基于含水层疏水的立井井筒稳定性流固耦合分析方法

本发明属于井巷稳定性分析领域，具体为基于含水层疏水的立井井筒稳定性流固耦合分析方法。

背景技术：

1、立井井筒承担运输设备，通风换气等重要功能，是煤矿开采的重要通道。立井井筒会通过松散层中的含水层，在立井井筒的施工和服役过程中，部分外界因素会导致含水层疏水，而含水层疏水会导致含水层内部孔隙水压力降低，进而导致含水层压缩，上覆地层产生沉降。在上覆地层沉降过程中，立井井筒的井壁会对其形成一定的约束，两者之间产生相互作用力，导致井壁产生附加应力，这种附加应力与井壁自身自重、地压等其他应力进行叠加，极易引发井壁破裂等失稳事故。当前的立井稳定性分析方法多单独考虑地压作用，而忽略了由含水层疏水引发的应力变化和地层沉降，流固耦合效应考虑不足，且各物理量之间没有建立起定量逻辑关系，导致分析结果误差较大，无法有效指导实际工程。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提出基于含水层疏水的立井井筒稳定性流固耦合分析方法，包括：

2、计算滑动极限情况下井壁所受的等效应力：

3、

4、式中，为滑动极限情况下井壁所受等效应力；为井壁极限附加轴向应力；为井壁初始轴向应力；为井壁内侧的切向应力；单位皆为mpa；

5、计算井壁极限承载强度，单位mpa；

6、若，基于下式计算上覆地层与井壁发生相对滑动的临界状态下的上覆地层自由沉降量临界值：

7、

8、式中，k为上覆地层综合沉降系数，，r为井壁的外半径，m；r0为井壁的内半径，m；h为上覆地层厚度，m；，es为含水层平均压缩模量，mpa,h为含水层厚度，m；代表上覆地层的平均长时剪切模量，mpa；，为上覆地层中第i层土层的长时剪切模量，mpa；为上覆地层中第i层土层的厚度，m；n代表层数；的比值能够通过查贝塞尔函数表获得；a为井壁刚度折算系数，综合考虑井壁不同分层弹性模量差异取值；

9、若≥，令；解出下式中的上覆地层自由沉降量即为井壁发生破坏时的上覆地层自由沉降量临界值：

10、

11、式中，为上覆地层自由沉降量，m；对应的、的单位为m；为井壁发生破坏时井壁所受等效应力，mpa。

12、优选的，井壁初始轴向应力的计算公式为：

13、

14、式中，n为井壁及其附加设施总重量，t。

15、优选的，井壁内侧的切向应力计算公式如下：

16、

17、式中，p为作用在井壁外壁上的侧向地压，mpa。

18、优选的，井壁极限附加轴向应力计算公式如下：

19、

20、式中，为作用在井壁上的土压力，mpa；为上覆地层的内摩擦角，°；c为上覆地层的粘聚力，mpa。

21、优选的，井壁极限承载强度计算公式如下：

22、

23、式中，ra、rg分别为井壁中混凝土和钢的抗压强度，mpa；μ为井壁竖筋含钢率。

24、优选的，井壁刚度折算系数计算公式如下：

25、

26、式中，a1，a2，a3分别为自内而外第1、2、3层井壁的横截面积，m2；e1，e2，e3分别为自内而外第1、2、3层井壁的弹性模量，mpa。

27、本发明的有益技术效果为：（1）本发明综合考虑影响立井井筒稳定性的多种因素，详细分析了上覆地层沉降过程中井壁的受力情况，并给出一种以上覆地层自由沉降量为指标的立井井筒稳定性分析方法，实现了对立井井筒稳定性的定量化评价，且评价指标易于获取。

28、（2）本发明以含水层疏水引起的孔隙水压变化为出发点，将含水层水头变化和上覆地层变形联系起来，建立水流与应力耦合关系，给出了井壁附加轴向应力与含水层水头高度变化的直接关系公式，解决了现有方法割裂水文与力学作用的问题。

29、（3）本发明充分考虑立井井筒在上覆地层沉降过程中可能出现的状态，对井壁与上覆地层发生塑性滑动和井壁破坏两种情况展开分析，并分别给出其临界沉降量的计算方法，尽可能消除上覆地层特性不同产生的影响，工程适用范围大。

1.基于含水层疏水的立井井筒稳定性流固耦合分析方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于含水层疏水的立井井筒稳定性流固耦合分析方法，其特征在于，井壁初始轴向应力的计算公式为：

3.根据权利要求2所述的基于含水层疏水的立井井筒稳定性流固耦合分析方法，其特征在于，井壁内侧的切向应力计算公式如下：

4.根据权利要求3所述的基于含水层疏水的立井井筒稳定性流固耦合分析方法，其特征在于，井壁极限附加轴向应力计算公式如下：

5.根据权利要求4所述的基于含水层疏水的立井井筒稳定性流固耦合分析方法，其特征在于，井壁极限承载强度计算公式如下：

6.根据权利要求5所述的基于含水层疏水的立井井筒稳定性流固耦合分析方法，其特征在于，井壁刚度折算系数计算公式如下：