竖向直排冻结斜井冻结壁与井壁相互作用规律研究

摘要

冻结法凿井在深表土及邻近含水基岩的特殊凿井方法一直是国内外矿井建设中研究的热点之一。随着工业经济的不断壮大，能源的需求量也在不断的增加，煤炭需求也在不断的增长。而现在易开采的煤层已不能满足需求，就不得不向地质复杂，煤炭资源丰富的矿区建设新井。在这种地质条件下运用普通的凿井方式将会遇到很大困难。因此采取更安全更具有优势的特殊凿井法进行施工。冻结法具有隔水性、施工安全质量高的特点。因此，冻结法已成为特殊凿井施工的首选技术。由于目前国内外关于斜井冻结应力场及其位移场的发展特性及稳定性研究较少，本文通过理论分析研究和数值模拟两个方面对竖直直排冻结斜井冻结壁的应力场及其变形的发展规律进行了相应的研究分析。
　　(1)根据弹塑性理论，以等效荷载代替原始应力考虑井筒开挖，将冻结壁看成无限长轴对称黏弹塑性体。根据Mises屈服准则、冻土的流变理论及等效应力、等效应变偏张量虎克定律，建立以周围土体、井壁以及冻结壁形成的弹塑性冻结壁的力学模型，通过弹塑性理论得出冻结壁外载、接触应力和确定粘塑性区大小的方程。通过工程实例分析，得出冻结壁外荷载、接触应力、粘塑性区、径向位移的发展规律。
　　(2)最有效、最根本的措施是合理提高冻结壁的强度和减小冻结壁的变形;采用塑性大和韧性好的钢管做冻结管，以使冻结管适应较大的冻结壁变形。粘塑性区越大，径向位移发展越剧烈，冻结壁的塑粘性变形才是导致冻结管断裂的主要原因。
　　(3)利用有限元分析软件ANSYS建立合理的简化模型，针对性的研究了不同温度下开挖之后的冻结压力、冻结壁变形规律的影响因素以及经过支护后围岩的应力应变的大小及其分布范围，得到了力学场、位移场的分布变化特征。模拟结果与工程实测进行对比，验证了数值模型的合理性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容及技术路线

2 井筒冻结条件及工程概况

2．1 井筒工程地质条件

2．2 水文地质条件

2．3 井筒工程概况

2．4 井筒的支护方式

2．5 本章小结

3 冻结壁与外壁的相互作用理论解析

3．1 引言

3．2 外层井壁-冻结壁-周围土体计算模型理论分析

3．3 外层井壁-冻结壁-周围土体的力学求解

3．4 理论计算模型分析及讨论

3．5 本章小结

4 冻结壁与外壁力相互作用有限元分析

4．1 有限元法的单元类型及其原理

4．2 非线性问题的数值解法

4．3 ANSYS在模拟井筒施工过程上的具体应用

4．4 数值模拟过程

4．5 本章小结

5 冻结工程施工质量控制技术研究

5．1 冻结监测方案

5．2 变形观测

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

攻读硕士期间主要成果

参考文献