采空区新填覆土压力作用下废弃立井力学性能研究

丁新 窦国涛 黄勇博 万战胜 董清志

摘  要：为揭示新建公路所导致的新填覆土对废弃立井力学性能的影响，该文采用ANSYS进行模拟计算，研究不同覆土厚度和井壁厚度工况下废弃立井力学性能。研究结果表明，当井壁厚度相同时，随着覆土厚度的增厚，废弃立井井壁水平向位移极值也随之增大，当新填覆土厚度相同时，废弃立井井壁水平向位移极值随井壁厚度的增大而减小，最大水平向位移均在废弃立井底部区域；当井壁厚度相同时，随着覆土的增厚，废弃立井井壁第一主应力极值也随之增大，当新填覆土厚度相同时，废弃立井井壁第一主应力极值随井壁厚度的增大而减小，废弃立井混凝土大部分处于受压状态，废弃立井底部内侧混凝土处于受拉状态。

关键词：采空区；公路；废弃立井；侧土压力；混凝土

中图分类号：TD353      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）10-0067-04

Abstract： In order to reveal the impact of newly filled soil on the mechanical properties of abandoned shafts caused by the construction of new highways， this paper used ANSYS to simulate and calculate the mechanical properties of abandoned shafts under different soil cover thicknesses and shaft wall thicknesses. The research results showed that， when the thickness of shaft wall is the same， the extreme value of horizontal displacement of abandoned shaft wall increases with the increase of soil thickness， and when the thickness of newly filled soil is the same， the extreme value of horizontal displacement of abandoned shaft wall increases. The extreme value of horizontal displacement of abandoned shaft wall decreases with the increase of sidewall thickness， and the maximum horizontal displacement is at the bottom of abandoned shaft. When the thickness of the shaft wall is the same， the extreme value of the first principal stress of the abandoned shaft wall increases with the thickening of the covered soil， and when the thickness of the newly filled soil is the same， the extreme value of the first principal stress of the abandoned shaft wall decreases with the increase of the shaft wall thickness; most of the abandoned shaft concrete is in the compression state， and the inner concrete at the bottom of the abandoned shaft is in the tensile state.

Keywords： goaf; highway; abandoned shaft; lateral earth pressure; concrete

1950年以来，矿产资源的大规模开采推动了河南省经济的快速发展，由于矿产开采后留下大量的废弃井口未得到有效密实充填，一般仅做简单的棚盖处理[1-4]。由于路网规划的需求，很多路线走廊不得不压伏废弃采矿立井，这严重阻碍了公路的修建，制约了区域的经济发展。

当公路通过废弃立井时，新填覆土将导致废弃立井井壁侧土压力增大，由于受力条件的改变，废弃立井是否安全需要进一步研究。

针对立井力学性能研究方面，赵静[5]为解决淮南顾北矿副井深厚表土层冻结法凿井出现的技术难题，在施工过程中对冻结壁井帮及外层井壁的温度和受力过程进行现场监测，获取了冻结井壁溫度、受力、冻结压力的实测数据，分析得出深厚表土层冻结压力和井壁受力的变化规律。张建俊等[6]为探明深部围岩压力作用下混凝土井壁的受力特征，将井筒周围不均匀侧压力分为均布荷载和非均布荷载2部分，利用叠加原理将两者对井筒受力的影响相加，获得井壁受力公式，并通过分析不同厚径比和不均匀侧压系数条件下井壁不同位置和极值点的受力变化，揭示了厚径比和不均匀侧压系数对井壁受力的影响规律，提出了相应的不均匀侧压条件下井壁结构设计计算的主要原则和程序。罗静等[7]研究了深厚表土不稳定地层井壁破裂机理，设计的大型井壁受力模拟试验系统可实现土体与井壁界面剪切试验、高应力下含水层的疏排水沉降试验等，可实现如井壁、桩体等圆柱形地质构件的力学边界的模拟，并运用有限元分析对油缸结构做了进一步优化。耿雪峰[8]研究了利用地面造斜钻孔对已封闭井口的井筒全部进行回填，满足矿井安全开采要求。祁新波等[9]采用分阶段全井筒封闭回填方式对其主副立井进行封堵处理，严格封堵阶段的施工管理，确保封堵质量，消除了隐患威胁，为矿井后期顺利安全回采提供了保障。宋晓雷[10]针对回风顺槽揭露废弃立井引起的冒顶隐患和顶板淋水问题，设计了采用底部抗冲击底座、中部“矸石+充填材料”胶结、顶部混凝土封顶综合方案，起到了良好的效果。卞超等[11]研究VSM沉井井壁受力变化规律，结合施工工艺特点对VSM沉井的下沉过程及受力特性进行了分析。王建州等[12]针对井壁和围岩的共同承载特征，建立空间轴对称弹性力学模型；通过将模型分解，分别求解各子模型下的应力解答，随后将各子模型下的应力解答叠加，得到井壁围岩共同承载空间弹性力学模型的解答。李硕等[13]为解决深厚表土层中混凝土井壁支护难题，采用ANSYS有限元软件对比分析混杂纤维高强度混凝土井壁和普通高强度混凝土井壁在表土层厚度200～600 m范围变化时的变形和受力情况。

目前，针对新建公路通过废弃立井研究文献较少，因此，本文展开了新建公路所导致的新填覆土对废弃立井力学性能影响的研究。

1  工程背景

G310国道郑州市西南段进行升级改造时，发现此区域历史上存在大量的小煤矿，开采后留下的废弃井口，如图1所示，未得到有效处理，此问题严重影响公路的正常施工，并给公路的安全运行埋下安全隐患。

该废弃立井内径为3.4 m，壁厚0.6 m，混凝土等级为C25，经现场实际测量深度约为113 m。

2  有限元模拟

2.1  工况设置

本文在上述实际工程背景基础上，从以下2个因素进行分析：①新填覆土的厚度，设置新填覆土的厚度为0、5、10和15 m；②井壁的厚度，设置井壁厚度为0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 m，如图2所示，共设置以下20种工况，见表1。

图1  废弃立井现场图

图2  工况设置图

表1  工况设置

2.2  模型建立

混凝土采用C25混凝土，受力时有限元建模时，其参数取值见表2，单元采用实体单元solid65。土体为黏土，其参数见表3，新加填土通过转换成荷载进行模拟，见表4。

3  结果分析

3.1  水平向位移对比分析

3.1.1  水平向位移极值对比

如图3所示，为不同工况下废弃立井水平向位移极值对比图，分析图3中数据可知，当井壁厚度相同时，随着覆土的增厚，废弃立井井壁水平向位移极值也随之增大，当井壁厚度为0.2 m时，工况四（覆土厚度15 m）的水平向位移极值为工况一（覆土厚度为0 m）的1.147倍；当井壁厚度为0.6 m时，工况二十（覆土厚度15 m）的水平向位移极值为工况十七（覆土厚度为0 m）的1.167倍。当新填覆土厚度相同时，废弃立井井壁水平向位移极值随井壁厚度的增大而减小，当覆土厚度为15 m时，工况二十（井壁厚度为0.6 m）的水平向位移极值为工况四（井壁厚度为0.2 m）的0.31。

表2  混凝土物理参数

表4  立井侧土压力（不同填土厚度）

图3  不同工况下水平向位移极值对比图

3.1.2  水平向位移云图对比分析

工况十七—工况二十的水平向位移云图如图4所示，分析图4中数据可知，最大水平向位移均在废弃立井底部区域，这是由于废弃立井的侧土压力随着土体深度的增大而增大。

3.2  第一主应力对比分析

3.2.1  第一主应力极值对比

图5为不同工况下废弃立井第一主应力极值对比图，分析图5中数据可知，当井壁厚度相同时，随着覆土的增厚，废弃立井井壁第一主应力极值也随之增大，当井壁厚度为0.2 m时，工况四（覆土厚度15 m）的第一主应力极值为工况一（覆土厚度为0 m）的1.216倍；当井壁厚度为0.6 m时，工况二十（覆土厚度15 m）的第一主应力极值为工况十七（覆土厚度为0 m）的145.78倍。当新填覆土厚度相同时，废弃立井井壁第一主应力极值随井壁厚度的增大而减小，当覆土厚度为15 m时，工况二十（井壁厚度为0.6 m）的第一主应力极值为工况四（井壁厚度为0.2 m）的0.054。

图5  不同工况下第一主应力极值对比图

3.2.2  第一主应力云图对比

工况十七—工况二十的第一主应力云图如图6所示，分析图6中数据可知，废弃立井混凝土大部分处于受压状态，废弃立井底部内侧混凝土处于受拉状态，这是由于底部側土压力大，挤压井底，导致内部受拉。

4  结论

本文研究了新建公路所导致的新填覆土对废弃立井力学性能影响，并得到了如下结论。

1）当井壁厚度相同时，随着覆土厚度的增厚，废弃立井井壁水平向位移极值也随之增大，覆土厚度15 m的水平向位移极值为覆土厚度为0 m的1.147倍。

2）当新填覆土厚度相同时，废弃立井井壁水平向位移极值随井壁厚度的增大而减小，最大水平向位移均在废弃立井底部区域。

3）当井壁厚度相同时，随着覆土的增厚，废弃立井井壁第一主应力极值也随之增大，当新填覆土厚度相同时，废弃立井井壁第一主应力极值随井壁厚度的增大而减小。

4）废弃立井混凝土大部分处于受压状态，废弃立井底部内侧混凝土处于受拉状态。

参考文献：

[1] 田奎生，王艳霞.河南省煤矿采空区塌陷灾害治理方法研究[M].郑州：黄河水利出版社，2010.

[2] 毋存粮，叶雨山，杨利民，等.下伏采空区道路修筑技术研究与应用[M].北京：科学出版社，2018.

[3] 黄春丽.采空区对高速公路路基变形的影响[J].交通运输研究，2014，42（16）：222-225.

[4] 岳爱军，郑健龙，吕松涛.采空区路基路面力学响应分析[J].长安大学学报，2014，34（6）：57-63，124.

[5] 赵静.顾北矿副井冻结井壁受力实测分析[J].煤矿安全，2014，45（5）：183-186.

[6] 张建俊，张向东，吴占军.不均匀侧压条件下井壁结构受力机理研究[J].广西大学学报（自然科学版），2014，39（2）：237-244.

[7] 罗静，李照元，刘希亮.大型井壁受力模拟试验系统环形加载油缸设计[J].煤矿机械，2016，37（7）：7-10.

[8] 耿雪峰.已封闭的废弃立井回填方案探讨[J].内燃机与配件，2017（9）：151-153.

[9] 祁新波，毛维林.煤矿废弃立井井筒封堵方案[J].山东煤炭科技，2019（9）：13-15.

[10] 宋晓雷.赵庄煤业废弃立井快速回填技术研究[J].山东煤炭科技，2020（11）：37-42.

[11] 卞超，冯旭海，王建平.VSM沉井下沉过程井壁受力规律研究[J].煤炭工程，2021，53（2）：41-47.

[12] 王建州，周扬，刘文民，等.考虑围岩共同承载作用时井壁受力响应空间弹性力学分析[J].建井技术，2022，43（5）：54-61.

[13] 李硕，罗运军，秦本东，等．疏排水沉降地层高性能混杂纤维混凝土井壁受力特征研究[J].煤矿安全，2022，53（4）：216-223.