到設計強度值，外層井壁豎直方向上由于應力過大很容易發(fā)生環(huán)向裂縫。

b) 緩慢上升段。

隨著第一階段的發(fā)生，當外井壁澆筑一周以后，在第一階段產(chǎn)生融化的凍結(jié)壁隨著凍結(jié)管冷量的供給，巖層溫度不斷下降，凍結(jié)壁產(chǎn)生回凍。此時外井壁由第一階段井壁接觸的是融化的凍結(jié)壁，逐漸發(fā)展為回凍的凍結(jié)壁，凍結(jié)壁回凍后增大了外層井壁與凍結(jié)壁的圍抱摩擦力，減小了外層井壁所受的吊掛力，因此，該階段拉應力較第一階段緩慢。

井筒內(nèi)外層井壁鋼筋采用的是HRB335鋼筋，在整個豎向鋼筋應力監(jiān)測當中，由圖4，5可知，外層井壁兩個層位豎向鋼筋最大應力都不超過70 MPa，遠遠小于HRB335鋼筋屈服強度。內(nèi)層井壁豎向鋼筋應力比外層井壁豎向鋼筋應力小，究其原因主要是內(nèi)層井壁接觸的是外層井壁內(nèi)壁面，其摩擦力不會因為混凝土水化熱作用而減小，因此其實測結(jié)果小于外層井壁鋼筋實測值，總體來說井壁處于安全工作狀態(tài)。

同時通過監(jiān)測結(jié)果可知，鋼筋的豎向應力遠遠小于鋼筋設計標準值，鋼筋的材料性能沒有很好的發(fā)揮。

2) 外壁環(huán)向鋼筋受力監(jiān)測結(jié)果分析。

外井壁環(huán)向鋼筋監(jiān)測結(jié)果見圖6和圖7.

圖6　-632 m外井壁環(huán)向鋼筋受力隨時間變化曲線圖

圖7　-841 m外井壁環(huán)向鋼筋受力隨時間變化曲線圖

由圖6和圖7可以看出，環(huán)向鋼筋應力隨時間變化與豎向鋼筋應力隨時間變化的趨勢和規(guī)律大致相同，分為以下3個階段：

a) 快速增長段。

外層井壁混凝土澆筑2～12天時，外層井壁的環(huán)向鋼筋的應力呈快速增長態(tài)勢，應力主要為壓應力，最高增長速度能達到-0.5 MPa/h，平均增長速率值為-0.4 MPa/h.由于外層井壁的澆筑，凍結(jié)壓力作用在外層井壁上，從而使外層井壁環(huán)向鋼筋產(chǎn)生環(huán)向壓應力，由前面凍結(jié)壓力在外井壁澆筑初期呈快速增長態(tài)勢，因此導致外井壁環(huán)向鋼筋應力也呈快速增長態(tài)勢；另一方面，由于混凝土水化熱作用導致鋼筋發(fā)生熱膨脹，而由于凍結(jié)壁的約束效果，進一步使得環(huán)向鋼筋的應力快速增長。

b) 緩慢增長段。

外層井壁混凝土澆筑12～24天時，環(huán)向鋼筋應力處于緩慢增長階段，最大達到-37 MPa.由圖6、7可知，外層井壁環(huán)向鋼筋應力在20天之后出現(xiàn)略微增長，主要是此時第一階段的外層井壁混凝土水化熱溫度達到一個峰值的現(xiàn)象結(jié)束，此時溫度應力對環(huán)向鋼筋的壓應力作用會減小，而由前面凍結(jié)壓力的變化規(guī)律可知20天之后凍結(jié)壓力也呈一個緩慢增長態(tài)勢，因此，此時環(huán)向鋼筋應力隨著凍結(jié)壓力的緩慢增長而慢慢增加。

c) 趨于穩(wěn)定段。

外層井壁混凝土澆筑24天之后，-632 m外層井壁環(huán)向鋼筋最大應力達到-50 MPa，-841 m外層井壁環(huán)向鋼筋最大應力達到-52 MPa，兩個層位環(huán)向鋼筋達到最大值后趨于穩(wěn)定。主要是前期的混凝土水泥水化熱現(xiàn)象結(jié)束，混凝土溫度也漸漸趨于穩(wěn)定，而由前可知凍結(jié)壓力24天之后其值基本穩(wěn)定，因此作用于外井壁凍結(jié)壓力波動很小，所以外層井壁環(huán)向鋼筋在此階段基本趨于穩(wěn)定階段。

環(huán)向鋼筋的受力變化情況和監(jiān)測的凍結(jié)壓力變化趨勢大致一樣，也是前10天左右呈快速增長態(tài)勢，后期逐步穩(wěn)定，進一步說明了監(jiān)測方案的正確性。同時通過監(jiān)測結(jié)果可知，鋼筋的環(huán)向應力遠小于鋼筋設計標準值，鋼筋的材料性能沒有很好的發(fā)揮。

4　凍結(jié)壁位移監(jiān)測

井壁與凍結(jié)壁具有相互作用的特性，凍結(jié)壁產(chǎn)生位移必須滿足凍結(jié)管作用要求，否則可能造成凍結(jié)管斷裂，影響井筒凍結(jié)施工。同時外井壁抵抗凍結(jié)壁位移，預防凍結(jié)壁過大位移，當凍結(jié)壁位移和外井壁位移之和小于凍結(jié)壁要求的最大位移，施工方可安全。因此，對凍結(jié)壁位移進行監(jiān)測具有重要意義，現(xiàn)場對風立井白堊系巖層凍結(jié)壁最大位移進行實測的數(shù)據(jù)，見表4.

表4　凍結(jié)壁最大位移實測結(jié)果表

5　結(jié)　論

凍結(jié)壓力、外層井壁鋼筋應力監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，凍結(jié)壓力的變化過程可以大致分為3個階段：壓力急劇增長階段、壓力緩慢增長階段、壓力穩(wěn)定階段。外層井壁鋼筋應力與凍結(jié)壓力有關(guān)，鋼筋應力隨時間的變化規(guī)律與凍結(jié)壓力隨時間的變化規(guī)律相似，其壓應力最大值均小于鋼筋的屈服強度。

通過監(jiān)測-632 m、-841 m兩個水平層位的凍結(jié)壓力，分別得出中、粗粒砂巖富水巖層凍結(jié)施工時其最大凍結(jié)壓力隨時間變化的函數(shù)關(guān)系表達式，并且實測的凍結(jié)壓力遠小于經(jīng)驗公式計算的凍結(jié)壓力值，也小于規(guī)范中按表土層計算的凍結(jié)壓力值，能夠為后續(xù)西部相同地層凍結(jié)壓力計算提供參考。

通過監(jiān)測凍結(jié)壓力數(shù)據(jù)分析可知，對于中粒砂巖前10天凍結(jié)壓力呈線性增長態(tài)勢，凍結(jié)壓力達到最大值的81.3%，20天達到最大凍結(jié)壓力的93.5%，20天往后凍結(jié)壓力大致呈穩(wěn)定狀態(tài)，最終凍結(jié)壓力在最大值左右浮動。對于粗粒砂巖來說，前9天凍結(jié)壓力呈線性增長態(tài)勢，凍結(jié)壓力達到最大值的95%，再往后凍結(jié)壓力增幅不大，大致在凍結(jié)壓力最大值左右變動。因此對西部富水中、粗粒砂巖地層凍結(jié)壓力增長情況進行監(jiān)測，得出凍結(jié)壓力隨時間變化規(guī)律，可以指導凍結(jié)施工期間混凝土養(yǎng)護，對于預防混凝土提前受壓而破壞具有重要意義。

[1]楊俊杰.考慮地層抗力時外層井壁的內(nèi)力計算[J].煤炭工程,2002,49(2):113-116.

[2]楊俊杰.深厚粘土層凍結(jié)井外壁設計的一種新方法[J].煤礦設計,1997,44(3):47-49.

[3]楊更社,奚家米,屈永龍.西部白堊系富水基巖立井凍結(jié)壓力實測研究[J].采礦與安全工程學報,2014,31(6):982-986.

[4]王衍森.特厚沖積層中凍結(jié)井外壁強度增長及受力與變形規(guī)律研究[D].徐州:中國礦業(yè)學報,2005.

[5]張弛,楊維好.深厚凍結(jié)基巖中新型單層井壁施工技術(shù)與混凝土應變實測[J].煤炭學報,2012,10(2):322-326.