基金项目国家重点研发计划资助项目（2016yfc0600902）

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1、基金项目：国家重点研发计划资助项目（2016YFC0600902）；国家自然科学基金面上项目（51674006）；安徽省高校学科（专业）拔尖人才学术资助项目（gxbjZD09）；安徽省高等学校自然科学研究重点项目（KJ2018A0098）；安徽理工大学青年教师科学研究基金重点项目（QN2017211）第一作者简介：薛维培，男，1990年生，博士，安徽理工大学，讲师；研究方向——煤矿井壁结构力学破坏机理。E-mail:xueweipei@163.com水力耦合作用下煤矿井壁结构的竖向承载特性试验1,2,3111,21,21,2薛维培程桦姚直书李必达徐进金冬(1安徽理工大学土木建筑学院23

2、2001淮南；2安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心232001淮南；3中煤矿山建设集团有限责任公司安全科学与工程博士后科研工作站230000合肥)摘要：为掌握深厚含水层段地下水渗流-应力耦合作用下钢筋混凝土井壁结构的竖向承载特性，根据相似理论设计出了4组模型试验，并在同组试验中增设对照试验；研究了不同强度井壁混凝土在考虑与不考虑水力耦合作用下的力学性能差异，以及水力耦合作用下井壁结构的应力变形特征与竖向极限承载力的变化情况。结果表明：地下水渗流-应力耦合损伤影响程度与井壁混凝土强度有关，随着混凝土强度提高，相应地抗渗性与密实度亦得到提高，地下水渗入混凝土内部的难度增加，从而造成

3、的耦合损伤影响程度较弱。结合极限平衡理论对井壁结构的受力机理展开分析，根据理论推导和试验结果共同建立了水力耦合作用下井壁结构竖向承载力计算公式，理论值与试验值偏差范围为0.39%～2.05%，可为该类井壁结构的竖向承载力设计提供依据。关键词：水力耦合；井壁结构；应力变形特征；竖向承载力；力学机理中图分类号：TD352文献标识码：A模型试验，研究相应条件下井壁的应力特性、强1引言度特征以及破坏机理。仅有文献[8]针对双层钢板煤矿井筒作为矿山开采过程中地面与井下运高强混凝土复合井壁结构的竖向受力特性开展了输的“咽喉”部位，对矿井安全生产至关重要。研究工作，但由于外层钢板的存在，加载过程中由

4、于工作环境的特殊性使得井筒长期处于地下水围压水并没有与混凝土直接接触，因此与井壁实位以下，水环境中井壁混凝土的物理力学性能将际工程受力环境有所差别。[1]会发生改变，势必会对井壁承载能力构成影响。又由于目前绝大多数矿区现役矿井均为钢筋此外，现役煤矿井筒破坏通常是由于表土疏水沉混凝土结构，而关于该种井壁结构在水力耦合作降导致作用在井壁上的竖向附加力过大，且超过用下的竖向承载特性的研究成果偏少。因此，笔[2]井壁竖向承载极限。因此，有必要考虑地下水者将基于相似理论按照一定几何比例设计模型井渗流-应力耦合（即水力耦合）作用时对深厚含水壁，通过模型试验研究围压水作用下钢筋混凝土层段井壁结构竖向

5、承载特性的影响。井壁结构竖向承载特性，预期研究成果将为井壁当前我国在煤矿建井技术领域取得了丰硕成结构安全合理设计提供依据。[3]果，学者们大多针对水平荷载作用下井壁结构2模型设计的相关特性开展了研究，例如文献[4]通过油缸加载施加水平机械荷载对钻井井壁力学特性进行了当前煤矿井筒荒径可达8m以上，纵向跨越研究，指出采用钢板径向约束的方法可以对钢筋表土层与基岩段。因此，对其原型开展破坏性试验是绝无可能的。相似模型理论的提出有效地解混凝土井壁产生约束压应力，从而减少径向应变[9]决了该类问题。由于本次试验的目的是研究水提高井壁整体承载能力。文献[5]模型试验中直接力耦合作用下井壁结构的竖向承

6、载特性，模型设施加水荷载，研究了基岩段井筒在高压水作用下计时须满足结构强度相似的要求，符合应力-应变内外壁应变与位移的变化规律，指出影响井壁内相似条件，还应确保几何相似。最终由弹性力学[9]缘位移的主要因素有静水压力、围岩厚度、剪切理论、相似模型理论以及强度相似条件，得到模量、井壁厚度。文献[6]开展钢骨钢纤维混凝土模型井壁相似指标，如下井壁结构的水平极限承载特性模型试验研究，指CCCl/1；CCp/1；CCEC/1；出钢骨钢纤维的加入可以有效改善混凝土脆性特CCl；C1；C1v(1)征，整体水平承载能力得到提高。文献[7]针对横式中：C为应变相似常数；Cl

7、为几何相似常数；向均布荷载作用下的钢筋混凝土井壁结构开展了C为位移相似常数；Cp为荷载相似常数；C为应力相似常数；CE为弹性模量相似常数。寸要求，确定几何相似常数Cl47并进行等比例当模型采用原井壁筑壁材料进行浇筑时，还缩放，则由上述分析可知位移相似常数C47，具有下列相似关系。其他相似常数均为1。此时，模型测得的钢筋混CECCpCf1；C1；Cu1(2)凝土应力-应变值及破坏荷载与原型是一致的。井式中：Cf为强度相似