深厚富水軟巖井筒凍結(jié)壁力學特性及應用研究.pdf

1、近年來，我國煤炭資源開采逐步向深部發(fā)展，井筒需要穿越深厚沖積層或富水巖層，解決深厚沖積層或富水巖層立井TP242.2TD82-9施工安全問題，成為礦井建設(shè)技術(shù)的關(guān)鍵。特別是我國內(nèi)蒙古、甘肅、陜西等西部地區(qū)多數(shù)井筒需要穿越白堊系、侏羅系等含水量大的軟巖地層，過去在沖積層中建設(shè)立井的凍結(jié)設(shè)計參數(shù)和經(jīng)驗在軟巖層立井凍結(jié)設(shè)計中不能適應，因此，研究深厚富水軟巖井筒凍結(jié)壁力學特性具有重要的理論研究價值和工程實際意義。論文以深度達558m的陜西彬長胡

2、家河煤礦軟巖井筒凍結(jié)工程為背景，以實驗研究為基礎(chǔ)，采用理論分析、數(shù)值計算及現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，對凍結(jié)軟巖力學特性、深厚富水軟巖立井井筒凍結(jié)壁計算模型、變形特征以及不同軟巖地層凍結(jié)壁溫度場特性等開展了研究。系統(tǒng)研究了煤巖、砂巖在不同凍結(jié)條件下和不同受力條件下的力學特性，并根據(jù)試驗結(jié)果建立了凍結(jié)巖石的本構(gòu)關(guān)系；基于凍結(jié)壁和周圍巖體的共同作用，建立了卸載狀態(tài)下軟巖凍結(jié)壁厚度計算模型；對深厚軟巖凍結(jié)壁變形進行了有限元分析，得出了凍結(jié)壁井幫最大

3、徑向位移的計算公式；通過現(xiàn)場監(jiān)測和對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得出了不同軟巖凍結(jié)壁溫度場分布特性。本文研究工作對西北地區(qū)深部煤炭資源的安全開采，豐富我國凍結(jié)鑿井技術(shù)、凍結(jié)巖土力學理論等方面都具有重要的意義。
　　 從工程現(xiàn)場取兩種典型巖石(砂巖和煤巖)，進行常溫及不同凍結(jié)溫度下單軸和三軸壓縮試驗。分析了煤巖和砂巖試樣的破壞過程和破壞形式；得出了凍結(jié)巖石的應力-應變曲線，單軸、三軸抗壓強度，彈性模量，泊松比，內(nèi)摩擦角，粘聚力等力學參數(shù)隨凍結(jié)溫

4、度的變化規(guī)律，并對煤巖和砂巖在凍結(jié)條件下力學特性的差異性進行對比分析；以莫爾-庫倫準則為基礎(chǔ)，建立了考慮溫度影響的凍結(jié)巖石本構(gòu)關(guān)系。研究結(jié)果表明：①溫度的降低使試樣逐漸向脆性轉(zhuǎn)化，而圍壓的增大則使試樣塑性增強；在條件相同的情況下，砂巖具有更好的塑性，煤巖表現(xiàn)出明顯的脆性。②兩種巖石單軸和三軸抗壓強度均隨溫度的降低而增大，相對而言，凍結(jié)砂巖抗壓強度增大更加明顯。圍壓對于凍結(jié)巖石三軸抗壓強度的作用是非常明顯。③隨著溫度的降低，兩種巖石的彈性

5、模量和抗剪強度均有不同程度的增大，泊松比均減小。相對煤巖而言，砂巖的彈性模量、粘聚力增大幅度更為明顯，凍結(jié)溫度對巖石內(nèi)摩擦角的影響較小。對國內(nèi)外傳統(tǒng)凍結(jié)壁厚度及凍結(jié)壁外荷載計算公式進行了總結(jié)，分析了公式對深厚軟巖凍結(jié)壁設(shè)計的適應性，討論了重液公式中K 取值對凍結(jié)壁厚度計算結(jié)果的影響。無限長厚壁圓筒靜、動態(tài)理論以及適用于表土層的經(jīng)驗公式計算結(jié)果均不能適應軟巖凍結(jié)壁厚度計算。基于凍結(jié)壁與周圍巖體的共同作用，推導出卸載狀態(tài)下凍結(jié)壁外荷載和凍結(jié)

6、壁厚度計算公式。該公式考慮了井筒開挖是凍結(jié)壁卸荷的實際情況，避免了采用重液地壓公式時人為確定系數(shù)對計算結(jié)果的影響，同時將掘進段高作為凍結(jié)壁厚度計算的重要因素，計算結(jié)果更加科學。
　　 運用ANSYS 軟件對深厚軟巖凍結(jié)壁變形進行有限元分析，對不同掘進段高、凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)壁平均溫度條件下凍結(jié)壁的變形進行模擬計算。模擬計算結(jié)果表明，凍結(jié)壁最大位移隨著凍結(jié)壁平均溫度和開挖段高的增大而增大，隨著凍結(jié)壁厚度的增大而減小。在此基礎(chǔ)上，研究

7、凍結(jié)壁變形與凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)壁平均溫度、開挖段高和開挖半徑的關(guān)系，得出了凍結(jié)壁井幫最大徑向位移的計算公式。通過對實測變形值與計算結(jié)果的比較，驗證了凍結(jié)壁井幫最大徑向位移計算公式的合理性。對胡家河主副井凍結(jié)方案進行設(shè)計，并在施工過程中開展了鹽水溫度、主要巖層溫度、凍結(jié)壁徑向溫度等實測工作。系統(tǒng)地總結(jié)了深厚軟巖地層凍結(jié)壁的擴展速度、有效厚度及平均溫度隨凍結(jié)時間的變化規(guī)律，計算得出了胡家河礦井深厚軟巖凍結(jié)壁主要凍結(jié)特性參數(shù)，指導胡家河煤礦凍結(jié)