基于安全系数的深厚表土层双层钢筋混凝土井壁破坏机理及安全评价

国内图书分类号：TD265.32国际图书分类号：硕士学位论文基于安全系数的深厚表土层双层钢筋混凝土井壁破坏机理及安全评价硕士研究生：鲁文超导师姓名：王在泉教授申请学位级别：工学硕士学科、专业：岩土工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2014年12月学位授予单位：青岛理工大学 ClassifiedIndex：TD265.32U.D.C：DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSAFETYEVALUATIONANDFAILUREMECHANISMOFDOUBLELAYERREINFORCEDCONCRETESHAFTLININGBASEDONSAFETYFACTORCandidate:LuWenchaoSupervisor:Prof.WangZaiquanAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:GeotechnicalEngineeringDateofOralExamination:December2014University:QingdaoTechnologicalUniversity 青岛理工大学工学硕士学位论文目录摘要........................................................................................................................IAbstract.........................................................................................................................II第1章绪论...............................................................................................................11.1问题提出.........................................................................................................11.2研究现状.........................................................................................................11.2.1立井井壁破坏原因及破坏特点研究现状...........................................11.2.2含水层疏水沉降及立井井壁内外温差引起井壁破裂研究现状.......21.2.3立井井壁监测与安全评价研究现状...................................................71.2.4安全系数研究现状...............................................................................81.3研究目的及意义.............................................................................................91.4研究内容与技术路线.....................................................................................91.4.1研究内容...............................................................................................91.4.2技术路线...............................................................................................9第2章双层钢筋混凝土井壁的破坏机理.............................................................112.1双层钢筋混凝土井壁的设计原理...............................................................112.2双层钢筋混凝土井壁破坏的传统数值模拟................................................112.2.1模型建立.............................................................................................112.2.2模拟结果分析.....................................................................................122.3基于强度折减安全系数的双层钢筋混凝土井壁稳定性评价....................212.3.1安全系数定义及确定方法.................................................................211.安全系数定义............................................................................................212.安全系数的确定方法................................................................................222.4双层钢筋混凝土井壁安全系数的确定........................................................232.4.1安全系数的数值计算.........................................................................232.4.2安全系数随附加力的变化规律.........................................................232.5本章小结.......................................................................................................24第3章温度应力、疏水附加力对双层钢筋混凝土井壁安全系数影响分析.....26I 青岛理工大学工学硕士学位论文3.1温度应力数值模拟.......................................................................................263.1.1温度应力简述.....................................................................................263.1.2济宁三号煤矿主井的水文地质资料及气象资料.............................263.1.3温度应力的数值计算.........................................................................273.1.4温差对温度应力的影响.....................................................................293.2温度应力、疏水附加力相互耦合对井壁安全系数的影响.......................323.2.1安全系数、混凝土竖向应变随疏水附加力的变化规律..................323.3.2安全系数、混凝土竖向应变随温差的变化规律..............................343.3本章小结.......................................................................................................36第4章基于济宁三号煤矿主井监测数据的安全性评价.....................................384.1济宁三号煤矿主井监测系统........................................................................384.1.1监测项目的确定...................................................................................384.1.2传感器的选择及水平分布.................................................................384.2济宁三号煤矿主井监测数据........................................................................404.3基于监测数据的济宁三号煤矿主井安全评价............................................414.4混凝土强度等级对双层钢筋混凝土井壁安全系数的影响........................464.5本章小结........................................................................................................48第5章结论与展望.................................................................................................495.1结论...............................................................................................................495.2展望...............................................................................................................49攻读硕士学位期间科研工作.....................................................................................55致谢.....................................................................................................................56II 青岛理工大学工学硕士学位论文摘要深厚表土层立井井壁处于复杂环境之中，周围环境因素的不断变化不可避免地影响到井壁力学状态。温度和地下水是影响立井井壁破裂的最主要因素，二者产生的井壁竖向附加力的是造成井壁破裂的主要原因。因此，研究温度和地下水变化对立井井壁力学状态的影响，分析在不同的温度和地下水条件下立井井壁的力学状态演化规律，对于深入认识井壁破裂的机理、防止井壁破裂、完善井壁结构设计理论均有十分重要的意义。论文以监测数据和ABAQUS数值模拟软件为基础，主要取得以下研究成果：(1)通过研究双层钢筋混凝土井壁在破坏荷载作用下，井壁内外两侧混凝土的应变、应力、塑性区和井壁内外两侧钢筋网的应力、塑性区，得到双层钢筋混凝土井壁破坏机理：内侧混凝土、内压筋、外侧混凝土、外压筋、内箍筋、外箍筋依次进入屈服，井壁完全破坏。(2)以内侧钢筋网竖向受压筋屈服为双层钢筋混凝土井壁破坏标志，得到双层钢筋混凝土井壁濒临破坏时的安全系数为1.1，此时沿井壁均匀分布的竖向附加力为95KPa。(3)以济宁三号煤矿主井的监测数据为基础，研究双层钢筋混凝土井壁的安全系数随疏水附加力、温度应力的变化规律，通过比较疏水附加力和温度应力对安全系数的影响，得出疏水附加力在双层钢筋网井壁破坏中占主要因素，温度应力是不可忽略因素。(4)井壁内侧温度为35℃（内外温差为20℃），疏水附加力为65KPa，各测点的模拟竖向附加应变与监测竖向附加应变基本相符，此时井壁的安全系数为1.2，济宁三号煤矿主井处于安全状态。(5)提高双层钢筋混凝土井壁中混凝土的强度，在降低内压筋的应力同时提高井壁的安全系数，从而增加双层钢筋混凝土井壁的安全储备。关键词:温度应力；疏水附加力；破裂机理；安全系数I 青岛理工大学工学硕士学位论文AbstractShaftliningindeepalluviumisincomplexenvironment,shaftliningisinevitableimpactedonthechangeofsurroundingenvironmentalfactors.Temperatureandgroundwaterarethemajorfactorsaffectingtheshaftliningrupture,shaftliningverticaladditionalforcegeneratedbytemperatureandgroundwateristhemainreasontocausetheshaftliningrupture.Therefore,studyontheshaftliningmechanicalstategeneratedbythechangeoftemperatureandgroungwater,analysisthemechanicalstateofshaftliningevolutionindifferenttemperatureareimportanttounderstandthemechanismofshaftliningrupture,preventtheruptureofshaftlining,improvethedesigntheoryofshaftlining.ThemainresearchworKbasedonthemonitoringdataandABAQUScanbesummarizedasfollow:(1)Throughstudingthestrain,stress,plasticzoneofconcreteandreinforcingmesh,inthedoublelayerreinforcedconcreteshaftliningatfailureload.Concludingtherupturemechanismofdoublelayerreinforcedconcreteshaftlining,whentheshaftliningfracture,theinnerconcrete,internalpressurebar,outsideconcrete,externalpressurebar,internalstirrup,externalstirrupyieldsinturn.(2)ConcludingthesafetyfactorofdoublelayerreinforcedconcreteshaftliningatbrinKdestructionis1.1,whentheverticaladditionalforceis95KPa,basedontheinternalpressurebaryieldasthesignofdoublelayerreinforcedconcreteshaftliningfailure.(3)Studingthesafetyfactorofdoublelayerreinforcedconcreteshaftliningwiththechangeofhydrophobicadditionalstressandtemperaturestress,basedonthemonitoringdataofJiningNo.3mainshaft.Bycomparingthehydrophobicadditionalstressandtemperaturestressinfluenceonsafetyfactor,drawingthehydrophobicadditionalstressisthemainfactortoshaftliningrupture,temperaturesressistheinevitablefactor.(4)Simulationofverticaladditionalstrainatmeasuringpointisconsistantwiththemonitoringverticaladditionalstrain,whentheshaftlininginsidetemperatureis35℃II 青岛理工大学工学硕士学位论文(insideandoutsidetemperatureis20℃)andhydrophobicadditionalstressis65KPa.JiningNo.3shaftinsafestatewithsafetyfactoris1.2.(5)Improvingthestrengthofconcreteindoublelayerreinforcedconcreteshaftlining,canreducetheinternalpressurebarstressandraisethesaftyfactoraswell,sothesafetyofdoublelayerreinforcedconcreteshaftliningincrease.Keywords:Temperaturestress;Hydrophobicadditionalstress;Failuremechanism;SafetyfactorIII 青岛理工大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1问题提出20世纪80年代以来至今，我国煤矿立井井壁破裂现象层出不穷。1987年至2004年底，在我国华东地区深厚表土层中建设的立井井筒遭受破坏的多达80多[1]个。井壁破裂的主要特征为：内壁混凝土破裂产生横向裂缝，裂缝水平发展形成水平环向裂缝，形成环状破裂带，混凝土局部成块或成片状剥落，纵向钢筋向内弯曲，环向钢筋间距减小，混凝土进一步破坏。破裂处伴有漏水、涌砂现象，引起地表沉降、井筒下沉，这种灾害轻者造成井壁变形破裂、渗水，重者造成卡罐、涌水涌砂，甚至停产（张双楼矿、临涣矿均停产2~8个月），不仅给煤矿安全生产带来严重隐患，也使煤矿企业承受巨大损失。仅兖州矿业集团公司鲍店煤[2]矿就因主、副井井壁破裂造成了6000万元的经济损失。我国华东地区是井壁破裂地质灾害的重灾区，涉及江苏、山东、安徽三省100多个矿井，分布在徐州、大屯、淮南、淮北、兖州五大煤田。立井井壁的破坏造成严重的经济损失和社会影响。1.2研究现状为解决立井井壁破裂问题，国内外专家学者经过多年潜心研究，在井壁破裂机理、特点、原因、过程、监测与治理方法等方面取得较大成就，对井壁安全评价及井壁风险治理做出了巨大贡献。1.2.1立井井壁破坏原因及破坏特点研究现状刘希亮、罗静通过对新构造运动学说、井壁施工质量学说、渗流变形学说、“三因素”综合学说及井壁附加力学说的分析与比较，得出井壁竖直附加力学说符合井壁的破裂现象，在井壁竖直附加力学派研究成果的基础上，提出了在理论[3]方面对竖直附加力变化规律进一步研究的方向及方法。李生生、梁化强结合数年来来对井壁破裂机理的研究成果，分析导致井壁破裂的主要因素是井壁竖直附加力，地质构造与运动、地震、井筒施工质量、井壁厚度不足等学说不能解释井壁破裂的现象。井壁竖直附加应力主要受温度变化和1 青岛理工大学工学硕士学位论文地下水位下降因素的影响；认为今后研究的重点为：井壁与表土层相互作用机理及两者间的本构模型、钢筋混凝土井壁中混凝土和钢筋的受力及应力应变变化规[4]律。孙亚娟、经来旺通过对黄淮地区井筒破裂现象分析：破裂大多发生在表土层与基岩交界面上下10m范围内；破裂多发生在5~8月；井壁破裂由内到外，混凝土剥落，钢筋屈服向井内弯曲，形成环状破裂带，破裂高度为1~10m；破裂时表土层水位明显下降，并伴有地表下沉。发现黄淮地区井筒破裂的位置、时间及形态大体相似，通过对破裂原因的理论分析，得到“表土沉降和温差所引起的负向[5]摩擦力是井筒破裂的重要致因”这一结论。张文泉、卢玉华以当前煤矿立井井壁破裂机理研究成果为基础，通过研究兖滕矿区立井井壁破裂的特征，分析兖滕矿区立井井壁破裂原因，总结兖腾矿区立井井壁破坏在破裂位置、破裂过程、破裂变形、井壁施工方法的相似性。以兴隆庄煤矿立井井壁破裂及治理措施为例，指出需进一步研究的内容，对立井井壁破[6]裂治理具有重要的指导意义。经来旺、高全臣等通过研究立井井壁破裂位置及破裂时间和矿区地下水位下降及季节温度变化之间的关系，分析立井井壁破裂的力学机理，确定预测井壁破裂时立井井壁应力作用规律。以兖州矿区鲍店煤矿风井破裂事故为例，验证该预[7]测理论的正确性与合理性，对立井井壁的监测及设计提供重要的参考依据。1.2.2含水层疏水沉降及立井井壁内外温差引起井壁破裂研究现状井壁附加力学说认为井壁破裂是由竖直附加力而引起的。表土层底部含水层疏排水、季节温度变化及冻结壁冻融产生竖直附加力,其中层底部含水层疏排水产生的竖直附加力是主要因素，季节温度变化产生的竖直附加力是不可忽视的因素。表土层底部含水层疏排水使土体的有效应力增加，土体变形增加，由于井壁与周围土体相互作用，在井壁外侧面产生一个方向向下的摩擦力，即疏水附加力；井壁外侧温度与周围土体相同，井壁内侧温度与井内环境温度一致，季节的温度变化使井壁内外两侧形成温度差，使井壁外侧面产生方向向下的摩擦力，即温度应力；冻结壁冻融时井壁周围土体融化，体积减小，土体相对于井壁下沉，井壁外侧面产生方向向下的摩擦力,即冻融附加力，但该力随土的松弛而减小。井壁自重、水平地压力、竖直附加力相互叠加，当井壁内的垂直应力成为第一主应力超2 青岛理工大学工学硕士学位论文过井壁混凝土强度时，立井井壁破裂。井壁附加力学说较好地解释了立井井壁破裂位置、破裂时间一致性，被大多数专家学者认同。刘希亮、罗静总结影响井壁竖直附加力的因素有：疏水层埋深、疏水层压缩变形量、土体的变形模量、井壁与土体界面的剪切强度、疏排水压降、季节温差、[3]井壁直径。刘金龙、陈陆望等基于弹性理论推导出立井内外壁温度差引起的温度应力解答式，通过对公式的分析得出：立井内壁温度高于外壁温度时，井壁内壁处的温度应力大于井壁外壁处的温度应力，温度应力使立井井壁内侧破裂先于外侧；通过对鲍店煤矿的具体分析，得出温度应力在立井井壁破裂所占权重大于重力所占权重，但小于疏排水所占权重；立井的弹性模量、泊松比、膨胀系数、立井深度、[8]立井井壁内外温差的增大使此温度应力增大。经来旺、李华龙通过对井筒中性层位置的研究，推导出确定中性层的位置的解析式；通过对温度应力场理论的研究，推导出由立井井壁内外温差产生的温度应力解析式；通过解析式求得红阳一矿副井中性层面上各应力的数值，得出温度应力所占比例大于重力所占比例、水平地压所占比例，认为由温差产生的温度应[9]力是立井井壁破裂的主要因素。黄家会、杨维好等通过对生产期间主井、副井和风井井壁温度的监测得出：进风井的井壁温度随风流温度的变化而变化，主井、副井的井壁温度可近似表示为以年为周期的正弦函数，最大温差为20℃，出风井井壁的全年温度变化量约2[10]℃，可近似忽略；井筒同测试水平、不同深度的传感器所测温度基本相同。何朋立、王在泉通过建立立井内、外壁温度差产生的温度自应力和径向膨胀受阻产生的温度应力解析式，对作用在井壁上的温度应力、自重应力、水平地压力和疏水附加力在井壁内产生的竖向应力分量进行了分析，结果表明：疏水附加力是导致井壁破裂的最主要因素，温度应力也是诱发井壁破裂的重要因素；对部分已经破裂井壁，在考虑温度应力影响后，基于井壁设计理论反演分析得到井壁外表面单位面积疏水附加力的值为36.22~73.64KPa；井壁内温度应力竖向分量随井壁内、外温度差增大而增大；随井壁厚度的增大，井壁内竖向附加应力明显[11]减小，而温度应力则无明显变化。孙亚娟分析温度应力对立井井壁受力的影响，建立轴向膨胀产生的温度应力3 青岛理工大学工学硕士学位论文计径向膨胀产生的温度应力解析式；以徐州矿务局一副井为例，得到夏季轴向膨胀产生的温度应力明显大于冬季轴向膨胀产生的温度应力，得出由温度变化产生的温度应力是井壁竖向附加应力的重要组成部分，是诱发井壁破裂的一个重要原[12]因。陈祥福、申明亮等利用ANSYS有限元软件建立了钢筋混凝土双层井壁三维整体式有限元模型，深入研究随着疏水附加力的变化，井壁破坏时的应力应变情况，塑性区的位置、破裂形态，破裂时间等一系列问题。得出立井井壁破坏出现在表土段与基岩交界面处，集中在井壁内侧，呈水平环状分布；建立了一套对立井井壁破裂进行预测的数值模拟方法，通过工程实例进行验证，对立井井壁安全评价[13]具有重要指导意义。姚直书通过研究立井井壁破裂的形态，认为竖向附加力是立井井壁破坏的直接原因，以弹塑性有限元程序为基础，建立符合井壁结构空间轴对称问题，经反算得到了地层沉陷时井壁承受竖向附加力的数值，可按沿井壁均匀分布考虑，数[14]值为0.1~0.128MPa。刘希亮通过分析底部含水层疏排水沉降、底部含水层水压降与竖直附加力之间的相互关系得出：底部含水层应变与底部含水层水压降呈线性相关，特征粒径和水压降影响底部含水层的压缩模量；井壁均匀竖向附加力与底部含水层竖直应变呈线性相关，井壁埋深和周围土质影响两者间的线性相关系数，根据线性相[15]关系数与井壁埋深得变化率，推荐以埋深150m作为浅、深立井的分界点。王长树、葛洪章通过对兖矿地区发生立井井壁破裂问题进行调查、治理与分析监测资料，认为表土层底部含水层疏排水沉降是井壁破裂的根源，当竖直附加应力与井壁自重应力叠加大于井壁混凝土的强度时井壁开始破裂，建议使用e-p[16]曲线法、Pf法和模糊聚类评判法评价井筒的安全状态。wn杨华、江向阳通过对立井井壁破裂的原因分析，研究井壁和表土层间摩擦力的分布，建立合理的力学模型，推导出中性层及危险截面井壁应力的解析式；通过对鲍店煤矿的分析与验证，得出导致立井壁破坏的主要原因是竖向附加力和温[17]度应力。经来盛通过研究表土层沉降的原因，认为疏水附加力是井壁破裂的主要因素，建立确定中性层位置的解析式，推导出计算危险截面处的应力解析式，确立预测4 青岛理工大学工学硕士学位论文井壁破裂的强度准则；该理论在鲍店煤矿4个立井井筒破裂原因分析中得到验证，并根据该理论提出防治立井井壁破裂的具体措施，为井壁设计及井壁施工提供重[18]要的参考依据。李文平、都平平等通过试验测得在大埋深条件下，粘土和砂土与冻结法成井井壁相互作用力学参数大小；建立土与井壁相互作用理想弹塑性分析模型，得到计算井壁附加竖直位移、应变和附加应力的解析公式，并讨论其随深度和深部土[19-22]层压缩量等因素变化的规律。周治安、杨为民通过对破裂井筒的分析，根据有效应力原理建立由多个含、隔水层组成的厚表土底部固结沉降井壁侧摩阻力的概化模型，指出这类井壁具有正阻力、负阻力及零阻力井段，它们的分布决定了井壁挤压破裂及拉伸的部位，[23]以有效应力的变化诠释立井井壁破裂与季节降水之间的关系。刘希亮、罗静通过统计疏排水沉降矿区立井井壁的破裂位置，以受力机理和力学原理为基础，建立完整立井井壁外侧竖向附加力分布模型，认为中性层以上竖向附加力方向向下，中性层以下附加力方向向上，中性层即为立井井壁丝袜危[24]险截面。对立井井壁的受力分析及预测立井井壁破裂提供重要参考依据。荆留杰、王博等通过实测资料，得出井壁附加应变变化规律：井壁附加应变受疏水附加力和温度共同作用，在数值上表现为逐渐增加的正弦函数，具有明显的周期性和可预见性；井壁竖向附加应变随温度变化出现应变积累和应变缓释更[25]替，而疏水附加力的不断增大引起井壁竖向附加应变增大，且不可恢复。刘希亮、罗静通过研究特殊地层条件下立井井壁破裂的机理，认为井壁竖直附加力学说符合井壁破裂的实际情况，建立符合华东地区（“三含三隔”）井壁与周围土体相互作用的粘弹性数学模型，解决表土层底部含水层疏排水放引起的地[26]面沉降、井壁破裂问题。杨为民、周治安认为黄淮地区煤矿立井井壁破裂大都是由于深厚表土层底部含水层疏排水固结沉降，导致立井井壁外侧出现疏水附加力。立井井壁破裂先表现为混凝土保护层的剥落，随后混凝土井壁出现发育密集的竖向砂浆裂缝，界面裂缝的发育使混凝土中的骨料相互剥离，混凝土向井内膨胀呈现假塑性。从疏水附加力的出现及增荷过程来看，立井井壁破裂是在竖向高压应力长期作用下的结[27]果，与混凝土的长期强度相关，因此立井井壁破裂属于砼徐变破坏。5 青岛理工大学工学硕士学位论文吕恒林、崔广心建立了单层钢筋混凝土井壁破裂的弹塑性理论，利用竖直分析软件ANASYS对井壁进行弹塑性数值模拟计算，得到在水平地压应力、井壁自重应力以及随时间不断增长的竖直附加力的共同作用下井壁的应力、应变变化规律，探讨深厚表土层中单层钢筋混凝土井壁破裂的力学机理以及裂缝出现的位置[28]和发展过程，对预测和治理井壁破裂具有重要指导意义。吴怀俊认为影响立井井壁破裂的应力因素主要有负摩擦力、内外温差、地压及井壁自重，通过分别给出以上四个因素的计算公式，以鲍店煤矿主、副井筒为例进行计算，所得结果与实际相符，揭示了负摩擦力产生的根源是表土层疏排水[29]产生的疏水附加力及温度变化产生的温度应力。经来旺通过立井井壁破裂的位置、时间等现象，认为温度因素是立井井壁破裂的主要原因；在红阳一矿副井的破裂中，温度变化所产生的负向摩擦力和内外[30]壁温差产生的应力两项之和所占比例达到96%。梁恒昌、周国庆等通过对华东地区十多个立井井壁竖向附加应变进行实测和研究，分析实测井壁竖向附加应变演变规律并进行分类处理，在竖向附加应变拟合的基础上，研究几种典型竖向附加应变曲线的特点。结果表明：温度变化产生66的竖向温度应变在2710~8810范围内波动，定义为立井井壁固有的竖向应变积累与释放，不足以造成立井井壁的破裂，但会加剧或缩短井壁破裂进程；剥661离出竖向温度应变的竖向附加力应变增长率在0.01510~0.06810d之间，[31]随时间逐渐增加的竖向附加力造成井壁破裂。周杰、周国庆等分析疏水附加力及季节性温度应力对立井井壁应力、应变的影响规律，建立以ABAQUS平台为基础的空间受力模型，对立井井壁在井壁自重、水平地压、疏水附加力、温度应力作用下进行结构优化，通过相似理论和正交数值实验得出：选择合适的内外壁摩擦系数，减小内外井壁厚度比，可优化双层井[32]壁的受力状态。何朋立为研究立井井壁上温度应力、疏水附加力、井壁自重及水平地压对深厚表土层井筒破裂时竖向应力的影响，通过对各自产生的井筒应力分析得出：井筒破裂的主要因素是疏水附加力及温度应力；温度应力随井筒内外两侧的温差增大而增大，随井筒厚度的增加无明显变化，而疏水附加力随井筒厚度的增加明显[33]减小。6 青岛理工大学工学硕士学位论文郑颖平通过研究温度应力的类型及计算方法得出：温度应力主要包括融沉力和纵向约束力，温度应力随井壁埋深逐渐增加，在井壁总竖向应力的比重随底部[34]含水层水位将的增加而减小。刘金龙、陈陆望等通过井壁破裂的实例立井井壁设计规范进行验证，以设计规范为基础得出的判断结果与实际结果相差较大，原因是设计规范未考虑温度应[35]力的存在。杨俊杰通过混凝土井壁模型的破坏性试验，研究混凝土井壁的破坏特征、强度特征及主要影响因素得出：混凝土井壁以压剪破坏为主；井壁的极限承载力受混凝土强度、厚径比及约束条件的影响，混凝土强度为主要因素；井壁中混凝土[36]的强度比单轴混凝土强度提高1~2.5倍。3D程鑫通过FLAC数值模拟软件，以临涣矿副井为研究对象，研究温度应力与气温季节性变化的关系，立井井壁温度及应力随季节呈现周期性变化，并出现[37]滞后现象；表土段的温度应力以竖向应力为主。1.2.3立井井壁监测与安全评价研究现状王在泉、刘琼等认为竖直附加力是立井井壁破裂的主要因素，根据立井井壁的实际监测数据井壁竖向及环向应变均增加，通过ANSYS数值模拟软件反演，得出和实测结果相吻合的竖直附加力和水平地压增加量，为研究立井井壁外荷载提[38]供了一种实测数据和数值模拟相结合的方法。于远成、李永松以立井井壁监测数据资料为基础，得出井壁附加应变的变化规律对井壁安全状态的影响：同一层位不同方位附加应变的不一致性超出一定范围，立井井壁会出现环向裂缝；不同层位同一方位附加应变的不均匀性，反映井[39]壁应变的积累与释放。庞涛通过对双层钢筋混凝土井壁的现场实际监测，得出井壁外侧钢筋应力、[40]混凝土应变及温度变化规律。梁恒昌、周国庆等通过对井壁附加应变监测得出：立井井壁濒临破坏时竖向[41]应变积累速率增加，立井井壁破坏时竖向应变急速释放。陈佩佩、许延春等收集整理华东地区破裂井筒的数据，通过人工神经网络技术，建立预测井壁破裂的BP神经网络模型，对兴隆庄矿井壁破裂时间进行了预测7 青岛理工大学工学硕士学位论文[42]。刘超林、李扬等通过模糊数学评价，对东滩矿各井筒进行安全评价，预测井[43]壁破裂的时间范围。徐江、周国庆等在研究井筒破裂机理的基础上，利用竖向附加应变预测井壁[44]安全，当竖向附加应变发生显著变化时，立井井壁有破裂的征兆。周国庆等在徐州和大屯矿区新建和已建的立井井筒中开展了大量井壁附加应变现场实测工作，对井壁濒临破裂和破裂后、地层注浆及治理期间的井壁应力应[45-47]变变化情况进行了研究。张广文、郭念波通过井壁稳定性全自动监测系统，以井壁极限安全应变为基[48]础，提出预测井壁安全的应变灰色预测模型。1.2.4安全系数研究现状郑颖人认为传统极限分析方法和数值极限分析方法在原理上是一致的，传统极限分析方法在求极限承载力和安全系数时，与本构关系无关，但需确定破坏面的位置；数值极限分析方法以弹塑性数值计算为基础，自动生成滑裂面，求得材[49]料的安全系数和破坏形态。吴海真、顾冲时通过研究有限元强度折减法在边坡工程应用的原理及边坡失稳判据，指出传统边坡稳定分析方法的弊端；以土石坝边坡稳定性分析为例，有限元强度折减法计算的结果与极限平衡法计算的结果相差无几，扩宽了有限元强[50]度折减法的应用范围。李宁、许建聪将ABAQUS提供的场变量和有限元强度折减法相结合，通过场变量实现增量步时间控制岩土体粘聚力及摩擦角的折减，从而求出边坡的安全系[51]数。聂泊松、沈振中考虑到边坡破坏过程中粘聚力和摩擦角衰减不一致，通过对边坡材料的粘聚力和摩擦角设置不同的折减系数，以屈服接近度为判别标准，提[52]出边坡稳定分析的双安全系数动态局部强度折减法。刘晓东、张忠平利用ANSYS有限元软件，基于强度折减法解决边坡岩体中含[53]有裂隙及软弱夹层的安全系数求解问题。王素裹、韩小雷以钢筋混凝土悬臂梁为例，分别采用ABAQUS显式、隐式分析方法进行数值模拟，通过比较两者的迭代算法和求解时间，显式分析方法能较8 青岛理工大学工学硕士学位论文[54]好的钢筋混凝土结构响应。1.3研究目的及意义深厚表土层井壁不仅受到多种荷载的共同作用，而且处于复杂的工作环境中，这些相互作用的环境因素对井壁的受力状态产生不可忽视影响。深入研究井壁与土层间的相互作用以及温度、水位降等环境因素对井壁影响，确定这些环境因素对井壁竖向附加力的影响，有助于揭示井壁破裂的内在机理。井筒是煤矿安全生产的咽喉部位，本文拟研究的课题对于动态、实时评价井筒井壁安全状态，指导井壁破裂灾害的有效治理有重要意义。我国现有250多个井筒处于深厚表土层条件下，预计未来5~10年仍将有100多个井筒面临井壁破裂灾害的威胁，课题研究成果可推广应用于这些井壁破裂灾害预测中，有重要的理论与实践意义。1.4研究内容与技术路线1.4.1研究内容以兖矿集团济宁三号煤矿主井井壁为研究对象，该井穿过深厚的第四纪表土层，是典型的“三含三隔”地层条件。通过ABAQUS数值模拟软件结合现场监测数据，主要研究以下内容：(1)建立双层钢筋混凝土井壁模型，对井壁施加自重、水平地压、均匀分布的竖向附加力，研究双层钢筋混凝土井壁破坏机理。(2)通过ABAQUS有限元强度折减法，确定双层钢筋混凝土井壁濒临破裂时的安全系数。(3)结合济宁三号煤矿主井的水文地质资料、气象资料及井筒的具体参数，建立ABAQUS数值模拟模型，模拟由季节性温差产生的温度应力；研究温度应力、疏水附加力对安全系数的影响。(4)以济宁三号煤矿主井的监测数据为依据，通过ABAQUS数值模拟软件反演，得到此时作用在井壁上的温度应力及疏水附加力，进而求得济宁三号煤矿主井的安全系数，对主井井壁的安全状态进行评价。1.4.2技术路线9 青岛理工大学工学硕士学位论文根据上述研究内容，本文采用数值模拟和监测数据相结合的研究方法，技术路线如下图1.1所示。基于安全系数的深厚表土层双层钢筋混凝土井壁破坏机理及安全评价井壁温度应力、疏水沉降附加应力和井壁安全评价的研究现状基于强度折减安全系数，研究双层钢筋混凝土井壁破坏机理及稳定性评价方法温度应力对安全系数的影响疏水附加力对安全系数的影响基于兖矿集团济宁三号煤矿主井监测数据的井壁安全评价图1.1技术路线图10 青岛理工大学工学硕士学位论文第2章双层钢筋混凝土井壁的破坏机理2.1双层钢筋混凝土井壁的设计原理双层钢筋混凝土井壁在设计过程中，将井壁视为小偏心受压构件。以承载能力极限状态确定竖向受力筋，以正常使用极限状态确定环向配筋—箍筋。小偏心受压构件的破坏机理：靠近荷载一侧的受压区混凝土达到极限压应变被压碎，同侧受压筋的应力达到抗压屈服强度；远离荷载一侧的钢筋可能受压，也可能受压，但都不屈服。由于井壁透水时，仍能承担上部荷载，小偏压构件的破坏机理不符合双层钢筋混凝土的破坏形式。2.2双层钢筋混凝土井壁破坏的传统数值模拟2.2.1模型建立为研究双层钢筋混凝土井壁的破坏机理，用ABAQUS数值模拟软件建立双层钢筋混凝土井壁计算模型，并施加破坏荷载，研究井壁的破坏过程。以表土段钢筋混凝土井壁为研究对象，建立180m长的双层钢筋混凝土井壁模型，对井壁施加重力、呈三角形分布的水平地压力、沿井壁均匀分布的竖向附加力。建立模型如图2.1，模型所施加荷载如图2.2。11 青岛理工大学工学硕士学位论文图2.1双层钢筋混凝土井壁模型图2.2双层钢筋混凝土井壁受力图表2-1中为双层钢筋混凝土井壁分析所采用参数，通过调整附加力的大小，使井壁达到承载能力极限破坏状态，研究井壁破坏时混凝土井壁及钢筋网的应力、应变及塑性区变化情况。数值计算过程中，混凝土采用摩尔—库伦屈服强度准则，定义钢筋应力达到300MPa，进入屈服阶段。表2-1模型参数表混凝土、钢筋弹模泊松比重度粘聚力摩擦角3强度等级E/GPakNmC/MPaC3030.00.20252.6052.5HRB3352000.32.2.2模拟结果分析为研究双层钢筋混凝土井壁破坏时，混凝土及钢筋破坏的先后顺序，对井壁外侧施加沿井壁竖向均匀分布荷载40KPa、50KPa、60KPa、70KPa、80KPa、90KPa、100KPa、110KPa。（1）破坏区应力—应变曲线分析经ABAQUS数值模拟软件模拟，竖向附加力为40KPa、50KPa、60KPa、70KPa、80KPa、90KPa、100KPa时，计算均收敛，即井壁未破坏；当竖向附加力为110KPa时，计算中断，即井壁完全破坏。以破坏区混凝土为研究对象，井壁内外两侧破坏区混凝土的应力—应变曲线如图2.3所示。12 青岛理工大学工学硕士学位论文(a)混凝土井壁外侧破坏区混凝土应力—应变曲线(b)混凝土井壁内侧破坏区混凝土应力—应变曲线(c)钢筋混凝土井壁内侧破坏区混凝土应力—应变曲线(d)钢筋混凝土井壁外侧破坏区混凝土应力—应变曲线图2.3井壁破坏区混凝土的应力—应变曲线13 青岛理工大学工学硕士学位论文由图2.3中的(a)、(b)可以看出：混凝土井壁破坏时，外侧井壁的混凝土当应力达到25MPa时，混凝土进入屈服阶段；应力达到30MPa时，混凝土被压坏；内侧井壁的混凝土当应力达到16MPa时，混凝土进入屈服阶段；应力达到20MPa时，混凝土被压坏。混凝土强度等级均为C30，模拟出立井井壁内外两侧混凝土的弹性极限荷载和破坏荷载不一致，由于混凝土构件的承载能力受其受力状态的影响，从侧面说明井壁内外两侧的受力状态不一致。由图2.3中的(c)、(d)可以看出：双层钢筋混凝土井壁破坏时，内侧井壁的混凝土当应力达到17.7MPa时，混凝土进入屈服阶段；应力达到30MPa时，混凝土被压坏；外侧井壁的混凝土当应力达到25MPa时，混凝土进入屈服阶段；应力达到32MPa时，混凝土被压坏。由图2.3中的(a)、(d)可以看出：双层钢筋混凝土外侧井壁破坏区混凝土的弹性极限荷载和素混凝土井壁外侧破坏区混凝土的弹性极限荷载相等，均为25MPa；双层钢筋混凝土井壁外侧破坏区混凝土的破坏极限荷载为32MPa，明显大于素混凝土外侧井壁破坏区的混凝土破坏极限荷载30MPa。由图2.3中的(b)、(c)可以看出：双层钢筋混凝土内侧井壁破坏区混凝土的弹性极限荷载17.7MPa，明显大于素混凝土内侧井壁破坏区混凝土的弹性极限荷载16MPa；双层钢筋混凝土内侧井壁破坏区混凝土的破坏极限荷载30MPa，明显大于素混凝土内侧井壁破坏区混凝土的破坏极限荷载20MPa。通过双层钢筋混凝土井壁混凝土的弹性极限荷载、破坏极限荷载与素混凝土井壁混凝土的弹性极限荷载、破坏极限荷载比较可以看出：内外侧钢筋网明显提高了内侧井壁混凝土的弹性极限荷载、破坏极限荷载和外侧井壁混凝土的破坏极限荷载。（2）内外侧井壁竖向应变随附加力变化规律14 青岛理工大学工学硕士学位论文1)40KPa2)50KPa3)60KPa4)70KPa5)80KPa6)90KPa7)100KPa8)110KPa(a)内侧井壁混凝土竖向应变1)40KPa2)50KPa3)60KPa4)70KPa15 青岛理工大学工学硕士学位论文5)80KPa6)90KPa7)100KPa8)110KPa(b)外侧井壁混凝土竖向应变图2.4内外侧井壁竖向应变图由2.4中的(a)、(b)可以得出：双层钢筋混凝土井壁在破裂过程中内外两侧混凝土应变的变化规律：内外侧井壁混凝土的竖向应变呈跳跃式、环状分布，最大竖向应变出现在表土段与基岩段交接面处；内侧井壁混凝土的竖向应变明显大于外侧井壁混凝土的竖向应变，内侧井壁混凝土先于外侧井壁混凝土破裂。图2.5井壁混凝土竖向应变随附加力的变化规律由图2.5可以看出：内外侧井壁混凝土竖向应变随附加力的增加逐渐增大，并且内侧井壁混凝土竖向应变大于外侧井壁混凝土竖向应变；当附加力为95KPa时，内侧混凝土竖向应变为1300με，内侧井壁混凝土达到极限压应变破坏；当附加力在40~100KPa范围内时，外侧井壁混凝土未达到极限压应变1700με，外侧井壁混凝土未破裂。（3）内外侧井壁竖向应力随附加力的变化规律16 青岛理工大学工学硕士学位论文1)40KPa2)50KPa3)60KPa4)70KPa5)80KPa6)90KPa7)100KPa8)110KPa(a)内侧井壁混凝土竖向应力1)40KPa2)50KPa3)60KPa4)70KPa17 青岛理工大学工学硕士学位论文5)80KPa6)90KPa7)100KPa8)110KPa(b)外侧井壁混凝土竖向应力图2.6内外侧井壁竖向应力图由图2.6可以看出：内侧井壁混凝土竖向应力在表土层和基岩交界面处出现最大值；混凝土竖向应力随附加力的增加逐渐增大，并沿井壁纵向和径向转移。取内侧井壁混凝土竖向应力较大点为研究对象，提取该点混凝土竖向应力数值，研究其随附加力的变化规律。图2.7井壁混凝土竖向应力随附加力的变化规律由图2.7可以看出：内侧井壁混凝土竖向应力随附加力的增大呈现出先增大后减小的趋势，外侧井壁混凝土竖向应力随附加力的增加逐渐增大；当附加力在40~75KPa范围内时，内侧井壁混凝土竖向应力大于外侧井壁混凝土竖向应力，当附加力大于75KPa时，外侧井壁混凝土竖向应力大于内侧井壁混凝土竖向应力；18 青岛理工大学工学硕士学位论文外侧井壁混凝土竖向应力随表现出逐渐增大的趋势，但未达到破坏极限荷载32MPa。（4）内外侧钢筋网应力分析由图2.8可以看出：内、外压筋最大应力出现在钢筋网底部，并随着竖向附加力增加逐渐增大；内、外压筋应力呈现出跳跃式环状发展；内、外箍筋分别在内、外受压筋屈服后进入屈服阶段。取内、外侧钢筋网中一点，查看该点内压筋应力随竖向附加力增加的变化情况如图2.9。1)40KPa2)50KPa3)60KPa4)70KPa5)80KPa6)90KPa7)100KPa8)110KPa(a)内侧钢筋网应力图19 青岛理工大学工学硕士学位论文1)40KPa2)50KPa3)60KPa4)70KPa5)80KPa6)90KPa7)100KPa8)110KPa(b)外侧钢筋网应力图图2.8内外侧钢筋应力图图2.9内外侧钢筋应力随附加力变化规律20 青岛理工大学工学硕士学位论文由图2.9可以看出：双层钢筋混凝土井壁破坏初始阶段，内侧受压筋应力大于外侧受压筋应力，竖向受压筋应力大于箍筋应力；双层钢筋混凝土井壁破坏后期，内侧受压筋和外侧受压筋先进入屈服阶段，内外侧箍筋应力急速增加，进入屈服阶段。通过以上分析得出双层钢筋混凝土井壁破坏机理：在复杂荷载相互耦合作用下，井壁内侧混凝土压应力达到弹性极限荷载，进入屈服阶段，内侧井壁混凝土出现塑性区；随着井壁内侧混凝土塑性区的发展及井壁内应力的重分布，井壁外侧混凝土压应力达到弹性极限荷载，进入屈服阶段，外侧井壁混凝土出现塑性区；随着井壁内外两侧混凝土塑性区的发展及井壁内应力的重分布，井壁内侧混凝土压应力达到破坏极限荷载，井壁内侧混凝土开始出现环向裂缝；环向裂缝的出现使混凝土的相对受压区高度减小，混凝土进一步开裂，井壁内侧混凝土逐渐退出工作，应力逐渐向内侧钢筋网的纵向受压筋转移，内压筋进入屈服阶段；裂缝沿井壁径向发展，井壁外侧混凝土压应力达到极限破坏荷载开始破裂，外侧混凝土逐渐退出工作，应力向外侧钢筋网的纵向受压筋转移，外压筋进入屈服阶段；内箍筋为阻止内压筋向井内弯曲，逐渐进入屈服阶段；外箍筋为阻止外压筋的变形，逐渐进入屈服阶段，井壁完全破坏。2.3基于强度折减安全系数的双层钢筋混凝土井壁稳定性评价2.3.1安全系数定义及确定方法（1）安全系数定义根据岩土工程中不同原因引起不同的破坏状态，有限元极限分析法中安全系数的定义也不相同。地基工程中地基失稳是由地基承受不断增大的荷载引起的，地基工程中安全系数为荷载增大的倍数；边坡工程中边坡失稳是由岩土体强度逐渐降低引起的，边坡工程中安全系数为强度降低的倍数。双层钢筋混凝土井壁中，采用强度降低的倍数作为井壁的安全系数，即通过不断降低双层钢筋混凝土井壁中混凝土的强度，使ABAQUS有限元计算最终达到破坏状态，此时的折减系数就是安全系数。21 青岛理工大学工学硕士学位论文有限元强度折减法在求解安全系数时，既不需要假定滑裂面的形状和位置，也不需要对岩土体进行分条；其拥有数值分析方法的优点，能够计算各种复杂地貌、地质条件的岩土工程，不受岩土工程形状、尺寸、边界条件和材料非均匀的影响，自动确定滑裂面的位置、计算安全系数。在有限元强度折减法中，对岩土工程中广泛采用的摩尔—库伦材料，强度储备安全系数可表示为：，cc（2-1），tanarctan()（2-2）式中为岩土体的粘聚力，c为岩土体的摩擦角，为强度储备安全系数。（2）安全系数的确定方法有限元分析法计算过程中，及其重要的一点就是确定岩土工程失稳的判据。岩土体的失稳破坏是指岩土体沿滑裂面发生滑落或坍塌，滑落体在滑裂面上达到极限平衡状态，岩土体整体不能继续承受荷载；滑裂面上岩土体的应变及位移发生突变，岩土体沿滑裂面快速滑动。一般认为岩土体在整个滑裂面上达到极限平衡状态，即为整体失稳破坏，所以将滑裂面上塑性区的贯通看作岩土体整体失稳的判据。然而由于边界条件约束的存在，即使滑裂面上岩土体每个点都达到极限应力状态，当岩土体没有足够的应变和位移时，不会发生滑动破坏。把滑裂面上每点达到极限平衡状态，作为岩土体整体破坏条件不全面，滑裂面上塑性区的贯通时岩土体破坏的必要条件，而不是充分条件，它表征渐进破坏的开始。只有整个滑裂面上的岩土体每个点应变都达到极限应变才发生滑动，这一观点符合岩土体整体失稳破坏的实际情况。岩土体整体失稳破坏时，岩土体由静止状态变为滑动状态，滑裂面上岩土体的位移和塑性应变都将产生突变，这一现象符合岩土体整体失稳破坏的实际情况，因此可以把滑裂面上岩土体位移或塑性应变突变作为岩土体整体失稳破坏的判据。在岩土工程中出现上述两种情况时，静力平衡计算表现出不收敛性，因此可将有限元静力计算是否收敛作为岩土体整体失稳破坏的判据。22 青岛理工大学工学硕士学位论文安全系数的确定方法主要有三种：计算不收敛性、特征部位位移突变性、塑性区贯通性。以上三种判据在均质材料的工程中实用性较强，但并不适用于复合材料中。在双层钢筋混凝土井壁中，内侧井壁混凝土出现贯通塑性区，与实际井壁破坏出现环状裂缝相符；当内外两侧井壁混凝土塑性区贯通时，若按照塑性区的贯通性，此时双层钢筋混凝土井壁已破坏。但实际工程中，井壁在透水的情况下仍能继续工作。为评价双层钢筋混凝土井壁的安全状态，需要确定双层钢筋混凝土井壁破坏的标志。2.4双层钢筋混凝土井壁安全系数的确定2.4.1安全系数的数值计算（1）模型建立、参数选择实际工程中钢筋混凝土结构，由于混凝土保护层的存在，钢筋的损伤要比混凝土损伤小。在强度折减过程中，通过降低混凝土材料的抗剪强度参数，得到双层钢筋混凝土井壁的强度储备安全系数。在数值模拟计算过程中，建立如图2.1双层钢筋混凝土井壁模型，材料参数选用表2-1所列参数。（2）方案设计数值模拟计算过程中，对双层钢筋混凝土井壁施加如图2.2双层钢筋混凝土井壁受力图所示荷载，井壁自重、水平地压、沿井壁纵向均匀分布的附加力。附加力施加分为40KPa、50KPa、60KPa、70KPa、80KPa、90KPa、100KPa七个方案，通过附加力的变化，研究安全系数的变化规律。2.4.2安全系数随附加力的变化规律通过降低混凝土材料抗剪强度的参数，基于特征部位位移的突变性，取双层钢筋混凝土井壁内侧最上边缘的一个节点作为参考对象，得到该点竖向位移随抗剪强度折减系数的变化曲线。根据曲线趋势的突变点，确定此时的安全系数。井壁安全系数随附加力增大的变化规律如图2.10。23 青岛理工大学工学硕士学位论文图2.10安全系数随附加力的变化规律图2.11安全系数随内侧混凝土竖向应变的变化规律由图2.10可以看出：安全系数随附加力增大而逐渐降低，附加力为95KPa时，安全系数为1.1，此时内侧井壁混凝土竖向应变达到1300με，内侧井壁混凝土破裂，内压筋应力达到300MPa，内压筋屈服；外侧混凝土及外压筋都为破坏，与井壁破裂的实际情况相符。由图2.11可以看出：安全系数随竖向应变的增大而逐渐减小，当安全系数为1.1时，竖向应变无限增大，井壁破坏。2.5本章小结以双层钢筋混凝土井壁破坏机理为基础，利用ABAQUS数值模拟软件，通过改变附加力的大小，研究双层钢筋混凝土井壁中内外侧混凝土和内侧钢筋网的应力、应变，得到以下结论：(1)通过比较混凝土井壁与双层钢筋混凝土井壁破坏时混凝土的应力—应变曲线，钢筋的植入改变了井壁内应力的传递；井壁外侧混凝土处于三向受压状态，24 青岛理工大学工学硕士学位论文混凝土的极限破坏荷载大于相同标号混凝土的单轴抗压强度，井壁内侧混凝土处于三面受压状态，混凝土的极限破坏荷载小于相同标号混凝土的单轴抗压强度。(2)通过研究双层钢筋混凝土井壁在破坏荷载作用下，井壁内外两侧混凝土的应变、应力、塑性区和井壁内外两侧钢筋网的应力、塑性区，得到双层钢筋混凝土井壁破坏机理：内侧混凝土、内压筋、外侧混凝土、外压筋、内箍筋、外箍筋依次进入屈服，井壁完全破坏。(3)内侧井壁混凝土的竖向应变大于外侧井壁混凝土的竖向应变，内侧井壁混凝土先于外侧井壁混凝土破裂。(4)随着附加力的增加及内侧井壁混凝土的破裂，应力由井壁内侧逐渐向井壁外侧转移。(5)以内侧钢筋网竖向受压筋屈服为双层钢筋混凝土井壁破坏标志，得到双层钢筋混凝土井壁濒临破坏时的安全系数为1.1，此时沿井壁均匀分布的竖向附加力为95KPa。25 青岛理工大学工学硕士学位论文第3章温度应力、疏水附加力对双层钢筋混凝土井壁安全系数影响分析3.1温度应力数值模拟3.1.1温度应力简述温度对井壁的作用主要有两方面，一是对于冻结法施工的井壁，在浇筑混凝土的过程中由于水泥的水化学反应释放大量的水化热，导致混凝土的温度有40~50℃变化量；而随着冻结壁解冻井壁温度不断升高，平均的井壁温度变化量也达到20~30℃左右。另一方面，在井筒建成投产的运营期间，由于大气影响和季节的变化，一年内进风井井壁温度的变化达到20℃，平均温度变化也在15℃左右。温度应力包括：内外壁温差导致井壁自身产生的温度应力，温度升高井壁径向膨胀受围岩约束产生的温度应力，温度升高井壁纵向膨胀受围岩约束产生的温度应力。深厚表土层中的立井井壁外侧接触温度变化不大的第四纪冲积层，内侧接触温度随季节变化的空气，因此内外壁的温差始终存在。由于这种温度差的存在，导致温度高的井壁内侧产生的膨胀位移大于井壁外侧产生的膨胀位移，内外两侧井壁会相互约束，井壁内侧受外侧井壁的约束产生压应力，井壁外侧受内侧井壁的约束产生拉应力。井壁温度随气温升高时，井壁会产生径向膨胀位移，由于周围土体的存在，井壁不可避免受到轴对称径向约束作用，而产生温度应力。井壁外侧和围岩之间因膨胀系数不同，产生竖向相对位移，井壁外侧受围岩的约束产生向下的摩擦力。3.1.2济宁三号煤矿主井的水文地质资料及气象资料本文以济宁三号煤矿主井为例，井筒为双层钢筋混凝土复合井壁，在表土段采用冻结法施工。井筒净直径6m，表土段长度180m，为内外两层钢筋混凝土井壁，其中内侧井壁厚500mm，外侧井壁厚450mm，180m以下为基岩段，素混凝土井壁。济宁三号煤矿表土段为平均厚度184.57m的第四纪表土层，该地层主要由粘26 青岛理工大学工学硕士学位论文土、粗砂组成。地层厚度变化总趋势为由东向西，由南向北逐渐增厚变多，主要含水层为砂层，上部黄褐色，结构松散，透水性好，下部为灰白色，结构紧密，透水性差。第四纪底部，大部分地段分布一层平均厚度6.44m的粘土层，对第四纪砂砾层水下渗补给基岩具有一定的阻隔作用。地壳的温度随深度的变化划分为四个地温带：深度为1~2m的日变化带、15~30m年变化带、30m以下的恒温带、恒温带以下的增温带。变温层包括日变化带和年变化带，主要受太阳光辐射热的影响，温度随季节、昼夜的变化而变化。恒温层地温与当年的年平均温度大致相当，基本保持稳定。恒温层深度在中纬度地区较深，两极和赤道地区较浅；在内陆地区较浅，在滨海地区较深。增温层的温度随深度的增加而增大，增加的程度以温度梯度表示。温度梯度是自然界中气温、水温或土壤温度随陆地高度、水或土壤深度变化而出现的阶梯式递增或递减的现象。济宁地区的低温梯度为2~3℃/100m。3.1.3温度应力的数值计算（1）数值计算模型建立图3.1数值计算模型图3.2地温带分布图根据济宁三号煤矿的工程地质资料和立井施工资料，建立“三含三隔”的数27 青岛理工大学工学硕士学位论文值计算模型如图3.1。30m厚一含层为粗砂，20m厚一隔为粘土，30m厚二含为粗砂，30m厚二隔为粘土，40m厚三含为粉砂，30m厚三隔为粘土。地温分布带如图3.2，由于井壁的埋深为180m，相对于地温带划分的深度比较浅，所以把井壁周围的围岩视为常温带。（2）模型参数表中3-1为数值模拟计算中所采用的参数，通过调整混凝土井壁内侧的温度，控制混凝土井壁内外温度差，研究井壁由内外温差产生的温度应力及变形。表3-1模型参数表名称密度弹性模量泊松比粘聚力摩擦角热膨胀系比热热传导数率3MPauMPa°/℃Kj/(Kg.K)w/(m.K)kg/m粗砂210056.250.410.008303*e-61.841.41粘土200050.40.260.04254*e-61.41.21粉砂190056.250.410.008303*e-61.841.41混凝土2500300000.22.652.51*e-50.8772.99（3）方案设计常温带的温度为该地区的年平均气温，由图3.3可以看出：济宁地区年平均气温为15℃。井壁内侧的温度根据监测井壁温度的变化情况如图3.4，分别取15℃、20℃、25℃、30℃、35℃。井壁与围岩相互作用通过井壁与围岩之间的硬接触模拟。模拟过程：先根据给定的温度模拟生成温度场，再将温度场导入应力计算中，模拟由内外温差产生的温度应力。图3.3济宁地区温度变化图28 青岛理工大学工学硕士学位论文图3.4济宁三号井主井内侧井壁温度变化3.1.4温差对温度应力的影响在模拟过程中通过改变井壁内侧的温度，得到各温度荷载作用下井壁的应力、应变及变形。以井壁内侧承受30℃温度荷载为例，分析井壁的应力、应变及变形，此时井壁内外温差为15℃。图3.5井壁应力、应变云图29 青岛理工大学工学硕士学位论文图3.6温度应力随井壁埋深的变化规律由图3.5可以看出，井壁内外温差为15℃时，在靠近井壁底部即表土段与基岩段交界处附近，温度应力出现最大值2.21MPa；最大应变出现在井壁底部即表土段与基岩段交界处，最大值为179με。只有温度荷载作用下，不会造成井壁的破裂。由图3.6可以看出，井壁温度应力随埋深的增加逐渐增大。埋深为0~5m时，井壁与周围的围岩存在较大的相对位移，使两者之间产生滑动摩擦力，井壁温度应力成线性增加；随着埋深的增加，两者之间的相对位移逐渐减小，使两者之间产生静摩擦力，井壁温度应力缓慢增加；接近表土段与基岩段的交界面时，两者之间相对运动的趋势减小，使两者之间的静摩擦力减小，井壁温度应力降低；在井壁底部出现应力集中现象，使温度应力突然增加。井壁内外侧温差为0℃、5℃、10℃、15℃、20℃时，温度应力随井壁埋深的变化规律如图3.7。由图3.7可以看出，不同温差作用下温度应力随井壁埋深的变化趋势一致，温度应力随温差的增加而增大，最大温度应力出现在表土段与基岩段交界面处。取井壁温度应力最大的点为研究对象，温度应力随温差的变化规律如图3.8。图3.7不同温差温度应力随埋深的变化规律30 青岛理工大学工学硕士学位论文图3.8最大温度应力随温差的变化规律由图3.8可以看出：最大温度应力随温差增大逐渐增大。温差为0~15℃时，最大温度应力随温差线性增加；温差大于15℃时，最大温度应力随温差增大的增加速率变缓。由图3.4可以得到井壁内外侧温差随时间的变化规律如图3.9，结合图3.8可以得到温度应力随时间的变化规律如图3.10。图3.9井壁内外侧温差随时间变化规律图3.10温度应力随时间变化规律由图3.10可以看出，井壁在温度荷载作用下的最大温度应力随时间呈正弦函数形式变化，相对较大的温度应力出现在每年的夏季，相对较小的温度应力出31 青岛理工大学工学硕士学位论文现在每年的冬季。虽然在温度荷载作用下的最大温度应力，达不到混凝土井壁的极限破坏荷载，但与大多数立井井壁的破裂出现在7~8月的现象相吻合。3.2温度应力、疏水附加力相互耦合对井壁安全系数的影响3.2.1安全系数、混凝土竖向应变随疏水附加力的变化规律（1）安全系数随疏水附加力变化的数值模拟主井在正常工作状态下，必然受温差和水位降双重作用的影响。由监测数据得到井壁内外两侧温差为0~20℃。为研究水位降产生的疏水附加力对井壁安全状态的影响，设定双层钢筋混凝土井壁内外两侧温差保持20℃不变，对双层钢筋混凝土井壁施加由水位降低产生的疏水附加力，疏水附加力沿井壁均匀分布，分别取为10KPa、20KPa、30KPa、40KPa、50KPa、60KPa、70KPa、80KPa。建立如图2.2所示的模型，井壁材料为双层钢筋混凝土井壁。模拟步骤：1)对井壁内侧及井壁周围围岩施加温度荷载，围岩与井壁间温度的传递通过Tie命令实现，模拟温差作用下井壁及围岩温度场分布；2)将得到的温度场导入应计算模型中，在step-1分析中，对井壁施加重力、疏水附加力，周围围岩施加重力，模拟双层钢筋混凝土井壁在复杂受力条件下的应变、应力；3)在step-2分析中，逐步降低双层钢筋混凝土井壁中混凝土的抗剪强度参数，通过特征点的位移突变得出双层钢筋混凝土井壁在复杂受力条件下的安全系数。（2）安全系数随疏水附加力的变化规律由图3.11可以看出：双层钢筋混凝土井壁在自重、水平地压、温度应力和疏水附加力共同作用下的安全系数随疏水附加力的增大逐渐减小。当疏水附加力增加到80KPa时，安全系数接近1.1，双层钢筋混凝土井壁破坏。疏水附加力由10KPa变化到80KPa，安全系数的变化范围为1.1~1.8。32 青岛理工大学工学硕士学位论文图3.11安全系数随疏水附加力的变化规律（3）混凝土竖向应变随疏水附加力的变化规律1)10KPa2)20KPa3)30KPa4)40KPa5)50KPa6)60KPa7)70KPa8)80KPa图3.12不同疏水附加力作用下混凝土竖向应变图由图3.12可以看出：在井壁内外温差为20℃时，内侧井壁混凝土竖向应变最33 青岛理工大学工学硕士学位论文大值出现在表土段与基岩交界面处；混凝土竖向应变随疏水附加力的增大逐渐向井壁外侧转移，并且在井壁纵向出现跳跃性。图3.13混凝土竖向应变随疏水附加力的变化规律以表土段与基岩交界面处的混凝土竖向应变为研究对象，提取混凝土竖向应变数值，研究在井壁内外侧温差为20℃，内侧井壁混凝土竖向应变随疏水附加力的变化规律。如图3.13所示，混凝土竖向应变随疏水附加力增大逐渐增大，并且增大的速率呈现增大的趋势。3.3.2安全系数、混凝土竖向应变随温差的变化规律《煤矿立井井筒及硐室设计规范》(GB50384-2007)建议按照试验数据或经验选取井壁单位面积上的竖向附加力，在规范中说明中国矿业大学提出安徽宿县祁南矿井井筒外缘竖向附加力标准值为50KPa；煤炭总院北京建井所提出淮北矿区设计标准值为61.5KPa，徐州大屯矿区为56.4KPa，其他矿区为62.1KPa。竖向附加力由温度应力和疏水附加力组成，前文计算出温度应力可按井壁单位面积上13.3KPa施加。为研究双层钢筋混凝土井壁内外温差产生的温度应力对井壁安全状态的影响，施加由疏排水产生的沿井壁均匀分布的疏水附加力40KPa，研究井壁内外侧不同温差对井壁安全系数及混凝土竖向应变的影响。1.安全系数随温差的变化规律由图3.14可以看出，井壁安全系数随温差的增大逐渐降低，在温差为0℃~20℃范围变化时，安全系数的变化范围在1.33~1.41之间。34 青岛理工大学工学硕士学位论文图3.14安全系数随温差的变化规律2.混凝土竖向应变随温差的变化规律1)0℃2)5℃3)10℃4)15℃5)20℃图3.15不同温差作用下混凝土竖向应变图由图3.15可以看出：疏水附加力40KPa作用下，内侧井壁混凝土竖向应变在35 青岛理工大学工学硕士学位论文表土段和基岩交界处出现最大值；混凝土竖向应变呈现出跳跃性。以表土段与基岩交接面处混凝土竖向应变为研究对象，提取混凝土竖向应变数值，研究疏水附加力40KPa作用下，混凝土竖向应变随井壁内外温差的变化规律。图3.16混凝土竖向应变随温差的变化规律如图3.16所示：在疏水附加力40KPa作用下，内侧井壁混凝土竖向应变随温差呈现线性降低。表明水位高度不变的情况下，温差的增大能使内侧井壁竖向应变缓释。3.3本章小结以监测数据为基础，利用ABAQUS数值模拟软件，模拟温度应力的变化规律，研究温度应力、疏水附加力对双层钢筋混凝土井壁安全系数的影响，得到以下结论：(1)温度应力的大小与温差和井壁的埋深有关，在评价井壁的安全状态时，应考虑温度应力和疏水附加力的相互耦合，两者耦合的结果应为幅值逐渐增大的正弦函数。(2)温度应力在考虑井壁周围围岩对井壁产生的负向摩擦力时，井壁埋深较浅的部位由于两者相对位移较大，负向摩擦力为滑动摩擦力；随着埋深的增加，两者之间的摩擦力由滑动摩擦力转化为静摩擦力。(3)得到温度应力随时间变化规律，与大多数立井井壁破裂出现在7～8月份的现象相吻合。(4)以济宁三号煤矿主井的监测数据为基础，研究双层钢筋混凝土井壁的安全36 青岛理工大学工学硕士学位论文系数随疏水附加力、温度应力的变化规律，通过比较疏水附加力和温度应力对安全系数的影响，得出疏水附加力在双层钢筋网井壁破坏中占主要因素，温度应力是不可忽略因素。(5)济宁三号煤矿主井在夏季(温差为20℃)，当疏水附加力达到80KPa时，井壁濒临破坏。37 青岛理工大学工学硕士学位论文第4章基于兖矿集团济宁三号煤矿主井监测数据的安全性评价4.1济宁三号煤矿主井监测系统4.1.1监测项目的确定基岩内水位变化不会引起地层沉降，表土段的疏排水引起地层明显沉降；内侧井壁是井壁受力最危险处，若内侧井壁发生破坏如混凝土剥落、内侧钢筋向井壁内侧弯曲，会影响井筒的正常使用，造成罐道梁弯曲、卡罐等事故，因此井筒安全监测的重点是表土段内侧井壁。一般认为双层钢筋混凝土井壁内侧混凝土受压破坏即为井筒破坏，所以监测项目主要为内侧井壁混凝土的应变。为研究疏水附加力随表土段疏排水的变化规律，在表土段与基岩段的交界处埋设应力计监测应力变化。在井壁破坏的过程中，温度是不可忽略的因素。井筒监测的重点是表土段内侧井壁混凝土的应力、应变及温度。4.1.2传感器的选择及水平分布井筒的服务年限比较长，一般都在10年以上；而在目前井壁破裂监测研究过程中还没有形成长期的数据积累，井壁监测需长期进行，选择寿命长、稳定性好且测量精度高的差动电阻式混凝土应变计，该应变计还可以监测温度。济宁三号煤矿主井监测系统于2005年10月建成，在井壁埋深119m~179m共设置七个测试水平，层位依次为：119m、131m、143m、151m、159m、167m、179m。1~6测试水平埋设应变计，每层设4个测点，每个测点埋设环向和竖向应变计；第7测试水平埋设应力计。具体埋设如图4.1和图4.2。38 青岛理工大学工学硕士学位论文图4.1测点平面布置图4.2传感器编号图4.3主井监测系统测试水平纵向布置图39 青岛理工大学工学硕士学位论文表4-1主井测试传感器编号及对应位置测点1234层数垂直水平垂直水平垂直水平垂直水平111V11H12V12H13V13H14V14H221V21H22V22H23V23H24V24H331V31H32V32H33V33H34V34H441V41H42V42H43V43H44V44H551V51H52V52H53V53H54V54H661V61H62V62H63V63H64V64H71234济宁三号煤矿主井监测系统传感器的具体编号见表4-1，表中第1、2、3、4、5、6测试水平为应变计监测混凝土应变，第7测试水平为应力计监测表土段与基岩段交接面处混凝土的应力。4.2济宁三号井主井监测数据以济宁三号煤矿主井监测数据为研究对象，竖向附加应变及温度变化如图4.4和图4.5所示。由图4.4和图4.5可以看出：竖向附加应变在2014年1月至2014年8月之间呈现逐渐减小的趋势，在此期间井壁内侧温度呈现逐渐增加的趋势；上文模拟得到的结论“疏水附加力不变的情况下，竖向附加应变随温度的升高逐渐减小”与此现象相符。图4.4主井竖向附加应变监测数据40 青岛理工大学工学硕士学位论文图4.5主井温度变化监测数据4.3基于监测数据的济宁三号煤矿主井安全评价以济宁三号煤矿主井监测的竖向附加应变为依据，建立如图2.2所示的模型示意图，对井壁施加自身重力、水平地压、内外温差20℃的温度场、沿井壁均匀分布的疏水附加力。通过逐渐增加疏水附加力，反演得到与监测数据相符的应变，得到此时施加的疏水附加力，进而求得此时井壁的安全系数，对井壁的安全状态评价。1)疏水附加力0KPa41 青岛理工大学工学硕士学位论文2)疏水附加力10KPa3)疏水附加力20KPa4)疏水附加力30KPa42 青岛理工大学工学硕士学位论文5)疏水附加力40KPa6)疏水附加力50KPa7)疏水附加力60KPa43 青岛理工大学工学硕士学位论文8)疏水附加力70KPa9)疏水附加力80KPa图4.6井壁底部竖向应力、应变及水平应变云图由图4.6可以看出，随着疏水附加力的逐渐增大，井壁底部竖向应力逐渐增大，相应的竖向应变逐渐增大，环向应变逐渐减小。通过模拟在不同疏水附加力作用下井壁的竖向应变，得到与12V、31V、41V、54V相对应点的竖向应变。监测系统安装于井壁建成之后，所以监测数据是不计井壁在重力和水平地压作用竖向应变的附加应变。表4-2为各监测点的模拟竖向应变。表4-3为各测点的模拟竖向附加应变。由表4-3可以看出：竖向附加应变随埋深和疏水附加力的增加逐渐增大。如图4.7所示：井壁竖向附加应变随疏水附加力呈线性增加。44 青岛理工大学工学硕士学位论文表4-2各测点模拟竖向应变()疏水附加力/KPa0102030405060708012V(119m)-94-97-147-196-245-295-344-393-44331V(143m)-114-118-177-237-297-357-416-476-53641V(151m)-120-124-187-250-313-376-436-502-56554V(159m)-126-131-197-263-330-396-462-529-595表4-3各测点模拟竖向附加应变()疏水附加力/KPa102030405060708012V(119m)-3-53-102-151-201-250-299-34931V(143m)-4-63-123-183-243-302-362-42241V(151m)-4-67-130-193-256-316-382-44554V(159m)-5-71-137-204-270-336-403-469图4.7井壁竖向附加应变随疏水附加力的变化规律由图4.7所示竖向附加应变随疏水附加力的变化曲线，经线性回归得到各测点竖向附加应变与疏水附加力之间的线性关系如下：12V测点：.49357P46.107(4-1)ZS31V测点：.59738P56.071(4-2)ZS41V测点：.62893P58.893(4-3)ZS54V测点：.66321P61.571(4-4)ZS式中—竖向附加应变，P—疏水附加力KPa。ZS45 青岛理工大学工学硕士学位论文由图4.4可以看出：测点12V竖向附加应变监测数据6~8月为-140，测点31V竖向附加应变监测数据6~8月为-280，测点41V竖向附加应变监测数据6~8月为-270，测点54V竖向附加应变监测数据6~8月为-370。经式4-1、4-2、4-3、4-4计算得到测点12V、31V、41V、54V在井壁内外温差为20℃下，疏水附加力分别为37.7KPa、56.3KPa、52.3KPa、65.1KPa。此时井壁安全系数为1.2，大于双层钢筋混凝土井壁濒临破坏时的安全系数1.1，济宁三号煤矿主井目前处于安全状态。4.4混凝土强度等级对双层钢筋混凝土井壁安全系数的影响混凝土的抗压强度随混凝土等级增加而提高，在对双层钢筋混凝土井壁进行结构优化的过程中，通过改变混凝土强度等级，研究井壁的安全状态。如图5.8所示，随着混凝土等级的提高，双层钢筋混凝土井壁上边缘的位移逐渐减小，位移突变点对应的折减系数逐渐增大。提高混凝土的强度等级，虽然可以降低井壁的位移，但由于井壁位移的减小，井壁破坏具有突发性。图4.8不同强度混凝土井壁上边缘位移随混凝土等级的变化规律46 青岛理工大学工学硕士学位论文图4.9井壁安全系数随混凝土强度等级的变化规律由图4.9可以看出：井壁安全系数随混凝土强度等级的提高逐渐增大，井壁安全性越高。以埋深为179m处双层钢筋混凝土井壁内侧混凝土上的一点A为研究对象，A点内侧混凝土应力变化规律如图4.10。1)C302)C403)C50图4.10A点内侧混凝土应力随混凝土强度等级变化规律以埋深为179m处双层钢筋混凝土井壁的内侧钢筋网上一点B为研究对象，B点内侧钢筋网的应力变化规律如图4.11。47 青岛理工大学工学硕士学位论文1)C352)C403)C45图4.11B点内侧钢筋应力随混凝土等级变化规律由图4.10和图4.11可以看出，在双层钢筋混凝土井壁中，随混凝土强度等级的提高，内侧混凝土应力逐渐增大，内侧钢筋网应力逐渐减小。提高混凝土强度等级，既可以增加双层钢筋混凝土井壁的安全系数，又可以降低内侧钢筋网的应力，从而增加双层钢筋混凝土井壁的安全储备。4.5本章小结以济宁三号煤矿主井的监测数据为基础，通过数值模拟软件ABAQUS反演得到监测温度为35℃，此时的疏水附加力和井壁安全系数。(1)由监测数据得出，竖向附加应变在疏水附加力基本保持不变的情况下，随温差的增大呈现出逐渐降低的趋势。(2)井壁内侧温度为35℃（内外温差为20℃），疏水附加力为55KPa，各测点的模拟竖向附加应变与监测竖向附加应变基本相符，此时井壁的安全系数为1.3，济宁三号煤矿主井处于安全状态。(3)提高双层钢筋混凝土井壁中混凝土的强度，即可以降低内压筋的应力，又可以提高井壁的安全系数，从而增加双层钢筋混凝土井壁的安全储备。48 青岛理工大学工学硕士学位论文第5章结论与展望5.1结论本文以济宁三号煤矿主井监测数据为基础，通过ABAQUS数值模拟软件，研究季节性温差产生的温度应力随井壁埋深的变化规律；对双层钢筋混凝土井壁施加破坏荷载，得出井壁破坏机理；利用安全系数对井壁进行安全评价及结构优化。论文主要取得以下成果：(1)通过研究双层钢筋混凝土井壁在附加力作用下，井壁内外两侧混凝土的应变、应力、塑性区和井壁内外两侧钢筋网的应力、塑性区，得到双层钢筋混凝土井壁破坏机理：内侧混凝土、内压筋、外侧混凝土、外压筋、内箍筋、外箍筋依次进入屈服，井壁完全破坏。(2)以内侧钢筋网竖向受压筋屈服为双层钢筋混凝土井壁破坏标志，得到双层钢筋混凝土井壁濒临破坏时的安全系数为1.1，此时沿井壁均匀分布的竖向附加力为95KPa。(3)以济宁三号煤矿主井的监测数据为基础，研究双层钢筋混凝土井壁的安全系数随疏水附加力、温度应力的变化规律，通过比较疏水附加力和温度应力对安全系数的影响，得出疏水附加力在双层钢筋网井壁破坏中占主要因素，温度应力是不可忽略因素。(4)井壁内侧温度为35℃（内外温差为20℃），疏水附加力为65KPa，各测点的模拟竖向附加应变与监测竖向附加应变基本相符，此时井壁的安全系数为1.2，济宁三号煤矿主井处于安全状态。(5)提高双层钢筋混凝土井壁中混凝土的强度，即可以降低内压筋的应力，又可以提高井壁的安全系数，从而增加双层钢筋混凝土井壁的安全储备。5.2展望(1)附加力受立井井壁和周围土体相互作用影响，合理确定水平地压力的数值是基础。目前对深厚表土层水平地压的计算存在较大争议，没有合适的公式可以采用，重液公式计算的结果偏大。(2)表土层底部含水层疏排水引起的疏水附加力及季节性温度变化引起的温度49 青岛理工大学工学硕士学位论文应力，都是通过立井井壁和周围土体的相互作用关系产生的，目前没有成熟的立井井壁和土体的本构关系可以利用。(3)底部含水层疏排水是一个动态过程，产生的疏水附加力也应该是一个动态过程，以动态观点研究疏水附加力，对评价立井井壁的安全状态极其重要。50 青岛理工大学工学硕士学位论文参考文献[1]崔广心，杨维好，吕恒林.深厚表土层中的冻结壁和井壁[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998：131-138.[2]倪兴华，隋旺华，官云章等.煤矿立井井壁破裂防治技术研究[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005：1-2.[3]刘希亮，罗静.特殊地层井壁破裂研究述评[J].煤炭学报，1998，8(2)：16-17.[4]李生生，梁化强.冻结法凿井井壁破裂原因探讨[A].矿山建设工程新进展—2005全国矿山建设学术会议文集（上册）[C]，2005：156-159.[5]孙亚娟，经来旺.黄淮地区井筒破裂致因分析及防治措施[J].安徽理工大学学报，2010，30(1)：25-29.[6]张文泉，卢玉华，宫红月，等.兖腾矿区立井井壁损坏的原因分析及防治方法[J].岩土力学，2004，25(12)：1977-1980.[7]经来旺，高全臣，刘飞，等.深立井井壁破裂的力学机理及破裂预测研究[J].工程力学，2006，23(3)：156-161.[8]刘金龙，陈陆望，王吉利.立井井壁温度应力特征分析[J].岩土力学，2011，32(8)：2386-2390.[9]经来旺，李华龙.冻结法施工中温度变化对井壁强度的影响[J].煤炭学报，2000，25(1)：40-44.[10]黄家会，杨维好，李峰，等.立井井壁温度变化实测研究[J].辽宁工程技术大学学报，2007，26(3)：360-362.[11]何朋立，王在泉.考虑温度效应的井壁竖向附加力反演分析[J].岩土力学，2013，34（12）：3425-3430.[12]孙亚娟.立井井壁热应力分析[J].高校理科研究，1998，17(5)：431-432.[13]陈祥福，申明亮，张勇，等.厚表土立井井壁破坏数值模拟研究[J].地下空间与工程学报，2010，6(5)：926-931.[14]姚直书.地层沉陷时井壁承受竖向附加力的有限元分析[J].阜新矿业学院学报（自然科学版），1996，15(4)：434-438.[15]刘希亮，张廷顺.井壁竖直附加力与底部含水层应变的关系研究[J].矿山压力与顶板管理，2003，4(10)：1-3.51 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青岛理工大学工学硕士学位论文致谢论文从选题、结构安排、撰写到修改，每个环节都是在导师王在泉教授的悉心指导下完成的，导师对学生高标准严格要求，尤其是对学生的学习方法和能力的培养，使学生终生受益。两年多来，不论在学习还是在生活上，导师都给予无微不至的关怀和帮助，至此论文完成之际，谨向恩师表示深切的敬意和衷心的感谢！感谢张黎明教授给予学生的关心和帮助，并为论文提出的宝贵意见。张老师严谨求实的治学态度，兢兢业业的奉献精神，注重理论联系实际的科研作风，质朴谦和的长者风范使学生受益匪浅。感谢师兄孙辉博士、丛宇博士、丛怡博士，师兄吕文杰、丁涛、高速，师姐赵曼对我学习上的指导和帮助，感谢徐志立、任明远及805宿舍舍友在学习生活上的陪伴，感谢我们团队中的每一员。衷心感谢父母的养育之恩，20年求学路上无处不在的是父母始终如一的关怀和支持，他们的开明大度、无私奉献是我求知路上最坚强的后盾。感谢各位专家、教授在百忙之中对论文的仔细审阅和不吝指教。56