地下水位下降对井壁破坏的影响

2005/9/12 18:01:36

摘要　淮北某些矿区井筒变形、破坏严重，其主要诱发因素是下含水层水位下降而产生的附加应力。运用［2D-σ］软件进行了数值模拟认为：由于地下水位下降，地层与井筒发生相对位移而产生剪应力，其大小与水位降深和相对位移成正比；轴向应力随深度变化小，而随下含水层水位下降而增大；井壁破坏首先发生在其内缘，并逐渐向外扩展，破坏度沿深度方向增大；一含和下含同时有水位降时，轴向应力和剪应力的变化与单一含水层水位下降时相似，但轴向应力变化幅度明显增大，剪应力在上部含水层处增加。模拟计算分析结果与淮北地区井壁变形、破坏情况大体一致。
　　关键词　井筒变形　地下水位　应力　破裂
　　中国图书资料分类法分类号　P641.4　TD32

THE INFLUENCE OF GROUNDWATER LOWERING
　　ON THE SHAFT WALL RUPTURE

　　Xu Guangquan　(Huainan Technology Institute)
　　Xing Jun　Lu Jietang　(China University of Geosciences)

　Abstract　In Huaibei the shafts are deformed and ruptured heavily in some mining areas,the main inducing factor of which is the additional stress formed by the water lowering in the lower aquifer.The numerical modeling calculation and analysis are conducted using the ［2D-σ］ software.It is considered that the shearing stress is produced by the relative displacement between stratum and shaft due to the groundwater lowering,its size is directly proportional to the water level drawdown and relative displacement;the change of axial stress is not apparently with depth but largely with the water lowering in the lower aquifer;the shaft wall rupture occurres firstly on its internal margin,then expanded progressively outward,and the rupture degree is increased along the depth direction;when the water lowering is occurred simultaneously in both No.1 and lower aquifers,the variation regularities of axial stress and shearing stress are similar to that during the water lowering in the single aquifer,but the variation amplitude of axial stress is increased obviously;and the raise of shearing stress is occurred in the upper aquifer.The above-mentioned results of modeling calculation and analysis are conformable basically to the shaft wall deformation and rupture in Huaibei mining area.
　Keywords　shaft deformation;groundwater level;stress;rupture

1　引言
　　淮北矿区井筒变形、破坏原因是多方面的，但该地区下部含水层(以下简称下含)的水位下降所产生的附加应力的影响是最直接的诱发因素。由于受采煤影响，新生界松散层下含水通过基岩风化带裂隙通道不断补给矿井，这种长期的补给，导致下含水位大幅度下降，引起土体有效应力增加，含水层压缩，致使井筒周围上覆土层下沉。但由于井筒刚度很大，并不随之下沉，从而在地层与井壁间产生相对位移，在井壁的外侧产生向下的附加作用力。当井壁初始应力与附加轴向应力大于井壁强度时，引起井壁竖向压缩破坏。本文应用［2D-σ］软件对井壁和松散层间的相互作用进行数值模拟，分析下含在不同水位条件下井壁应力的变化规律，为可缩性井壁优化设计提供理论根据。
　　
2　［2D-σ］简介
　　该软件是日本软脑株式会社最近开发的线性、非线性分析程序系统，该程序集调查、设计、解析及评价功能为一体，能在很短时间内获得大型构造物的分析结果。它首先用其内藏的高性能作图系统绘出结构物的图形，在为其指定边界条件和施工顺序后，系统自动生成各种有限单元数据，并进行分析计算，运用于复杂的土木工程问题分析，(如阶段施工、开挖、支护等)具有非线性分析、弹塑性分析、接触和碰撞分析、热应力分析、惯性分析等功能。它可以高速分析1万节点以上的大型工程问题(如井壁)，前后处理实用、方便。

3　计算模型
3.1　基本假设
　　a.　井筒与松散层具有轴对称性；
　　b.　松散层中的含水层与弱隔水层均质各向同性；
　　c.　用下含受到的相应有效应力增量值等效模拟下含水位下降；
　　d.　井壁和松散层为弹性体，且满足Mor-Clumn屈服准则；
　　e.　参照淮北临焕矿区下含水位下降实际资料，水位按4 m/a取值。
3.2　计算参数选取
　　以淮北临焕矿矿井为计算模型，参数选取为：松散层厚365.2 m，井筒内径2.65 m，外径3.35 m，井壁厚0.7 m，混凝土强度C₄₀～C₆₀，研究域径向半径36.85 m。松散层层位与井壁计算参数如表1。另外，地层与井壁接触面参数：弱面强度取2.5 MPa，摩擦角为20°，残留摩擦角为15°，拉伸强度为0.35 MPa。

表1　井壁计算参数选取值

层位	层位累深／m	重度　　／kN^.m^-3	弹模　　／MPa	泊松比	内摩擦角　　／(°)	粘聚力　　／MPa
一含	0～39.5	21	90	0.2	30	0.1
一隔	39.5～105.9	19	65	0.35	22	0.25
二含	105.9～150	21	120	0.25	20	0.15
二隔	150～229	20	80	0.3	23	0.25
三含	229～252	20	105	0.25	28	0.2
三隔	252～322	19	85	0.35	22	0.3
下含	322～343	19	60	0.23	15	0.2
风化带	343～356	24	2 600	0.21	40	7.5
井壁	0～356	25	35 000	0.17	40	6.4

3.3　计算单元划分
　　地层接触面采用Sharma等结点模型，(图1)使用了基于二维位移函数，6结点等参数曲线元素，计算域共划分了1 683个等参单元，总计5 282个结点。

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图1　Sharma结点元素

3.4　边界条件
　　地表设为自由边界，由于井筒与松散层具有对称性，可设井筒左右边界为水平方向约束，底边界为垂直方向约束。
3.5　载荷条件
　　当含水层水位下降时，作用在土体骨架上的有效应力σ^′取决于总体应力σ和孔隙水压力u，依该矿区实际情况u取0.01 H_w(含水层水位高度)，即σ^′＝σ－0.01H_w。当下含水位下降时，土体有效应力变化p＝－0.01ΔH_w。(ΔH_w为下含水位变化值)计算时将有效应力增加量p施加在下含顶板上。
3.6　井壁工况模拟
　　对井壁工况分以下4个阶段进行模拟：
　　a.　计算区域内初始应力场；
　　b.　模拟开挖和施工顺序，计算下含没有水位降时井壁受力情况；
　　c.　计算下含水位下降22 m，即p＝0.22 MPa的水压施加在下含顶板上时，井壁的受力情况；
　　d.　计算下含水位下降56 m，即p＝0.56 MPa的水压施加在下含顶面上时，井壁的受力情况(图2)。

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图2　不同工况下刚性井壁与轴向应力关系
　　1——水位下降56 m时；2——水位下降22 m时；
　　3——应力释放率为100%时；4——初始自重应力

4　计算结果分析
4.1　在下含没有水位下降时，刚性井壁主要承受水平地压和自重荷载，井壁轴向附加应力呈直线分布，除在下含下部很小一段出现τ_max＝20 kPa附加应力外，(图3)其余各点近似为零。其原因是在松散层底部自重应力大，在开挖过程中，地应力释放形成二次应力场，引起下含出现微小沉降所致。
4.2　当下含水位下降引起地层压缩沉降时，地层与井壁间发生相对位移形成附加力τ，τ的大小除与井壁和地层间相对位移成正比外，还与下含水位降成正比。当下含水位下降22 m时，在下含下部，τ_max＝90 kPa；当下含水位下降56 m时，τ_max＝332.9 kPa；(图3)而在下含以上附加应力较小。
4.3　在与下含相接触的风化基岩下部出现了附加应力为零的中性点，并在中性点以下有一正附加应力区。这是由于在风化基岩下部，因下含水位下降但地层沉降相对减少，而井筒自身的变形与地层沉降量恰好相等，因而出现了中性点。又由于在中性点以下，井筒自身纵向变形大于地层沉降，因此出现了正附加应力区。(图3)

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图3　刚性井壁附加应力与井深关系
　　1——地层没有发生水头下降时；2——水头下降22 m时；
3——当p＝0.56 MPa时

4.4　在不同阶段，下含部位的刚性井壁轴向应力相差悬殊。(图2)初始自重应力和开挖过程中轴向应力沿深度方向变化较小，但随着下含水位下降，从三隔到基岩风化带，轴向应力由小变大，且随水位下降幅度的增大而增大。
4.5　井壁破坏沿深度和径向变化很大，(图4)破坏最先发生在井壁内缘，并逐渐向外缘扩展，井壁破坏度(θ)沿深度方向逐渐增大。

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图4　井壁破坏接近度沿径向变化图

4.6　因工业、生活用水和大气降水的影响，矿区一含水位年均变幅为4～5 m，为此对下含和一含水位同时下降时井壁受力状况进行计算，结果表明：当一含和下含同时有水位降时，井壁轴向应力沿深度方向的变化与单一含水层水位下降时的规律相似，但变化幅度明显大于单一含水层水位下降的情况。(图5)

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图5　一含和下含同时有水位降时井壁轴向应力沿深度变化图
　　1——一含和下含水位分别下降5.6m、56m时；
　　2——一含和下含水位分别下降2.4m、24m时

4.7　附加应力τ的变化规律与单一含水层水位下降情况相似，但出现了因上含水位下降而附加应力增加的现象。(图6)

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图6　上含和下含同时有水位下降附加应力与井深的关系图

5　结论
　　通过以上计算分析得出的含水层在不同水位降情况下井壁的受力情况和变化特点，基本与淮北矿区井壁变形、破坏位置一致。(表2)因此依据正确模型，选择合理参数进行计算，得出含水层在不同水位降条件下井壁的变形、破坏规律，用以进行可压缩井筒接头优化设计：在那些因含水层水位下降使应力增大的部位放置可变缩接头，可避免后期井筒变形。

表2　淮北矿区井筒破坏位置　　m

井筒名称	破坏深度	剥落深度	下含水位降	对应位置	观测时间
临涣副井	339～341	0.15～0.20	56.75	基岩风化带附近	1993-6
临涣西风井	325～327	0.1～0.15	58.0	基岩风化带以上	1993-6
海孜主井	250.7	0.11～0.20	48.7	基岩风化带	1987-9
海孜风井	223～238	0.1～0.25	49.1	基岩风化带	1987-9
童亭主井	241～243	0.13～0.25	53.4	基岩风化带	1989-8
童亭风井	242	0.15～0.20	54.9	基岩风化带	1989-8

　　　　　　　　注：据杨平并补充

作者简介：许光泉　男　30岁　博士研究生　讲师　水文地质工程地质

作者单位：许光泉　(淮南工业学院　232001)刑军　吕杰堂　(中国地质大学　北京　100083)

参考文献
　1　日本软脑株式会社.［2D-σ］用户手册.1997
　2　崔广心.徐淮地区井壁破坏原因初步研究.煤炭科学技术，1991；(8)：46～49
　3　朱百里等.计算土力学.上海科学技术出版社.1990
　4　杨平.治理井壁破裂的观测.煤炭科学技术.1996；(8)：32～34

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