采空區新填覆土壓力作用下廢棄立井力學性能研究

丁新 竇國濤 黃勇博 萬戰勝 董清志

摘? 要：為揭示新建公路所導致的新填覆土對廢棄立井力學性能的影響，該文采用ANSYS進行模擬計算，研究不同覆土厚度和井壁厚度工況下廢棄立井力學性能。研究結果表明，當井壁厚度相同時，隨著覆土厚度的增厚，廢棄立井井壁水平向位移極值也隨之增大，當新填覆土厚度相同時，廢棄立井井壁水平向位移極值隨井壁厚度的增大而減小，最大水平向位移均在廢棄立井底部區域；當井壁厚度相同時，隨著覆土的增厚，廢棄立井井壁第一主應力極值也隨之增大，當新填覆土厚度相同時，廢棄立井井壁第一主應力極值隨井壁厚度的增大而減小，廢棄立井混凝土大部分處于受壓狀態，廢棄立井底部內側混凝土處于受拉狀態。

關鍵詞：采空區；公路；廢棄立井；側土壓力；混凝土

中圖分類號：TD353? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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年以來，礦產資源的大規模開采推動了河南省經濟的快速發展，由于礦產開采后留下大量的廢棄井口未得到有效密實充填，一般僅做簡單的棚蓋處理[1-4]。由于路網規劃的需求，很多路線走廊不得不壓伏廢棄采礦立井，這嚴重阻礙了公路的修建，制約了區域的經濟發展。

當公路通過廢棄立井時，新填覆土將導致廢棄立井井壁側土壓力增大，由于受力條件的改變，廢棄立井是否安全需要進一步研究。

針對立井力學性能研究方面，趙靜[5]為解決淮南顧北礦副井深厚表土層凍結法鑿井出現的技術難題，在施工過程中對凍結壁井幫及外層井壁的溫度和受力過程進行現場監測，獲取了凍結井壁溫度、受力、凍結壓力的實測數據，分析得出深厚表土層凍結壓力和井壁受力的變化規律。張建俊等[6]為探明深部圍巖壓力作用下混凝土井壁的受力特征，將井筒周圍不均勻側壓力分為均布荷載和非均布荷載2部分，利用疊加原理將兩者對井筒受力的影響相加，獲得井壁受力公式，并通過分析不同厚徑比和不均勻側壓系數條件下井壁不同位置和極值點的受力變化，揭示了厚徑比和不均勻側壓系數對井壁受力的影響規律，提出了相應的不均勻側壓條件下井壁結構設計計算的主要原則和程序。羅靜等[7]研究了深厚表土不穩定地層井壁破裂機理，設計的大型井壁受力模擬試驗系統可實現土體與井壁界面剪切試驗、高應力下含水層的疏排水沉降試驗等，可實現如井壁、樁體等圓柱形地質構件的力學邊界的模擬，并運用有限元分析對油缸結構做了進一步優化。耿雪峰[8]研究了利用地面造斜鉆孔對已封閉井口的井筒全部進行回填，滿足礦井安全開采要求。祁新波等[9]采用分階段全井筒封閉回填方式對其主副立井進行封堵處理，嚴格封堵階段的施工管理，確保封堵質量，消除了隱患威脅，為礦井后期順利安全回采提供了保障。宋曉雷[10]針對回風順槽揭露廢棄立井引起的冒頂隱患和頂板淋水問題，設計了采用底部抗沖擊底座、中部“矸石+充填材料”膠結、頂部混凝土封頂綜合方案，起到了良好的效果。卞超等[11]研究VSM沉井井壁受力變化規律，結合施工工藝特點對VSM沉井的下沉過程及受力特性進行了分析。王建州等[12]針對井壁和圍巖的共同承載特征，建立空間軸對稱彈性力學模型；通過將模型分解，分別求解各子模型下的應力解答，隨后將各子模型下的應力解答疊加，得到井壁圍巖共同承載空間彈性力學模型的解答。李碩等[13]為解決深厚表土層中混凝土井壁支護難題，采用ANSYS有限元軟件對比分析混雜纖維高強度混凝土井壁和普通高強度混凝土井壁在表土層厚度200～600 m范圍變化時的變形和受力情況。

目前，針對新建公路通過廢棄立井研究文獻較少，因此，本文展開了新建公路所導致的新填覆土對廢棄立井力學性能影響的研究。

1? 工程背景

G310國道鄭州市西南段進行升級改造時，發現此區域歷史上存在大量的小煤礦，開采后留下的廢棄井口，如圖1所示，未得到有效處理，此問題嚴重影響公路的正常施工，并給公路的安全運行埋下安全隱患。

該廢棄立井內徑為3.4 m，壁厚0.6 m，混凝土等級為C25，經現場實際測量深度約為113 m。

2? 有限元模擬

2.1? 工況設置

本文在上述實際工程背景基礎上，從以下2個因素進行分析：①新填覆土的厚度，設置新填覆土的厚度為0、5、10和15 m；②井壁的厚度，設置井壁厚度為0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 m，如圖2所示，共設置以下20種工況，見表1。

圖1? 廢棄立井現場圖

圖2? 工況設置圖

表1? 工況設置

2.2? 模型建立

混凝土采用C25混凝土，受力時有限元建模時，其參數取值見表2，單元采用實體單元solid65。土體為黏土，其參數見表3，新加填土通過轉換成荷載進行模擬，見表4。

3? 結果分析

3.1? 水平向位移對比分析

3.1.1? 水平向位移極值對比

如圖3所示，為不同工況下廢棄立井水平向位移極值對比圖，分析圖3中數據可知，當井壁厚度相同時，隨著覆土的增厚，廢棄立井井壁水平向位移極值也隨之增大，當井壁厚度為0.2 m時，工況四（覆土厚度15 m）的水平向位移極值為工況一（覆土厚度為0 m）的1.147倍；當井壁厚度為0.6 m時，工況二十（覆土厚度15 m）的水平向位移極值為工況十七（覆土厚度為0 m）的1.167倍。當新填覆土厚度相同時，廢棄立井井壁水平向位移極值隨井壁厚度的增大而減小，當覆土厚度為15 m時，工況二十（井壁厚度為0.6 m）的水平向位移極值為工況四（井壁厚度為0.2 m）的0.31。

表2? 混凝土物理參數

表4? 立井側土壓力（不同填土厚度）

圖3? 不同工況下水平向位移極值對比圖

3.1.2? 水平向位移云圖對比分析

工況十七—工況二十的水平向位移云圖如圖4所示，分析圖4中數據可知，最大水平向位移均在廢棄立井底部區域，這是由于廢棄立井的側土壓力隨著土體深度的增大而增大。

3.2? 第一主應力對比分析

3.2.1? 第一主應力極值對比

圖5為不同工況下廢棄立井第一主應力極值對比圖，分析圖5中數據可知，當井壁厚度相同時，隨著覆土的增厚，廢棄立井井壁第一主應力極值也隨之增大，當井壁厚度為0.2 m時，工況四（覆土厚度15 m）的第一主應力極值為工況一（覆土厚度為0 m）的1.216倍；當井壁厚度為0.6 m時，工況二十（覆土厚度15 m）的第一主應力極值為工況十七（覆土厚度為0 m）的145.78倍。當新填覆土厚度相同時，廢棄立井井壁第一主應力極值隨井壁厚度的增大而減小，當覆土厚度為15 m時，工況二十（井壁厚度為0.6 m）的第一主應力極值為工況四（井壁厚度為0.2 m）的0.054。

圖5? 不同工況下第一主應力極值對比圖

3.2.2? 第一主應力云圖對比

工況十七—工況二十的第一主應力云圖如圖6所示，分析圖6中數據可知，廢棄立井混凝土大部分處于受壓狀態，廢棄立井底部內側混凝土處于受拉狀態，這是由于底部側土壓力大，擠壓井底，導致內部受拉。

4? 結論

本文研究了新建公路所導致的新填覆土對廢棄立井力學性能影響，并得到了如下結論。

1）當井壁厚度相同時，隨著覆土厚度的增厚，廢棄立井井壁水平向位移極值也隨之增大，覆土厚度15 m的水平向位移極值為覆土厚度為0 m的1.147倍。

2）當新填覆土厚度相同時，廢棄立井井壁水平向位移極值隨井壁厚度的增大而減小，最大水平向位移均在廢棄立井底部區域。

3）當井壁厚度相同時，隨著覆土的增厚，廢棄立井井壁第一主應力極值也隨之增大，當新填覆土厚度相同時，廢棄立井井壁第一主應力極值隨井壁厚度的增大而減小。

4）廢棄立井混凝土大部分處于受壓狀態，廢棄立井底部內側混凝土處于受拉狀態。

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