基于井壁监测信息的竖向附加力反演及井壁破坏分析

提出基于监测信息的应变优化反分析荷载的方法,即以井壁应变监测信息为依据,将竖向附加力作为设计变量建立分析模型,不断改变设计参数,使计算值与监测结果逐步逼近,从而反演作用在井壁不稳定地层段上的竖向附加力,最后依据所设模型的反演参数编写优化文件.在得到附加力基础上对井壁进行数值分析,结果表明,施加4 a附加力后井壁内侧开始进入塑性,塑性区最早出现在表土与基岩交界面附近;经过10.4 a后,在基岩交界面附近出现周圈裂缝,井壁发生破坏.

竖井井壁竖向附加力的理论计算方法

从弹性力学的空间轴对称问题出发,从理论上推导建立了竖井竖向附加力的应力表达式.分析该应力表达式可知,在竖向附加力作用下,井壁所受的径向、环向压应力值均为零,竖向附加力对井壁的作用主要体现为轴向压应力,且轴向应力在沿井壁厚度方向几乎无变化,因而可以将作用在井壁外侧的竖向附加力等效为作用在井壁横截面上的均布力.利用该应力表达式对某铁矿竖井井壁竖向附加力进行了计算,得到了井壁应力状况.

考虑温度效应的井壁竖向附加力反演分析

为了分析考虑温度应力后作用于深厚表土层立井井壁竖向附加力,建立了由于立井内、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。基于井壁是由于竖向应力超过钢筋混凝土井壁极限抗压强度而发生破裂的事实,对作用于井壁上的温度荷载、自重、水平侧压力和竖向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,竖向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。同时在考虑井壁温度应力和井壁破裂特征的基础上,利用井壁结构设计理论通过反演分析得到了地层疏水沉降时井壁承受的最大竖向附加力的数值,为新建井壁设计和已建成投产井壁的安全性评估提供重要参考依据。

立井井壁竖向附加力的反演统计分析

立井井壁单位外表面积竖向附加力的数值较难准确确定,相关规范中仅注明了可根据具体条件按试验数据或经验选取。本文基于16个已破裂立井案例,通过破裂断面上的强度关系反演推算得到附加力的有效均值。计算结果表明:同一煤矿中不同立井的附加力值较为接近,不同煤矿的附加力值相差较大。预制混凝土结构与土体的接触不够紧密,故预制井壁的竖向附加力值较小。附加力的大小并不取决于立井的深度,而与地质条件有关。影响竖向附加力大小的因素众多,仅依照地质资料要准确确定某一矿井的竖向附加力取值是非常困难的。分析表明:若新建矿井的地质条件与本文反演计算中的矿井类似或相近,其竖向附加力可选相近矿井的相应值做参考。

考虑竖向附加力和温度应力作用的双层井壁结构优化计算

为分析竖向附加力和季节性温度应力对井壁应变和应力发展规律的影响,并对井壁结构进行相应的优化,利用有限元软件ABAQUS建立了某双层立井井壁在自重、水平地压、竖向附加力和季节性温度应力共同作用下空间受力模型.通过相似理论分析可确定在既定井壁温度场条件下,井筒内、外壁受力状态主要受3个可变因素(外壁与内壁的厚度比Do和Di弹模比Eo/Et以及内、外壁之间摩擦系数μ)的影响.通过L9(34)正交数值试验,获得了以上3个因素对井筒内、外壁受力大小的影响程度.根据正交试验结果可知,选择合适的内、外壁摩擦系数并提高外壁与内壁厚度比可改善双层井壁的整体受力状态.

考虑竖向附加力时井壁应力计算方法

在考虑竖向附加力作用时，井壁结构的设计计算应按空间轴对称问题考虑。在运用迭加原理求得了井壁应力的计算公式后，又编制了空间轴对称问题的有限元程序，通过计算发现，两者的误差很小，都可应用于井壁结构的设计计算。

钻井法凿井壁后充填对竖向附加力的影响

钻井法凿井由于它的工艺特点，井壁悬浮下沉安装后，与地层之间大部分隔着１层粘结性很差、强度很低的水泥浆充填物或呈饱和状态自然堆积的碎石与泥浆的混合物，它与井壁之间的摩阻力小于其它方法施工的井筒与地层之间的摩阻力。通过模型试验数据，论述了不同壁后充填条件下井壁与地层之间摩阻力的大小，提出了在充分考虑井筒延深或开凿马头门安全的前提下，应根据地层条件进行合理的充填段划分，并采用相应的充填材料和工艺，以减小地层下沉作用于井壁的竖向附加力。

特殊地层条件下新型井壁竖向附加力确定方法的分析

在分析竖向附加力的产生及当前关于该力的确定方法的基础上 ,指出了由于问题十分复杂 ,要在短时期内准确确定附加力的分布与大小是十分困难的 ,就实际需要而言 ,只需确定附加力的均值和极限值即可。根据土层与井壁共同作用原理 ,提出了关于作用在滑动可缩和整体可缩新型井壁结构上的竖向附加力的确定方法。

竖向附加力作用下深厚表土层冻结井壁设计及应用

通过对淮北地区信湖矿副井的深厚表土工程水文地质情况分析,研究了竖向附加力作用下设置基于信息化施工的井壁破坏监测及可压缩井壁接头的可行性和相应设计。给出了该副井冻结压力的设计取值与深度的关系;探讨了外壁在不同强度等级高强钢筋混凝土支护条件下井壁设计的合理性。该井筒现已顺利施工完成,其设计支护效果和经济性显著提高。

基于薄板弯曲变形理论的煤矿立井次生地压与竖向附加力理论解

基于表土沉降引发的煤矿立井次生地压与竖向附加力对深厚表土层中井壁结构设计的重要性,采用微元法将井筒周围表土划分成若干以井筒中心线为对称轴的薄板单元,利用轴对称薄板弯曲变形理论和土的基本力学性质建立微分方程,以临涣主井为研究对象并借助井壁应力实测数据,对立井次生地压与竖向附加力的分布规律进行研究,得到相应的理论解。结果表明:理论与实践相结合获得的次生地压和竖向附加力分布规律与实际情况吻合度高,能够满足临涣主井与井田区域内的其他6个破裂井筒强度验算要求。次生地压与竖向附加力理论解的科学性得到很好的检验。

围土注浆缓释和抑制井壁附加力效应及应用

阐述了预防与治理厚表土层立井井壁破裂的围土层注浆加固方法的机理,将围土层注浆“缓释”和“抑制”井壁竖直附加力的原理应用到某一矿井工程治理中并取得成功。通过埋设于井壁中的混凝土应变传感器实测数据表明,井壁已有的竖向附加应变减少了330με,这一结果说明井壁中既有的竖直附加力得到有效“缓释”;间歇期间的井壁附加应变几乎无增量,这一演变表明井壁附加力的增长得到了有效“抑制”;而地面变形与井壁受力实测趋势完全吻合。围土层注浆加固能够有效地改善井壁的受力状态,对井壁的既有应变有显著的缓释作用,对矿井疏排水造成的井壁附加应变的增长有明显的抑制作用。这一理论与技术可以在类似矿井井壁破裂防治与治理工程中推广应用。

特厚表土层钢板混凝土复合井壁竖向承载力试验研究

通过模型试验和理论分析,对特厚表土层双层钢板高强混凝土复合井壁的竖向受力特性进行了研究。首先,根据相似理论,进行了双层钢板高强混凝土复合井壁结构的模型设计和试件加工;然后,通过加载试验,得到了井壁结构在竖向荷载和侧压共同作用下的竖向应力、变形和强度特性。结果表明:由于内、外钢板筒的约束作用,井壁结构中的混凝土完全处于三向受压应力状态下,其抗压强度提高了1.73～1.92倍,且井壁破坏时混凝土的竖向极限压应变达到-3.9×10-3,表现出较好的延性特性。通过钢板与混凝土的相互约束,改善了各自的力学特性,使井壁竖向承载力显著提高,远比钢板筒和中间混凝土层的竖向极限承载力之和大,并根据理论分析和试验结果推导出了井壁竖向承载力的计算公式,对理论研究和工程应用具有一定的参考价值。

地层沉降条件下可缩性钻井井壁受力机理的试验研究

针对地层沉降条件下煤矿立井井壁的破坏机理,提出了一种新型可缩性钻井井壁结构。通过模拟试验表明:在地层沉降条件下,这种井壁结构能随之压缩,从而可使作用在井壁上的竖向附加力(即负摩擦力)得到相应衰减,使井壁达到安全使用。由此提出了可缩性钻井井壁竖向承载力的设计方法。研究成果已在淮北矿区的4个井筒中得到了成功应用。

冻结井可缩性井壁接头力学特性研究及其应用

针对丁集煤矿特殊的地层条件,为防止井壁在冻结壁融沉和地层疏水沉降时发生破裂,在井壁设计时采用竖向可缩性井壁结构,并提出了一种新型冻结井可缩性井壁接头形式。通过试验和数值计算表明:在竖向附加力作用下,该接头具有良好的竖向压缩变形特性、很强的抗侧压能力和可靠的防水、防漏性能,并且实验结果与数值计算结果基本一致。该研究成果已应用于丁集煤矿的三个立井井筒。

深冻结井筒竖向可缩井壁的设计与施工技术

论文针对深厚表土层冻结法施工的立井井筒可能因竖向附加力作用而发生破裂这一技术难题,根据设计原则研制了一种深冻结井筒竖向可缩井壁结构。详细叙述了该井壁结构的制作方法和现场施工技术,并在丁集矿三个井筒中得到了成功应用,可为新井建设中的新型井壁结构的设计和施工提供参考依据。

沉降地层破裂井壁修复治理工程设计原理

针对立井井壁的破坏机理 ,提出了修复治理破裂井壁的设计原则 ,同时给出了破裂井壁注浆参数的确定方法、表土层沉降量的计算方法以及卸压槽和槽钢加固结构的设计方法。应用该研究成果已成功地修复治理了 15个破裂井壁 。

临涣矿副井井壁修复加固设计优化

通过对临涣矿副井井壁破坏机理的分析 ,指出了原卸压槽卸压效果不明显和槽口位置内壁混凝土强度大大降低是其主要原因。并针对目前矿井的水文地质条件 ,采用“纵让横抗”的修复原则 ,通过优化设计 ,得到了该井修复加固的合理参数。

地层加固法治理井壁破裂技术

在简要介绍井壁破裂机理及常用治理方法的基础上,主要介绍了地面注浆地层加固法治理井壁技术的机理和技术要点。

钻井井壁可缩性接头位置的优化分析

针对地层沉降条件下提出的可缩性钻井井壁结构,应用分析软件对可缩性接头位置进行了优化分析,分析表明:新型可缩性钻井井壁结构能有效地减少作用在井壁上的竖向附加力(即负摩擦力),放置在风化基岩中部的可缩接头能减少井壁附加力达58%。研究成果可供可缩性钻井井壁结构的设计和应用参考。

某煤矿井筒破坏与监测信息研究分析

井筒信息监测是判断井筒工作状态和前期变化的重要手段。为研究井筒的受力变形与周围环境变化的关系,寻找造成井壁受力以及发生大变形的原因,通过对井筒监测和分析,发现同一水平面上井壁与周围土层变形并不是均匀同步发生的,呈现季节交替的特性和某一点变形较其他点变形量大的特征。分析发现,采矿期间地下水位的下降造成了井壁与土层的不同步变形,这种不同步变形对井壁产生的竖向附加力是造成井壁受力和变形增大的主要原因。分析结果为研究井壁破坏和变形分析提供参考。