内层钢板外层高强度混凝土复合井壁受力特性与支护结构参数优化分析

针对内层钢板外层高强度混凝土复合井壁的厚度设计,以受均匀围压的内层钢板外层高强度混凝土复合井壁得出的弹性解析解为基础,对内层钢板采用Mises屈服准则,外层高强度混凝土采用统一强度理论,研究复合井壁的初始屈服临界状态.以内层钢板和外层高强度混凝土均未屈服为条件,提出复合井壁的设计流程.结果表明,当内半径、围压以及材料给定时,存在外半径和分层半径的最佳取值范围,在此范围内选择外半径和对应的分层半径,内层钢板和外层高强度混凝土均不会达到屈服.与模型试验进行对比,发现试验中内半径、外半径、分层半径和材料给定的复合井壁,当围压等于设计围压时,外半径和分层半径处于最佳取值范围;当围压继续增大时,外层高强度混凝土先于内层钢板屈服.弹性解与屈服准则相结合,得到复合井壁设计流程为:通过规范及工程地质条件确定井壁内半径和围压值,选定复合井壁的材料,采用屈服准则求得外半径和分层半径的最佳取值范围.

垂直溜井中物料的冲击夯实过程及其作用特征

垂直溜井卸矿过程中的冲击夯实作用影响着储料矿岩的流动性和井壁的稳定性,也是引起溜井堵塞、井壁失稳的重要因素。针对溜井上部卸矿的冲击夯实作用机理,通过离散元数值模型模拟垂直溜井卸矿过程,分析了冲击夯实作用效果,研究了冲击夯实作用对贮矿段储料内力链结构分布、空隙率和贮矿段井壁侧压力的影响特征。在当前溜井结构参数下,贮矿高度40 m时,研究表明:①冲击夯实作用过程包括下落、碰撞、挤压、反弹、覆盖5个阶段,冲击力依次经过点冲击、面冲击向空间扩展;②应力传递过程中,储料面以下4 m范围内的力链会发生断裂和重组,其余范围的力链被加强或延长,储料整体的力链结构分布变化甚微;③冲击夯实作用对储料面以下5 m范围内的空隙率影响较大,其余范围内的储料空隙率的变化率不到1%;④卸矿过程中,溜井储料面附近井壁会承受较大的冲击作用并造成井壁冲击损伤;同时冲击夯实作用提高了溜井贮矿段中下部的井壁静态侧压力,进而加速井壁磨损和增大悬拱发生率。

软硬交替地层超深竖井围护结构受力和变形特性

研究区地层条件以“硬岩”(泥质粉砂岩、岩屑砂岩)与“软岩”(泥岩)互层为特征,形成了明显的软硬交替地层,使竖井的受力与变形尤为复杂。采用Flac3D数值模拟方法对竖井开挖施工全过程进行研究,详细分析了施工过程中圆形地连墙和内衬的受力及变形特性,结果表明:1)在基坑开挖过程中,当开挖深度高于或处于“硬岩”时,地连墙在该软硬分界面位置处产生反弯点,向坑外发生弯曲变形,而当坑内“硬岩”被挖除后,整体向坑内产生水平位移。2)地连墙的环向应力和水平位移变形规律为“E”型,地连墙的最大环向应力和水平位移总是集中在“软岩”深度范围内,而在“硬岩”深度范围内环向应力和水平位移最小;同时,地连墙的最大弯矩总是出现在软岩岩层交界面深度附近。3)内衬的环向应力和水平位移变形规律为“阶梯”型增长,但在“硬岩”深度处出现减小;内衬受坑内岩体隆起影响明显,最大弯矩总是出现在内衬底部,同时向坑外产生位移。

井壁破裂与内部应变状态机理分析

为研究立井井壁破裂与内部应变之间的相互规律,搭建井壁实物模型以模拟井壁受力破裂过程和状态,利用分布式光纤技术对井壁内部应变进行监测,并分别从应力和应变多角度进行深入分析.结果表明:对于应变状态,当施加应力增大,井壁应变程度也随之增大,应变极大值所对应的井壁位置,其应变程度在范围内达到最大,破裂风险也就最高;对于应力作用,不同应力下井壁应变最大值与最小值之间的偏差度越大,井壁稳定性越差,越容易发生破裂;分析了应力、应变二者相互关联性,拟合各方向角所对应的井壁位置应变变化的线性方程,变化率数值越大,井壁应变增长速度就越快,当应变值超过所能承受极限时,井壁会更容易发生破裂;通过对井壁应变数据监测,分析了应变差值、偏差度和应变变化率,结合Lamé公式,建立了井壁应变破裂关系模型,为井壁破裂预警提供了新方案.

西部地区钻井井壁预制施工早期温度-应力场演化特征分析

为防止西部地区预制钻井井壁冬季施工出现裂缝现象,开展了钻井井壁预制施工的早期温度-应力场演化特征研究。首先,以西部地区可可盖煤矿中央回风立井钻井法凿井工程为背景,基于FLAC^(3D)软件,建立了内层钢板混凝土复合钻井井壁结构早期温度-应力场数值分析模型。通过模拟现场施工工况,获得了井壁早期温度应力的分布规律,确定了易出现早期温度裂缝的高风险区;然后,根据模拟计算结果,采用极差分析方法,获得预制钻井井壁早期温度应力影响因素从大到小依次为:对流散热系数、环境温度、混凝土强度等级。现场实测结果表明:模拟计算得到的温度分布规律与工程实测较为一致。

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。

深厚冲积层中冻结井外壁钢筋应力的实测研究

介绍龙固副井冻结井外壁钢筋应力的测试方案,分析温度及约束作用对钢筋计测值的影响和不同方向配筋的应力测值变化规律.结果表明:受水化热高温的影响,外壁钢筋首先经历压应力急剧增长阶段,而后竖向及径向钢筋压应力随着井壁降温而逐渐减小,最终处于拉应力或低水平的压应力状态,而环向钢筋则始终处于压应力状态;环向钢筋的应力主要受冻结压力控制,而竖向及径向钢筋的应力主要受温度影响;鉴于深厚冲积层冻结压力增长迅速,外壁竖向钢筋可按承担3 d内施工的井壁段自重,取15 m高度的井壁段进行设计,从而有效地减少竖向钢筋的配筋率;而环向钢筋应尽量靠近井壁内侧配置,以提高井壁的水平承载力.

考虑温度应力影响的立井井壁强度设计方法

基于大量破裂井筒工程实例,对立井设计规范方法进行验证,发现规范计算方法的判断结果与实际情况相差较大。分析表明,现行立井设计规范尚未考虑温度应力的影响,而温度差会对立井体内的应力与应变产生影响是客观事实,因此有必要对其进行修正。基于弹性理论,推导考虑温度应力影响的立井强度设计计算公式,分析公式的数学特征,考察不确定性因素及提出修正思路。鉴于该问题的复杂性,建议进行更深入的研究与探讨,以便提高规范计算方法的科学性、合理性与有效性。

大埋深土与井壁相互作用力学参数研究

利用高压直剪仪和三轴电液伺服机，采用模拟土与井壁接触面的土加砼混合试样，测得了在大埋深条件下，粘土和砂土与冻结法成井井壁相互作用力学参数大小。并结合实例，介绍了所得参数在井壁破裂分析中的应用。

表土沉降对井壁破裂的影响及防破裂措施的研究

通过对表土沉降原因的分析 ,找出了由于沉降的原因而产生的井壁破裂的危险位置 ,分析了导致井壁破裂的最主要因素———负向摩擦力 ,推导出危险位置处的应力计算解析式 ,建立了考核井壁破裂的强度准则 ,并通过对鲍店煤矿 4井筒井壁破裂原因的具体分析 ,证明了该理论的正确性及适用性 .最后依据危险点的应力状态及井壁破裂的强度准则提出防止井壁破裂的具体措施 ,对工程现场及井壁设计具有指导意义 .

煤矿长斜井井筒外荷载特征研究

采用地压平衡条件和应力坐标变换的方法,对煤矿长斜井井筒外荷载演化规律进行理论分析,建立了圆柱坐标系下的斜井井筒外荷载计算模型。斜井井筒受有径向荷载、环向和轴向剪切荷载等三类荷载。径向荷载、轴向剪切荷载对称于Y轴,环向剪切荷载反对称于Y轴;三类荷载在井筒两帮均为最小,其中剪切荷载为零,径向荷载等于相应垂深立井井筒水平侧压力;在环向角45°和135°两个斜对称轴位置,环向剪切荷载达到最大;轴向剪切荷载以断面水平轴呈上、下反向分布,即水平轴以上方向向下、水平轴以下方向向上。在工程常见的倾斜角0°~30°范围内,外荷载随倾斜角几乎呈线性增加;井筒外半径b对荷载的影响较小,可以忽略。

疏水沉降下井壁次生地压及附加力分布规律

根据表土沉降过程中立井井壁的受力变形特点,将立井井壁的变形区域划分为塑性变形区和上、下弹性变形区,并针对3个变形区利用轴对称原理、弹性薄板理论和静不定问题的方法进行了力学上的计算分析,获得了每个区域的次生地压和井壁附加力的解析式及分布规律,计算结果与实际观测结果基本吻合。

地面注浆法治理井壁破裂的工程分析

分析了矿井井壁破裂的机理,阐述了地面注浆方法应用于井壁破裂治理的优缺点。某矿副井井壁破裂治理工程中注浆帷幕的实践表明,地面注浆法可以减少地层压缩变形,减少井筒外侧所受的竖直附加应力,从而实现对井壁破裂的预防和治理。

立井井壁破坏应力研究

应用利用弹性理论、温度应力场理论、热胀冷缩原理 ,对立井井壁破坏应力进行了较为精确的受力分析 ,给出了立井井壁应力分布规律的解析式。在整个理论的分析过程中 ,笔者着重分析了井壁应力中负摩擦力的影响 ,对负摩擦力引起的井壁应力进行了较为细致的计算 ,并通过具体算例进行了说明。笔者研究的结果 ,为井壁设计的理论提供了新的依据 ,同时对煤矿设计及煤矿工程应用有重要实用价值。

井壁围岩空间附加应力观测

介绍了某矿井柱开采后井筒围岩空间附加应力观测情况。得出了各空间附加主应力值、方位角及倾角随工作面推进的变化规律。观测结果表明 :井筒上部围岩体在铅垂方向上受张应力影响 ,而井筒底部围岩体所受应力的大小和性质与工作面的布置方式、开采顺序以及井筒与工作面的相对位置有关。

深厚表土底含失水变形时土与井壁相互作用弹塑性模型

针对在分析深厚表土底含失水变形过程中土与井壁相互作用时,未考虑底含范围内压缩变形量随深度的变化这一点,重新建立了土与井壁相互作用的底部为弹性、深部为塑性、浅部为弹性的理想弹塑性模型,得到了计算井壁附加竖向位移、应变和应力的公式。最后给出计算实例,说明了新模型比旧模型更加完善。

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.

表土沉降对井壁强度的影响

通过对表土沉降原因的分析，找出了由于沉降而产生的井壁破裂的危险位置，并利用静力学理论及温度应力场理论推出了危险位置处的应力计算解析式，建立了考核井壁破裂的强度准则，最后通过对鲍店煤矿四井筒井壁破裂原因的具体分析，证明了该理论的正确性及适用性，对工程现场及井壁设计具有较大的指导意义。

井壁破裂研究中应注意的几个问题

结合目前井壁破裂研究的状况 ,提出几个值得进一步研究的问题 ,包括含水层水位、温度应力、井壁质量及井壁破裂位置的超前预测等。

深井稳定基岩段合理井壁厚度确定探讨

在深井矿山设计中,仍采用传统侧压力系数法确定井壁荷载,使得计算得到井壁厚度随深度成幂函数关系增加,且计算中不考虑水平应力水平,这显然存在局限性。分析表明:一定条件下,随井壁厚度的增加,其内缘应力成负指数关系衰减。并壁厚度的增加与井壁安全储备并非线性增加,且深部围岩自身强度较高,应充分利用围岩自身强度。选用合理井壁支护厚度,满足矿井安全生产需要,节省矿井前期建设投资。本文依托某超深井矿山工程地质背景,应用侧压力系数法、弹性平面法及塑形数值法,计算探讨了如何合理确定超深井基岩段井壁的厚度。