深厚富水軟巖井筒凍結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，成為礦井建設技術的關鍵。特別是我國內蒙古、甘肅、陜西等西部地區(qū)多數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立井的凍結設計參數和經驗在軟巖層立井凍結設計中不能適應，因此，研究深厚富水軟巖井筒凍結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工程為背景，以實驗研究為基礎，采用理論分析、數值計算及現場實測相結合的方法，對凍結軟巖力學特性、深厚富水軟巖立井井筒凍結壁計算模型、變形特征以及不同軟巖地層凍結壁溫度場特性等開展了研究。系統(tǒng)研究了煤巖、砂巖在不同凍結條件下和不同受力條件下的力學特性，并根據試驗結果建立了凍結巖石的本構關系；基于凍結壁和周圍巖體的共同作用，建立了卸載狀態(tài)下軟巖凍結壁厚度計算模型；對深厚軟巖凍結壁變形進行了有限元分析，得出了凍結壁井幫最大

3、徑向位移的計算公式；通過現場監(jiān)測和對監(jiān)測數據分析，得出了不同軟巖凍結壁溫度場分布特性。本文研究工作對西北地區(qū)深部煤炭資源的安全開采，豐富我國凍結鑿井技術、凍結巖土力學理論等方面都具有重要的意義。
　　 從工程現場取兩種典型巖石(砂巖和煤巖)，進行常溫及不同凍結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，內摩擦角，粘聚力等力學參數隨凍結溫

4、度的變化規(guī)律，并對煤巖和砂巖在凍結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，建立了考慮溫度影響的凍結巖石本構關系。研究結果表明：①溫度的降低使試樣逐漸向脆性轉化，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，凍結砂巖抗壓強度增大更加明顯。圍壓對于凍結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，凍結溫度對巖石內摩擦角的影響較小。對國內外傳統(tǒng)凍結壁厚度及凍結壁外荷載計算公式進行了總結，分析了公式對深厚軟巖凍結壁設計的適應性，討論了重液公式中K 取值對凍結壁厚度計算結果的影響。無限長厚壁圓筒靜、動態(tài)理論以及適用于表土層的經驗公式計算結果均不能適應軟巖凍結壁厚度計算?；趦鼋Y壁與周圍巖體的共同作用，推導出卸載狀態(tài)下凍結壁外荷載和凍結

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

7、凍結壁變形與凍結壁厚度、凍結壁平均溫度、開挖段高和開挖半徑的關系，得出了凍結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果的比較，驗證了凍結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方案進行設計，并在施工過程中開展了鹽水溫度、主要巖層溫度、凍結壁徑向溫度等實測工作。系統(tǒng)地總結了深厚軟巖地層凍結壁的擴展速度、有效厚度及平均溫度隨凍結時間的變化規(guī)律，計算得出了胡家河礦井深厚軟巖凍結壁主要凍結特性參數，指導胡家河煤礦凍結