白垩系地层冻结井筒岩石物理力学特性及温度场研究

摘要

随着我国煤炭资源开采向深部发展，解决深厚冲积层或富水岩层立井施工安全问题已成为矿井建设技术的关键。我国内蒙古、甘肃、陕西等西部地区多数井筒需要穿越白垩系、侏罗系等含水量大的软岩地层，之前在冲积层中建设立井的冻结设计参数和经验在软岩层立井冻结设计过于保守。所以，研究西部地区深厚富水软岩井筒冻结壁物理力学特性及温度场变化规律具有重要的工程实际意义。
　　本文以深度达960m的甘肃新庄煤矿冻结井筒工程为背景，以试验研究为基础，采用理论分析、数值计算及现场实测相结合的方法，对冻结白垩系砂岩热物理特性、力学强度特性以及冻结期—井筒掘砌期白垩系地层冻结井筒温度场变化规律、井筒在解冻期受温度应力影响的稳定性等开展了研究。
　　从工程现场取两种典型白垩系砂岩，对不同含水状态及温度下导热系数、体积比热、热扩散系数等热物理参数和变化规律进行分析，探究了两种不同粒径白垩系砂岩热物性的差异性及其与岩石结构构造的关系。结果表明：①砂岩的导热系数均随含水率的增加表现出先增加后减小的趋势；②砂岩的体积比热随所含水分的增加表现出先缓后陡降，随温度的降低表现出先骤升后陡降并趋稳；③热扩散系数随含水率的增加不断上升，直至趋于稳定，随温度的降低则先缓降后逐渐上升。
　　采用MTS-815电液伺服岩石试验系统开展了白垩系砂岩的单轴、三轴强度特性研究；分析饱和岩石在不同低温下的强度变化规律，得出了白垩系砂岩抗压强度与冻结温度的关系；分析了不同低温下白垩系砂岩弹性模量E和泊松比μ的变化规律及与温度的关系。结果表明：①白垩系中粒砂岩、粗粒砂岩单轴抗压强度值均随温度的降低而增大；②同一温度时，饱和粗粒砂岩的单轴抗压强度总是大于中粒砂岩，且粗粒砂岩对低温较中粒砂岩敏感；③相同围压条件下，试验温度越低，饱和岩石的三轴强度就会越高；相同温度时，围压和饱和岩石的三轴强度值成正比；④两种白垩系砂岩的弹性模量均随温度的降低而增大，而泊松比均随温度降低而减小。
　　运用ANSYS结合新庄煤矿风立井井筒白垩系地层实际工况，对冻结法凿井冻结壁与井壁温度场相互作用变化规律进行有限元数值分析，总结了两壁的温度场特性。模拟计算结果表明：浇注混凝土后井壁升温明显，且风速的增加使井壁出现负温时间减小，对流空气温度的增加使出现负温时间增大。施工后期，由于泡沫板被压实隔温效果变差，使井帮温度对井壁进入负温的时间产生影响；井帮温度是影响化冻范围的主要因素，即化冻范围随井帮温度的降低减小明显。通过计算总结外层井壁、冻结壁径向温度分布及温度变化规律，对实际工程有制定防止外层井壁压坏和井壁裂缝出现措施的指导意义。
　　开展新庄矿区风立井白垩系地层井筒在冻结及掘砌过程中温度场及应力场现场实测研究工作，包括盐水温度、主要岩层温度、相同岩层降温速率、冻结壁及井壁径向温度、冻结压力及钢筋应力等，在对实测数据进行计算分析的基础上，系统总结了西部白垩系软岩地层冻结壁的扩展速率、平均温度随冻结时间的变化规律等。分阶段分析冻结壁、外层井壁温度受混凝土水化热影响以及冻结壁内部径向温度场特征参数，分析建立径向温度分布表达式，揭示冻结壁融化过程的温度场变化特征。井筒温度特性的研究，为指导现场施工并保证新庄煤矿冻结立井安全顺利完工提供较为科学的依据。