白垩系地层条件下冻结壁内部冻胀应力变化规律研究

复杂地质条件下建设井筒首选冻结法,西部地区煤炭资源丰富,但多数煤炭资源埋藏在白垩系含水地层下。如果开采该地质条件下的煤炭资源,井筒必须穿过白垩系含水地层。此时,冻结凿井法是最佳选择。由于先前在白垩系地层条件下应用冻结凿井法建井的实例并不多见,针对白垩系地层条件下的冻结壁内部冻胀应力的变化规律进行研究具有工程意义。通过对穿过白垩系地层的陕西某矿井筒建设过程中冻结壁的内部冻胀应力进行实测,分析了冻结壁内部冻胀应力的变化规律,为其他类似工程提供一定的借鉴。

深厚含水基岩区立井外壁冻结压力的实测与分析

为明确我国西部深厚含水基岩区立井外壁的载荷,在鄂尔多斯市呼吉尔特矿区开展了基岩冻结压力的现场实测研究。结果表明:凿井期基岩冻结压力的变化规律可分为急剧增长、缓慢增长、快速增长、逐步减小4个阶段;基岩冻结压力主要受原岩富水条件、强度等因素的影响,与岩层埋深H关系不大;基岩冻结压力在混凝土浇注后的10～15 d即达到冻结压力最大值Pmax的76.4%～89.8%,建议采用7 d混凝土强度指标来保证外壁早期质量;基岩冻结压力在混凝土浇注后的80～100 d增长至最大值Pmax,Pmax实测值仅为1.08～1.74 MPa,远小于按岩层埋深H换算的静水压力值P0,更远小于特厚冲积表土中的冻结压力上限值Pω。

冻结法凿井冻结温度场的数值反演与模拟

考虑了冻结孔的实际偏斜状况,提出了基于平面有限元模型的冻结温度场数值反演及模拟方法.介绍了模型的基本特征、计算参数及数值反演、模拟的基本步骤.由于能够模拟冻结孔的实际分布状况及冻结管外表面的温度下降过程,并且以土性参数的反演为前提,因而该模型能够以较高的精度模拟冻结温度场的发展过程.通过某冻结温度场的数值模拟实例验证了该方法的可行性,并对影响数值模拟结果的主要因素进行了分析.

龙固副井冻结凿井期外壁混凝土应变的实测研究

通过龙固副井冻结凿井期现场实测，获得了龙固副井外层井壁混凝土应变的变化规律．结合高强混凝土的极限压应变，分析了井壁结构的安全性．研究表明：外层井壁浇筑后，混凝土首先产生拉应变，而后随井壁温度下降而逐渐减小并转变为压应变．环向最大压应变一般为同一监测层位竖向、径向最大压应变的2～4倍．在龙固副井施工中，井壁环向最大压应变达2221με，约为极限压应变的76．6％，处于安全状态．

考虑与周围土体相互作用的非均质冻结壁力学特性分析

为了合理分析复杂地层冻结壁的受力特性,考虑由冻结温度场引起的冻结壁物理力学参数的不均匀性,根据冻结温度场的分布规律,将冻结壁视为材料性质随着半径呈抛物线变化的非均质材料,通过引入应力传递系数ξn来反映开挖卸载作用,建立了冻结壁与周围土体相互作用的力学模型;根据该模型分别推导了冻结壁在弹性状态下、弹塑性状态下的应力解析解及其承受外荷载的计算公式。计算结果表明:考虑与周围土体相互作用的冻结壁比没有考虑相互作用的冻结壁承载力大;而非均质冻结壁的承载力较均质冻结壁偏小。实际上,冻结壁是一个与周围土体相互作用的非均匀体,因此,提出的考虑与周围土体相互作用的非均质冻结壁力学模型,符合实际工况,可为冻结壁设计提供借鉴。

竖井圆形冻结壁弹性设计理论的对比研究

对井筒冻结壁弹性设计理论的3个解析公式进行对比分析,用图解的方式展示出用叠加原理求解基于冻结壁和围岩相互作用的力学模型两种方法,揭示冻结壁外缘载荷随冻结壁厚度和刚度变化的规律。通过对用3种冻结壁厚度公式设计的差异性分析,说明采用重液公式确定拉梅公式中载荷的不合理性,提出基于太沙基有效应力原理的自重初始应力场计算方法。结合案例,比较3种解析公式得到的地层原岩水平载荷和冻结壁厚度的函数关系,用定义域和值域的数学原理研究各个冻结壁弹性设计公式的适用范围,阐释其工程实际意义,并就弹性设计的实用意义进行审慎性评述。

深厚冲积层冻结法凿井外壁受力变形监测分析

为了分析杨村煤矿副井冻结法凿井时外壁的安全性,对其进行了受力变形监测工作。通过346m和387m二个水平监测结果分析表明：深厚粘土层冻结压力在混凝土浇筑后7~10d呈快速增长,随后增加趋缓,二个水平冻结压力与埋深（H）的关系分别为0.0107H和0.0109H;外壁环向钢筋应力和混凝土环向应变主要受冻结压力控制,表现为受压。二个水平环向钢筋最大压应力分别为-212.6MPa和-147.5MPa,二个水平混凝土环向应变分别为-1655με和-1170.5με,均小于设计值,外壁处于安全状态;外壁竖向钢筋应力和混凝土竖向应变主要受井壁降温梯度和冻结壁约束程度等影响。在冻结井筒掘进时,确保井帮温度达到一定值,减小冻土位移对外壁的作用,降低温度约束应力,可避免环向裂纹产生,有利于井筒使用过程中防治水工作。

深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝土内壁设计优化与实测分析

针对深厚表土层冻结井筒内壁设计厚度较大问题,对高强钢筋混凝土内壁的受力机理、设计优化方法、现场实测结果进行了分析研究。首先,采用相似理论设计出模型井壁并进行加载试验,实测得到高强钢筋混凝土内壁的应力、变形和承载力,研究了该种井壁结构的受力机理,结果表明深厚表土层冻结井筒内壁属于深埋于地下的厚壁圆筒结构物,由于内表面的圆形结构特征,在侧向压力作用下,井壁结构中混凝土由外缘的三向受压过渡到内缘的二向受压应力状态,其混凝土抗压强度提高了1.592~1.765倍,井壁承载能力得到显著提高。建立了混凝土抗压强度提高系数试验值的计算公式,获得了高强钢筋混凝土内壁的应力特性和强度特征。然后,基于我国现行混凝土结构设计规范关于混凝土多轴强度验算要求,根据模型试验结果和内壁受力机理,提出了深厚表土层高强钢筋混凝土内壁设计优化方法,给出了混凝土抗压强度提高系数设计取值。并将设计优化方法应用于潘三煤矿新西风井冻结段内壁控制层位,井壁厚度由原设计的1150mm优化为900mm,厚度减薄达21.74%。最后,通过潘三煤矿新西风井工程现场实测表明,优化设计后的井壁结构中环向钢筋应力值为-125.8^-136.9MPa、竖向钢筋应力值为-39.5^-53.2MPa,远小于钢筋强度设计值300MPa,井壁中混凝土环向应变为-730×10-6^-790×10-6、竖向应变为-380×10-6^-390×10-6,远小于C70混凝土的极限压应变值,说明设计优化后的井壁结构不但经济合理,而且安全可靠。

富水松软岩层冻结法凿井井壁结构试验研究

为解决我国西北地区富水松软岩层冻结井筒的支护难题，通过结构模型试验，对冻结井壁的力学特性进行了系统研究。首先推导了井壁结构模型试验的相似准则，据此进行了内、外层井壁的模型设计和试件加工；然后通过加载试验，得到了它们在水平荷载作用下的应力和强度特性。结果表明：高强钢筋混凝土内壁结构中的混凝土处于多轴受压应力状态下，变形受到约束作用明显，井壁结构中混凝土抗压强度比单轴抗压强度提高了1.562~1.831倍，使得井壁实际承载力得到了大幅度提高，并根据理论分析和试验结果推导出了这种井壁承载力的计算公式；外层井壁模型试件在加载破坏时，井壁结构中的混凝土极限压应力接近于混凝土单轴轴心抗压强度。建议在富水松软岩层冻结井壁结构强度计算中，应根据内、外壁结构中混凝土所处的受力状态来选用其强度值。

赵楼矿深厚表土层冻结法凿井工程监测技术

结合赵楼矿深厚表土冻结法凿井工程,介绍了冻结法凿井中的地层冻结工程相关参数监测、井帮温度与变形监测和井壁收敛监测、上部已成型井壁段的温度和受力与变形监测,依据监测结果及其规律分析,主井及时中途套壁,副井在出现井壁裂隙的情况下坚持大段高掘砌。赵楼矿主副井外壁掘砌平均速度分别为88.33 m/月和93.21 m/月,内壁套砌速度均超过280 m/月。两井筒施工与施工组织设计相比分别提前28 d和26 d通过冻结段,节约直接冻结运行费约396万元,实现了深厚表土冻结法凿井的安全、快速施工。

基于DP准则双排管冻结壁力学特性理论分析

为了分析深厚冲击层双排管冻结壁的强度和稳定性,将冻结壁的温度场等效为梯形分布。根据冻结壁力学性质与温度之间的线性关系,基于Druker-Prager准则,推导出冻结壁弹性区和塑性区的应力解析表达式;以及冻结壁外荷载与塑性区相对半径之间关系。计算结果表明:冻结壁的径向应力随相对半径r的增大而增加;冻结壁环向应力在区间Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ随相对半径r的变化呈现不同的变化规律;并且冻结壁塑性区的应力与外荷载大小无关,只与其所处位置有关。另外,针对工程实例,计算得到控制层位的冻结壁承受外荷载,远小于其塑性极限荷载,从而表明该矿井冻结壁是安全可靠的。

高水压下基岩冻结壁设计方法

首先提出了高水压基岩冻结在冻结壁和井壁设计方面存在的问题;其次回顾了冻结法凿井中冻结壁厚度设计理论的发展,客观地揭示了井筒井壁内外分层的力学原因,以及基岩冻结壁设计方面所需考虑的基本问题;第三,探讨了包神公式设计冻结壁的载荷性质,及与冻结壁外缘载荷的关系,剖析了冻结壁与井筒的几何尺寸、刚度等因素对冻结壁外缘载荷的影响;第四,深入研究了采用拉麦和包神公式进行冻结壁弹性设计的力学条件;第五,定量分析了井筒冻结壁弹性设计的深度范围;最后探讨了冻结基岩许用强度、剪切模量之比等参数对设计冻结壁厚度的影响。

深厚表土冻结法凿井井壁安全监测技术

重点介绍了深厚表土中冻结法凿井的井壁安全监测技术,利用现代计算机控制和远程通信技术,通过电话网和调制解调器,借助预埋的传感器,经过信息的分析和反演,实现了冻结法凿井中对井壁的远程全自动安全监测。

基于DP准则的功能梯度材料冻结壁受力分析

为了更好地分析深厚冲积层冻结壁的力学特性,基于Druker-Prager强度准则,将冻结壁视为力学性质呈抛物线变化的功能梯度材料(FGM)的厚壁圆筒,推导出FGM冻结壁弹性区和塑性区的应力解析表达式,以及作用于冻结壁上的外荷载p与塑性区相对半径ρ之间的关系式。计算结果表明:冻结壁的径向应力随相对半径r的增大而增加,冻结壁环向应力随相对半径r呈抛物线形变化,并且冻结壁塑性区的环向应力与外荷载大小无关,只与其所处位置有关。另外,由工程实例计算可得,冻结壁在530 m处承受的外荷载p为6.36 MPa,约等于冻结壁的弹性极限力6.33 MPa,小于其塑性极限承载力18.89 MPa,表明该冻结壁是安全的。

我国特殊凿井技术的发展与展望

介绍了在含水不稳定冲积层和含水基岩中建设井筒通常采用的冻结法、钻井法和注浆法等特殊凿井方法,以及这3种特殊凿井方法的发展历程和关键技术现状及典型工程应用实例,并对这些方法今后的发展进行了展望。

多圈管冻结下冻结壁温度场融化特性的实测研究

对淮南矿业集团某矿井筒冻结壁温度场发展与融化过程进行了监测,根据实测数据,分析研究了冻结壁融化过程,得出了不同土质条件下冻结壁融化时间和融化速率,并基于对数函数拟合出了冻结壁温度场变化与时间的关系。

深厚冲积层中冻结壁厚度的研究

本文对冻结法凿井中冻结壁厚度的确定方法进行分析指出:用古典力学理论,常规的材料力学试验方法研究深厚冲积层中冻土和冻结壁已不适用。用模拟试验的方法,研究冻结壁厚度与外载、冻结壁温度、掘进半径、段高、段高暴露时间等参数间关系,得到在深厚冲积层中砂层和粘土层的冻结壁厚度计算公式。并对冻土、冻结壁的力学参数、本构关系和强度理论的研究方法和方向提出建议。

煤矿冻结法凿井热交换节能控制系统设计

针对煤矿冻结法凿井工程冻结站设备自动化程度低、电能浪费严重的现状,设计热交换节能控制系统,采用模糊控制器对盐水温度和流量进行控制,根据冻结工程实际热交换规模,调节设备运转状态。系统中盐水泵采用变频控制器改变拖动电动机转速调节盐水流量,压缩机组采用合理启停机组实现盐水温度控制,并可按需供给。从实际使用效果看,系统控制性能良好,延长了设备使用寿命,节约了大量电能,降低了施工企业用电成本。

深厚冲积层多井共站冻结优化设计

为了减少深厚冲积层冻结法凿井的设备占用、降低冻结费用,基于冻结时井筒最大需冷量的变化规律,提出多井共站的冻结设计方法。研究通过合理安排各井筒的冻结开机时间,错开各井筒最大需冷量峰值,从而降低冻结站的最大总需冷量,达到减少设备装机、提高运转效率的目的。赵楼煤矿主、副、风三井筒三井共站冻结工程实践表明,多井共站冻结比各井筒单独冻结可少装机45%左右。

不同地区冻结岩土物理力学性能试验及冻结方案选择

进行了华东、西北地区冻结岩土物理力学性能试验,对比了相互之间的差异。得出白垩系、侏罗系地层岩石导热系数大、比热小、冻胀率小等物理性能。岩石自身强度高,在低温条件下,随养护温度降低,强度进一步提高,但主要体现在-5^-10℃区间,-10℃条件下强度可达10MPa以上,极限破坏应变介于1%~3%之间等力学指标。探讨了华东地区深厚冲积层冻结方案,此经验基础上,提出在白垩系、侏罗系地层冻结方案设计时以考虑防水为主,考虑掘进时爆破对冻结管的影响,应适当加大冻结管圈径,但采用单圈管冻结即可满足工程要求。试验结果为西北地区冻结方案设计提供参考。