深厚沖積層立井井筒凍結(jié)壓力分布規(guī)律研究.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著我國中東部淺層煤炭資源的枯竭，煤炭開發(fā)深度多達(dá)800m以深，新建礦井具有井型大、穿越?jīng)_積地層深厚(450m及以下)等特點(diǎn)。凍結(jié)壓力是凍結(jié)法鑿井的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，決定凍結(jié)壁和井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，事關(guān)施工安全。由于國內(nèi)、外對(duì)450m以下深厚沖積層立井凍結(jié)壓力研究較少，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范已無法滿足凍結(jié)法鑿井設(shè)計(jì)與施工要求，亟待研究解決。本文以我國黃淮地區(qū)新建煤礦深立井為工程背景，采用理論、試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及數(shù)值模擬相結(jié)合的研

2、究方法，系統(tǒng)研究影響深厚沖積層凍結(jié)法鑿井的凍結(jié)壓力諸多因素，探討深埋人工凍土本構(gòu)關(guān)系，推導(dǎo)凍結(jié)壓力計(jì)算公式。將數(shù)值分析、理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析相互驗(yàn)證，揭示深井凍結(jié)壓力分布規(guī)律。
　　首先，對(duì)取自深立井工程的土體進(jìn)行常規(guī)土工、凍土熱物理參數(shù)、凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)，分析土體各參數(shù)變化規(guī)律，揭示凍土物理力學(xué)特性。研究表明:凍土的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度降低而增大，而比熱反之;粘土試樣凍脹率范圍在1～5％之間，并且隨著凍結(jié)時(shí)間的增加，分別經(jīng)歷

3、急劇增長(zhǎng)、緩慢增長(zhǎng)和相對(duì)穩(wěn)定階段;深埋凍土與淺埋凍土的不同之處在于深埋凍土存在蠕變的加速階段等。
　　其次，基于凍土蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，選擇能較好地反映深埋凍土加速蠕變階段的改進(jìn)的西原模型來表征深部?jī)鐾琳硰椝苄粤髯兲匦?。利用用戶子程序UMAT實(shí)現(xiàn)ABAQUS軟件的二次開發(fā)，把改進(jìn)西原模型補(bǔ)充進(jìn)ABAQUS軟件的材料模型以適應(yīng)深土凍結(jié)過程的模擬，所編制的子程序得到三軸壓縮試驗(yàn)的驗(yàn)證。對(duì)蠕變參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明凍土的蠕變發(fā)展與偏差

4、應(yīng)力、粘彈性粘滯系數(shù)和粘塑性粘滯系數(shù)有密切關(guān)系。
　　基于ABAQUS軟件的二次開發(fā)對(duì)深井凍結(jié)法鑿井過程進(jìn)行模擬，揭示土體凍結(jié)過程中凍脹應(yīng)力及外井壁凍結(jié)壓力發(fā)展變化規(guī)律。數(shù)值計(jì)算表明，土體凍結(jié)產(chǎn)生凍脹應(yīng)力使凍結(jié)壁內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始地應(yīng)力。凍結(jié)壓力值隨土體埋深、土體凍脹率的增加而增大，降低凍結(jié)壁溫度則有利于凍結(jié)壁的穩(wěn)定。
　　依據(jù)周圍土體、凍結(jié)壁、井壁相互作用機(jī)理，運(yùn)用粘彈塑性理論分析得到考慮凍脹效應(yīng)的凍結(jié)壓力解析解。理論計(jì)算

5、公式能較好描述凍結(jié)壓力的增長(zhǎng)規(guī)律，并且得到的凍結(jié)壓力與各影響因素之間的關(guān)系與數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致，同時(shí)得到了凍結(jié)壁應(yīng)力場(chǎng)的時(shí)空分布規(guī)律。
　　最后，針對(duì)不同土性分析研究實(shí)測(cè)凍結(jié)壓力變化規(guī)律，運(yùn)用灰色理論量化凍結(jié)壓力影響因素的影響，在無量綱化基礎(chǔ)上建立凍結(jié)壓力數(shù)學(xué)模型，回歸出凍結(jié)壓力和時(shí)間、土體埋深、凍結(jié)壁平均溫度、凍結(jié)壁平均厚度及凍融半徑的關(guān)系式。將經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值計(jì)算和理論公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析比較，驗(yàn)證了理論公式、數(shù)值模擬