龐明鑫，謝福星，袁 帥，王蘇龍，張 杰

（1.晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 大同 037001；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013）

隨著我國資源開采深度的不斷增加，越來越多的豎井工程需要穿過深厚沖積層，在開挖過程中，初始應(yīng)力場的改變會引起周圍巖土體的位移和變形，進(jìn)而影響井壁的應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律[1-2]。作為煤礦重要生產(chǎn)設(shè)施的立井井筒、井架及提升設(shè)備擔(dān)負(fù)著礦井的通風(fēng)、提升任務(wù)，是礦井的“咽喉”，其安全狀況直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)和人員安全。在長期的運(yùn)營過程中，井壁、罐梁、罐道及附屬設(shè)施會受各種因素的影響而產(chǎn)生變形。這就需要對深覆土層地質(zhì)條件下豎井結(jié)構(gòu)受力和變形特點(diǎn)進(jìn)行研究。

由于地下巖土工程所涉及的研究對象眾多、模型復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的數(shù)值解析法建立的簡易模型計(jì)算量較大且難以滿足工程的精度需求[3-5]。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的數(shù)值模擬軟件不斷被開發(fā)及應(yīng)用，目前數(shù)值模擬已成為研究人員探究巖土體內(nèi)部變形破壞機(jī)理的重要手段[6-8]。為此，采用FLAC3D模擬軟件，通過對所研究煤礦副井井筒施工階段進(jìn)行數(shù)值模擬，分析豎井開挖過程中井壁應(yīng)力及土體變形規(guī)律，現(xiàn)場通過光纖光柵井壁監(jiān)測技術(shù)對井筒的變形狀態(tài)進(jìn)行高精度監(jiān)測分析，進(jìn)而對井筒施工的安全性進(jìn)行初步評價(jià)。

1 井筒結(jié)構(gòu)及破壞特征

1.1 井筒結(jié)構(gòu)

研究礦井地處于黃河下游沖積平原，地勢平坦，由西南向東北緩慢傾斜，地面標(biāo)高一般為+38～+40 m 左右。副井裝備罐籠，負(fù)責(zé)人員、材料、矸石、設(shè)備的提升，兼作進(jìn)風(fēng)井。副井井筒深度671.2 m，凈直徑6.50 m，采用凍結(jié)法施工。副井凍結(jié)段井壁為內(nèi)外雙層鋼筋混凝土復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁厚700 mm，外壁厚700 mm；在井深270 m 位置為變斷面接茬，井深220～270 m 段高，內(nèi)、外壁厚度均為700 mm，單層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級C50；井深270～330 m 段高，內(nèi)、外壁厚度均為900 mm，單層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級C50。外層井壁后施工有泡沫塑料板，內(nèi)外層井壁間鋪高密度塑料薄板。

1.2 井筒破壞特征

通過高等院校、科研院所和相關(guān)企業(yè)對山西、兩淮、山東等多個礦區(qū)70 多個井筒的調(diào)研發(fā)現(xiàn)井筒井壁破壞多具有以下主要特點(diǎn)。

1）井壁出現(xiàn)明顯破壞多發(fā)生于井筒投產(chǎn)后1～3年內(nèi)[9-10]。

2）井壁破裂部位多出現(xiàn)于第四系表土層底部含水層段，通常破壞段高度1～15 m 之間[11-12]。

3）井壁破裂形態(tài)大都呈水平環(huán)狀，伴有混凝土剝落，內(nèi)筋突露，滲水、涌水甚至冒砂現(xiàn)象[13]。

4）表土段井筒時常發(fā)生重復(fù)破壞現(xiàn)象[14-15]。

1.3 井壁變形破壞機(jī)理

人們通過現(xiàn)場測試、室內(nèi)模擬及理論分析，基本弄清了井壁破裂的主要原因：礦區(qū)開采疏排水，引起含水層的水位下降，含水層被壓縮，引起地層沉降，沉降土體對井壁產(chǎn)生向下的摩擦力。在豎向摩擦力和水平荷載綜合作用下，井壁發(fā)生縱向變形、環(huán)向變形及徑向變形，變形到一定程度，井壁就會發(fā)生破壞。井筒是礦井上下的咽喉要道，礦井的排水管路、風(fēng)壓管路、注漿管路以及提升運(yùn)輸罐道等均固定在井壁上。井壁的破壞會引起這些設(shè)施發(fā)生彎曲、扭曲、斷裂等嚴(yán)重破壞，帶來災(zāi)難性后果[16]。

另外，由于開采而引起的地表不均勻下沉，會造成位于地表上的井架移動（水平位移與垂直位移）和變形，從而使井上井中與井底井中位置發(fā)生偏移，給提升設(shè)備帶來事故隱患[17-19]。因此，需要掌握井筒的變形破壞規(guī)律，以便及時對井架及提升設(shè)備進(jìn)行測試和校正[20]。

2 立井開挖過程變形破壞規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為了模擬出副立井開挖過程中的圍巖變形規(guī)律，根據(jù)礦井實(shí)際條件及地層資料?？紤]圣維南原理，在FLAC3D軟件平臺下構(gòu)建地質(zhì)體數(shù)值模型尺寸為60 m ×60 m ×670 m，副井?dāng)?shù)值模型如圖1。水平方向邊界距離井口約為10 倍豎井半徑，研究礦井新生界松散層按其巖性組及剖面對比，自上而下可劃分為3 個含水層和3 個隔水層，應(yīng)力初始平衡如圖2，初始平衡時最大垂直應(yīng)力為16.7 MPa。

圖1 副井?dāng)?shù)值模型Fig.1 Numerical model of auxiliary shaft

圖2 應(yīng)力初始平衡Fig.2 Initial stress equilibrium

2.2 井筒垂向應(yīng)力-位移分布

開挖50 m 垂直方向云圖如圖3。從上至下開挖，首先開挖第1 層隔水層和含水層，向下開挖深度為50 m 時，所對應(yīng)的垂直方向應(yīng)力分布云圖如圖3（a），開挖區(qū)域在豎井底部出現(xiàn)應(yīng)力集中。由頂部至模型底部，垂直應(yīng)力逐漸增加，變化范圍為0.125 ～16.7 MPa。隨著埋深深度的增加，在同一巖層范圍內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)度增大。開挖50 m 垂直方向位移云圖如圖3（b），在豎井頂部由于應(yīng)力集中出現(xiàn)明顯的壓縮變形，最大變形到達(dá)34.54 mm，底鼓現(xiàn)象明顯，由上而下位移變化逐漸減小。

圖3 開挖50 m 垂直方向云圖Fig.3 Cloud images in vertical direction of excavation at 50 m

繼續(xù)向下開挖190 m，開挖第四系新近系的整個含水層和隔水層，開挖總深度至240 m 時所對應(yīng)的垂直方向應(yīng)力和位移分布云圖如圖4。

圖4 開挖240 m 垂直方向云圖Fig.4 Vertical cloud images of excavation at 240 m

當(dāng)豎井開挖至600 m 時，垂直方向云圖如圖5，最大應(yīng)力達(dá)到16.1 MPa，井筒底部應(yīng)力集中明顯，最大位移下沉量達(dá)到41 mm。受到垂直方向應(yīng)力和水平方向側(cè)壓應(yīng)力的作用，底鼓現(xiàn)象不明顯，出現(xiàn)下沉。

圖5 開挖600 m 的垂直方向云圖Fig.5 Vertical cloud images of excavation at 600 m

2.3 井筒水平方向應(yīng)力-位移分布

開挖深度為50 m 時所對應(yīng)的水平方向（徑向）應(yīng)力和位移分布如圖6。由圖6 可知剛開挖時井筒受到水平自重應(yīng)力影響，沿著開挖深度應(yīng)力逐漸變大，井壁受到的拉應(yīng)力減少為0。此時水平方向位移變化較小，向井壁兩側(cè)內(nèi)移最大0.34 mm。隨著開挖進(jìn)行，井筒底部出現(xiàn)應(yīng)力集中最明顯，使得底部巖土層產(chǎn)生壓縮現(xiàn)象。

圖6 開挖50 m 水平方向云圖Fig.6 Horizontal cloud images of excavation at 50 m

開挖深度為240 m 時所對應(yīng)的水平方向應(yīng)力和位移分布云圖如圖7。當(dāng)深度開挖至240 m 時，井筒模型受到上覆自重和水平側(cè)向壓力的作用，最大水平側(cè)向應(yīng)力達(dá)到7.9 MPa。水平方向位移隨著開挖深度的增加，位移在逐漸變大。井筒底部應(yīng)力集中明顯，初始開挖時伴隨底鼓現(xiàn)象，兩側(cè)位移不明顯。開挖600 m 水平方向云圖如圖8，隨著開挖深度的增加，壓縮現(xiàn)象不明顯。

圖7 開挖240 m 水平方向云圖Fig.7 Horizontal cloud images of excavation at 240 m

圖8 開挖600 m 水平方向云圖Fig.8 Horizontal cloud images of excavation at 600 m

2.4 井筒兩向位移變化規(guī)律分析

以上分別記錄了開挖50 m 和240 m 的垂直方向和水平方向應(yīng)力及位移變化情況。逐層往下繼續(xù)開挖，直至埋深670 m 時，沿井壁每隔10 m 布置1個測點(diǎn)分別得到不同埋深距離井筒的豎向和水平方向位移變化情況。逐層進(jìn)行開挖，當(dāng)挖到埋深670 m，得到的井筒徑直方向和垂直方向位移隨深度的變化曲線如圖9 和圖10。

圖9 不同深度井筒水平（徑向）位移分布Fig.9 Horizontal（radial）displacement distribution of shaft at different depths

圖10 不同深度井筒垂直位移分布Fig.10 Vertical displacement distribution of shaft at different depths

由圖9 可知，水平（徑向）位移變化隨著井筒開挖深度逐漸增大，呈非線性遞增趨勢。在開挖深度小于300 m 范圍時，井筒水平位移近似線性增大，最大位移到達(dá)1.94 mm。在300～400 m 范圍，水平位移出現(xiàn)小范圍減小波動趨勢，變化幅度相對增大。開挖深度超過400 m 時，位移繼續(xù)逐漸增大，最終在600 m 左右降低穩(wěn)定在3 mm 左右。在井筒開挖過程中，受到筒壁側(cè)向壓力影響，水平位移呈現(xiàn)增大趨勢，深度不同，位移變化趨勢不同。

由圖10 可知，當(dāng)深度為250 m 時，豎向位移隨著開挖深度逐漸增大至18.6 mm。深度在250～400 m 范圍時，豎向位移先減小后增大，整體呈上升趨勢。深度超過400 m 范圍，巖層由表土層向基巖轉(zhuǎn)化，巖性變好，垂直方向位移開始逐漸減小，最終減少至9.8 mm，位移變化趨勢整體逐漸遞減。高地應(yīng)力的存在使得開挖深度越深時，垂直位移變化越明顯。當(dāng)開挖深度到達(dá)一定范圍時，位移變化趨勢逐漸趨于穩(wěn)定值上下波動。

3 井壁變形光纖光柵監(jiān)測

光纖光柵傳感技術(shù)是當(dāng)今傳感技術(shù)發(fā)展的最新成果，它具有無源本質(zhì)安全防爆、無電磁干擾、長距離信號傳輸、長期穩(wěn)定性好、多參量并行檢測等顯著優(yōu)勢，已在橋梁、隧道、石化、電力、煤礦等行業(yè)廣泛應(yīng)用。

FBGI001 系列光纖光柵分析儀是1 種高性能光纖傳感分析設(shè)備，通道數(shù)客戶可以任意定制，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。采用光纖光柵混凝土埋入式應(yīng)變傳感器對副井井壁監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，埋入式光纖光柵監(jiān)測傳感器原理圖如圖11。

圖11 埋入式光纖光柵監(jiān)測傳感器原理圖Fig.11 Schematic diagram of embedded fiber grating monitoring sensor

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)副井井壁受力薄弱處情況，選擇沿井筒軸向設(shè)置監(jiān)測斷面，監(jiān)測井壁的豎向和環(huán)向應(yīng)變，分析監(jiān)測井壁混凝土的受力情況，掌握井壁的實(shí)時工作狀態(tài)。根據(jù)情況，在考慮對井壁結(jié)構(gòu)影響最小的情況下采取內(nèi)層井壁掏槽埋入傳感器的方式進(jìn)行測試。

井筒偏斜量是井筒結(jié)構(gòu)監(jiān)測的1 個重點(diǎn)也是難點(diǎn)，目前已有井筒偏斜測量方法均無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、自動和實(shí)時采集，近年來，隨著測量儀器技術(shù)的快速發(fā)展，為井筒偏斜自動化測量提供了1 種新方法：傾角傳感器測量井筒偏斜。該方法測量基本原理：以立井井筒底部基巖為基點(diǎn)，當(dāng)井壁在附加應(yīng)力的作用下發(fā)生偏斜時，通過傾角傳感器測得測點(diǎn)傾角，通過計(jì)算可得到測量段井筒的偏斜量。通過分段測量井筒軸向的偏斜量，最后綜合起來可擬合得到整個井筒測量段的偏斜曲線。與傳統(tǒng)測量方法相比，利用傾角傳感器能夠直接測出井筒各個位置相對位移的變化情況。

擬選用傾角傳感器能夠測量井筒沿中心線方向傾斜角度變化量，分辨率為0.001°，全量程范圍精度0.002°，溫漂0.001°/℃，防護(hù)等級IP67，能夠在-30～85 ℃環(huán)境下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 測點(diǎn)布置

設(shè)計(jì)沿井筒軸向方向-100～-460 m 共設(shè)置7 個監(jiān)測斷面，選取井壁設(shè)計(jì)變徑及受力變化處布置儀器，分別是-100、-160、-220、-270、-330、-430、-460 m。每個水平斷面設(shè)置5 個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)布置豎向和環(huán)向2 個光柵應(yīng)變計(jì)，每層共布置10 個應(yīng)變計(jì)；副井同樣需布置70 個應(yīng)變傳感器。由于各層監(jiān)測數(shù)據(jù)較多，因此僅以變形最嚴(yán)重的-100 m 水平為例進(jìn)行說明。

3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.3.1 應(yīng) 變

-100 m 水平應(yīng)變及溫度隨監(jiān)測時間的變化曲線如圖12，其中測點(diǎn)L2-1x、L2-1y 為靠近梯子間東北側(cè)，L2-2x、L2-2y為井筒圓周東南側(cè)，L2-3x、L2-3y為西南側(cè)測點(diǎn)，L2-4x、L2-4y為西側(cè)，L2-5x、L2-5y 為靠近梯子間處偏西北處。

圖12（a）表明-100 m 斷面測點(diǎn)水平方向應(yīng)變變化趨勢均為前期劇烈，隨后逐漸趨于平穩(wěn)，5 個測點(diǎn)整體變化趨勢基本一致，各曲線拐點(diǎn)發(fā)生的時間基本相同，只是峰值不盡相同。由變化曲線知，東北處測點(diǎn)（編號L2-1x）在安裝7 d 時應(yīng)變值最大，應(yīng)變值達(dá)到213×10-6，而后應(yīng)變數(shù)值呈現(xiàn)出上下浮動，應(yīng)變值也持續(xù)變??；東南處測點(diǎn)（L2-2x）變化與東北處測點(diǎn)一致，7 d 時最大拉應(yīng)變197×10-6；西南處測點(diǎn)（L2-3x）應(yīng)變數(shù)值最小，7 d 時最大拉應(yīng)變190×10-6；西側(cè)（L2-4x）前期數(shù)值不大，但監(jiān)測到30 d 時，峰值較其他4 點(diǎn)大，監(jiān)測到65 d 時，最大拉應(yīng)變205×10-6，監(jiān)測到75 d 時，應(yīng)變值為150×10-6；西北側(cè)（L2-5x）總體數(shù)據(jù)較西南處測點(diǎn)（L2-3x）略大，最大拉應(yīng)變178×10-6。

圖12（b）表明-100 m 斷面測點(diǎn)豎直方向應(yīng)變變化趨勢與水平方向變化基本一致，監(jiān)測40 d 時，東北處測點(diǎn)（編號L2-1x）開始出現(xiàn)壓應(yīng)變，且以壓應(yīng)變?yōu)橹?，?55 d 時壓應(yīng)變達(dá)到-141×10-6，西北側(cè)（L2-5x）監(jiān)測50 d 左右時也開始出現(xiàn)壓應(yīng)變；而南側(cè)及西側(cè)3 個測點(diǎn)為拉應(yīng)變，且西側(cè)測點(diǎn)40 d 時拉應(yīng)變最大約200×10-6，變化規(guī)律基本相同，數(shù)值上L2-2y測點(diǎn)數(shù)值較大，L2-3y次之，L2-4y最小。

圖12 -100 m 斷面應(yīng)變測試結(jié)果曲線Fig.12 -100 m section strain test results curves

圖12（c）表明井筒井壁的溫度變化趨勢，在選取的時間范圍內(nèi)，溫度上下浮動，比較應(yīng)變曲線與溫度曲線，發(fā)現(xiàn)三者變化趨勢基本一致。

可以看出該水平5 個測點(diǎn)整體變化趨勢基本一致，水平方向主要為拉應(yīng)變，豎直方向2 個測點(diǎn)監(jiān)測后期開始表現(xiàn)為壓應(yīng)變（主要是東北測點(diǎn)，西北次之），其他3 個測點(diǎn)為拉應(yīng)變；比較水平和豎直方向應(yīng)變變化趨勢與井壁溫度變化情況，可以得出應(yīng)變變化與井壁溫度變化趨勢一致，可推測由于溫度變化造成混凝土井壁受力發(fā)生變化，從而反映在混凝土應(yīng)變數(shù)值發(fā)生變化。

3.3.2 偏 斜

-100 m 水平3 個方向的偏斜值監(jiān)測結(jié)果如圖13。其中L2-1x、L2-1y為靠近梯子間東北側(cè)，L2-2x、L2-2y 為井筒圓周東南側(cè)，L2-3x、L2-3y為西南側(cè)測點(diǎn)，L2-4x、L2-4y為西北側(cè)。

圖13（a）表明-100 m 處4 個測點(diǎn)變化趨勢基本一致。由變化曲線知，在以-460 m 為基準(zhǔn)點(diǎn)時，該層?xùn)|北處測點(diǎn)（編號L2-1x）傾斜值最大，傾斜值73 d時達(dá)到0.116 m；x 軸負(fù)向上偏斜值最大為L2-4x監(jiān)測34 d 時的-0.147 m。

圖13 -100 m 斷面井筒偏斜測試結(jié)果曲線Fig.13 -100 m section shaft deflection test result curves

圖13（b）表明-100 m 斷面測點(diǎn)除L2-1y 偏斜量（最大偏斜量0.214 m）較大外，其他3 個測點(diǎn)的數(shù)值均較小，最大為L2-3y的-0.079 m，整體數(shù)值較小。由L2-1y的偏斜方向可知，井筒在此段上向北偏斜。

圖13（c）為x 軸和y 軸方向上偏斜量的合成，即z 軸向的偏斜量，由曲線知，L2-1 方向偏斜值較大，73 d 最大值達(dá)到了0.243 m，且根據(jù)正負(fù)號規(guī)定方向，可知，同樣地，該測點(diǎn)向東北方向偏斜。其他3個測點(diǎn)，z 軸最大偏斜量約為0.08 m 及以下。

圖13（d）為z 軸方向上偏斜率，其變化規(guī)律與圖13（c）基本呈線性關(guān)系，L2-4 方向偏斜率最大，73 d 最大值達(dá)到了0.695‰，監(jiān)測后期，其他3 個測點(diǎn)，z 軸最大偏斜率為L2-3 的0.243‰。

對比分析x 軸和y 軸方向偏斜值變化趨勢與井壁溫度變化情況，可以得出其同樣受到井壁溫度變化的影響。同時根據(jù)分析，監(jiān)測后期該段井筒1 號測點(diǎn)偏斜值最大，建議后期要加強(qiáng)該測點(diǎn)監(jiān)測。其他測點(diǎn)偏斜值較小，因此總體而言，監(jiān)測期內(nèi)井筒井壁結(jié)構(gòu)是安全的，混凝土受力監(jiān)測值總體上在安全允許范圍內(nèi)，井壁結(jié)構(gòu)保持安全穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 語

1）水平位移變化隨著井筒開挖深度逐漸增大，呈非線性遞增趨勢，在開挖深度小于300 m 范圍時，井筒水平位移近似線性增大，最大位移到達(dá)1.94 mm；在300～400 m 范圍，水平位移出現(xiàn)小范圍減小波動趨勢，變化幅度相對增大。開挖深度超過400 m時，位移繼續(xù)逐漸增大，最終在600 m 左右降低穩(wěn)定在3 mm 左右。

2）當(dāng)井筒開挖深度為250 m 時，豎向位移隨著開挖深度逐漸增大至18.6 mm；250～400 m 范圍時，豎向位移先減小后增大，整體呈上升趨勢；深度超過400 m 范圍，巖層由表土層向基巖轉(zhuǎn)化，巖性變好，垂直方向位移開始逐漸減小，最終減少至9.8 mm，位移變化趨勢整體逐漸遞減。

3）井壁應(yīng)變主要受到井壁溫度變化的影響結(jié)果呈現(xiàn)出拉、壓應(yīng)變來回交替變化趨勢，均在安全允許范圍之內(nèi)。監(jiān)測后期該段井筒測點(diǎn)1 的偏斜值最大，建議后期要加強(qiáng)該測點(diǎn)監(jiān)測，而其他測點(diǎn)偏斜值較小，因此總體而言，監(jiān)測期內(nèi)井筒井壁結(jié)構(gòu)是安全的。