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最火临涣矿区井壁破坏机理探讨

发布时间:2021-09-18 20:04:59 阅读: 来源:哑铃厂家

临涣矿区井壁破坏机理探讨

自80年代以来,徐淮矿区已有30余个煤矿井筒发生了变形破坏,严重地影响了煤矿的安全生产。导致井筒变形破坏的原因较为复杂,为深入探讨其破坏机理,我们进行了井筒变形破坏的模型试验和数值模拟分析研究。

1 模型试验研究1.1 试验方案 以淮北矿务局临涣煤矿副井为试验原型。井筒内径φ7.2m,外径φ9.9m,井壁厚1.35m,井壁混凝土强度等级C40。井筒所穿地层:一含~三含厚115m,三隔1常常在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下12m,四含12m,强弱风化带为1且要磨平;3m,以下为基岩部分。 按照研究问题的性质,确定模型几何比为1∶40,容重比为1∶1.4VTT称其中多数都被填埋处理或焚化3,按相似理论其应力比为1∶57.14。井筒周围岩、土体的力学参数取自实验资料。井筒周围有3种介质,即土体取20m,基岩风化带取12m,基岩取8m。分别采用的相似材料为:土层采用砂:土=12∶1的砂质土,抗压强度为2kPa;风化带用砂:石灰=11∶1的混合料,抗压强度为45kPa;基岩采用砂∶石灰∶石膏=8∶0.5∶0.5的石膏混凝土,强度为720kPa。以上模型材料可保持强度相似。井筒材料几经试验,最终确定采用石英砂∶石膏∶水=1∶1∶1的石膏胶结料,这主要是满足圆形井筒成型的需要。该种材料的抗压强度约3.6MPa,弹性模量为2GPa。井筒模型内径180mm,外径250mm,保持与原型几何相似。模拟两种井筒受力模式。 模型Ⅰ:了解水平地应力作用下井筒变形破坏状态。 根据临涣矿区地应力实测资料②:松散层内-245m水平最大主应力平均为3.07MPa,方位近NS;-27疲劳耐久试验机的操作步骤5m基岩内最大主应力为13.5MPa,方位NE98.5°,最小主应力为9.1MPa,方位NE8.8°,皆为水平应力。 模型Ⅱ:了解底部含水层失水引起地层沉降所造成的负摩擦力分布。 模型测试系统为:在井筒周围土、岩体埋置微型压力盒,了解井筒承受外载情况;在井筒模型内表面对应于底含、基岩风化带、风化带与底含交界面处等关键部位直接粘贴纵、横向应变片,计4条测线48个应变片,以反映井筒轴向抗压程度和径向变形情况。采用YJ-17应变仪及计算机数据采集与处理系统进行测试。 模型架(长×宽×高)为1 080mm×1 000mm×1 000mm的大型试验架。加载设备为WY-300型加载稳压装置,逐级加载,逐级测试。1.2 试验过程 在模型Ⅰ中,为模拟水平地应力沿井筒轴向的作用,将井筒模型横置,周围土体厚50cm,风化带厚30cm,基岩厚20cm,从模型上方沿与井筒轴向垂直方向对土层、基岩风化带和基岩进行变压加载。加载分两路:一路对土层加载,另一路对岩层加载。土、岩层加压比为3∶13,接近于原型地应力比值。加载共分10级,观测井筒自变形到破坏的全过程。 在模型Ⅱ中,将井筒立置于模型中间。周围土体厚60cm,风化带厚30cm,基岩厚10cm。为了模拟底含失水压缩,在底含下部平放了1排φ16mm钢筋,加载后将其抽出。为模拟负摩擦力对井筒变形破坏的影响,采取了特殊措施对井壁外表面进行处理,以增大井筒与岩、土体间的摩擦系数。模型加载分两路:一路对井筒加载,模拟井筒及井塔等重量;另一路对土层加载,土层加载分为10级,逐级加载,逐级测试。1.3 试验结果与分析 (1)从水平地应力作用的模型试验(模型Ⅰ)看,由于土岩界面水平地应力的突变差异作用,根据井筒附近周围压力盒的观测显示,井筒受载在土岩界面附近存在一应力过渡段(图1),土层中井筒受水平力小于基岩中井筒所受水平力。这种外载分布将引起井壁受纵向弯曲的作用。 纵向弯曲作用为井壁变形和破坏形态所证实。井壁变形量测表明,井壁横向应变均为拉应变,说明在该受力条件下,井筒变为椭圆;纵向应变在土岩界面附近有拉有压,说明有纵向弯曲作用存在,从而引起井壁弯拉破坏。井壁破坏观察表明,破坏段集中在土岩界面附近,显示出横断面剪切破坏和沿轴向拉伸破坏的特征。图1 井壁外载分布示意 (2)从底含失水模型(模型Ⅱ)试验看,底含失水压缩确会对井壁造成负摩擦力的作用。井壁轴向应变在底含失水时呈较大梯度的增长。井筒模型应变与介质压力大体成线性关系,表明摩擦力分布规律与介质压力是一致的;井筒在土岩界面附近确实产生了较大的压应变。本模型试验采取了特殊增加摩擦力措施,根据模型材料的弹性模量和介质压力与应变间关系,估算摩擦系数f约为0.35,但井壁与土层脱离后f值有多大则难以确定,不同井壁可能差别较大,值得进一步研究。该模型井筒纵向应变与井筒深度成线性关系,说明井壁受力与井深呈线性增长。值得注意的是,该模型加载到最大级别Pmax=465kPa,井筒也未破坏。结果对比说明,如果仅有负摩擦力作用,不足以使所模拟的井筒产生失稳破坏

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