立井软岩冻结设计优化及智能监控软件技术

本文结合目前普遍采用的冻结法,对存在的问题进行分析,并利用信息技术模式对冻结软件的工艺进行优化,让冻结软岩效果更为突出。在冻结软岩设计的优化实践中,还需利用智能技术做好监控,跟踪施工,对施工进行指导和规范。本文研究了立井软岩冻结设计的优化工艺及智能监控软件技术。

软岩冻结凿井井帮稳定性影响因素敏感性分析

西部软岩冻结凿井施工设计主要参照中东部冻结凿井施工经验,造成掘砌段高、冻结强度等关键参数设计无可靠依据。为此,通过对冻结软岩围岩径向变形主要影响因素进行辨识,并充分考虑影响因素之间的内在关联性和实际工程状况,根据正交试验理论设计了4因素4水平正交试验方案;根据中砂岩强度参数与冻结温度的相关性,通过fish编程对数值模型进行参数赋值;经过模拟分析,确定最大径向位移点出现在2.13h/3处,采用2h/3处径向位移为评价指标,经极差分析,掘砌段高对径向变形影响最大,且段高超过4.0 m后影响显著,最后经补充实验方案模拟分析,结果表明,掘砌段高影响最大,为22.7%,而冻结强度为-24.0℃时,增加冻结强度对控制冻结变形并不明显。分析结论对冻结凿井施工中冻结温度的确定和掘砌段高设置具有重要应用价值。

西部地区软岩冻结设计比较

结合内蒙泊江海子煤矿3个立井井筒冻结设计和施工情况,对西部地区软岩冻结设计和施工中存在的问题进行了分析。指出了对软岩冻结认识上的不一致,造成了冻结设计上的差异,从而导致不同的施工效果。认为副井冻结设计最为经济合理,冻结效果最好,为井筒掘砌施工创造了良好条件。

白垩系冻结软岩非线性流变模型试验研究

通过高围压固结、低温冻结后再加卸载的试验方法模拟白垩系冻结软岩地下工程施工应力状态变化过程,大量的试验结果表明:白垩系地层冻结软岩存在起始临界应力阈值,且符合Mises强度函数准则;冻结软岩黏滞系数是时间的一次函数,拟合相关系数达0.99以上。根据试验提出了冻结软岩黏弹塑非线性蠕变本构力学模型,将现场实测结果与计算值进行对比:两者变形规律完全一致且数值较吻合,从而验证了低温软岩本构模型的正确性,可为冻结地下工程和寒区岩土工程数值计算提供参考。

泊江海子矿白垩纪地层冻结软岩力学特性试验

针对泊江海子矿白垩纪地层中的砂岩和泥岩,分别进行了不同温度（-20～20℃）下的三轴压缩试验。试验结果表明：在-20～20℃之间,白垩纪地层软岩的峰值强度和弹性模量均随温度的降低及围压的升高而增加,其中中砂岩的峰值强度随温度的变化程度明显大于泥岩,即其对温度的敏感性更高;而岩石峰值处的轴向应变则随温度的下降而减小;另外,随着温度降低,两种岩石的峰值内摩擦角和黏聚力均有一定程度的提高,并且抗剪强度指标的增加主要集中在黏聚力上。通过对试验结果的整理和分析,掌握了白垩纪地层软岩在不同低温和围压下的力学特性和规律,为西部地区矿井冻结法设计与施工提供了可靠的依据。

人工冻结软岩粒子群塑性强化开尔文蠕变模型

随着地下的利用和研究往深处发展,冻结法施工越来越多,蠕变是冻土的显著特点之一,为确保工程安全,冻土蠕变成为重点研究对象。根据损伤理论,材料硬化状态的变化将导致材料变形行为的改变,因此研究人工冻结软岩的蠕变应充分考虑塑性强化的影响。基于塑性强化的蠕变模型在岩土工程中比较少见,为了更好的模拟蠕变过程,引入与时间有关的塑性强化函数,与开尔文模型串联,最后得到塑性强化开尔文蠕变模型,对圆柱形试样进行单轴蠕变试验,运用粒子群优化方法,通过对建立的蠕变模型进行识别,得到蠕变模型的参数,对比塑性强化开尔文蠕变模型计算值与试验结果,发现塑性强化开尔文模型能很好模拟深部人工冻结软岩的蠕变。

冻结软岩的非线性弹性蠕变模型研究

采用分级增量加载方式,对冻结软岩进行单轴蠕变试验,试验结果表明,试件的弹性应力应变曲线呈非线性关系,对此引入非线性弹性元件对西原模型进行改进,建立非线性弹性蠕变模型,并对试验结果进行拟合,试验曲线与模型曲线较吻合,验证了模型的合理性。

正梯度冲击下冻结红砂岩力学性能及损伤效应研究

随着冻结法立井建设在西部矿区富水地层的大规模运用,研究冻结壁在爆破、机械破岩等不同强度冲击荷载下的力学特性及损伤效应,对解决冻结壁开裂渗水及失稳透水问题具有重要意义。因此,该文章以甘肃省五举煤矿冻结凿井穿越的白垩系富水软岩为研究对象,分析不同冻结温度(25℃,-5℃,-10℃,-15℃和-20℃)红砂岩在正梯度冲击下(即冲击荷载逐渐加强)的动力学特性,同时采用核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)技术对冲击过程中红砂岩孔隙数量、面积及孔隙度的变化进行检测,分析冻结红砂岩在正梯度冲击作用下的损伤演化规律。结果表明:相较于低、中速率冲击,在高速率冲击时,冻结红砂岩应变率随冻结温度的下降变化明显,温度效应显著;不同冻结温度红砂岩的峰值应力和弹性模量增幅随冲击荷载的升高而增加;峰值应变在-5℃时达到最大值,在-10℃~-20℃随冻结温度的降低其增长趋势逐渐放缓;由T谱曲线及谱面积可知,在正梯度冲击作用下,温度由25℃下降到-10℃,小孔隙孔径先减小后增大,数量先增加后降低,中、大孔隙孔径及数量则相反,谱面积先降低后升高,由-15℃下降到-20℃,小孔隙数量增加、孔径减小,中、大孔隙数量和孔径均呈小幅稳定增长,谱面积呈小幅增长;采用孔隙度的变化定义岩石损伤度,发现在正梯度冲击作用下,-10℃红砂岩的损伤趋势和损伤度最大,在-5℃~-10℃内出现损伤薄弱区。

核桃峪副井冻结工程难点及解决对策

核桃峪副井冻结工程为世界最深的井筒冻结工程,冻结深度950 m。主要介绍了该超深事故井筒冻结设计及施工中遇到的难点问题及相关解决对策,对类似工程项目的前期设计与后期实施具有一定的参考价值。

核桃峪副井冻结温度场数值计算分析

针对核桃峪副井冻结深度大、地温高、冻结设计中采用差异冻结方案的特点,采用Ansys数值计算方法对地层温度场的发展情况进行了分析,获得了冻结壁发展的相关规律,为项目顺利实施提供了有利保证。

深厚富水软岩井筒普通法转冻结法施工关键技术

我国西部地区煤炭资源埋藏条件基本上以岩层为主,上部松散层较浅,很多埋藏浅的井筒采用普通法基本能够完成建设任务,但埋藏较深的煤炭资源的井筒建设,由于工程地质、水文地质条件复杂,部分井筒在采用普通法施工到含水层厚度较大的洛河组一定深度时,无法控制井筒涌水,只得被迫淹井而停止施工,而转用冻结法继续施工。本文主要介绍西部地区具有代表性的深厚富水软岩井筒普通法转冻结法施工的关键技术,技术主要包含冻结施工方案设计、冻结孔施工及堵漏技术、水文孔设计及施工、冻结壁快速交圈技术、已有井壁保护措施、节能降耗等,通过具体项目的成功实施,为今后类似工程的施工提供了成功的可借鉴经验。

西部地区人工冻土蠕变特征研究

本文采用室内冻结白垩系地层单轴蠕变试验研究我国白垩系地层人工冻结软岩热物理参数、冻结软岩力学特性及冻结壁设计。研究成果是白垩系地层人工冻软岩冻结壁力学计算的基础,为冻结壁稳定性分析与工程预测提供科学指导,对推动我国冻结法凿井理论与技术进步具有重大意义。