超深基岩冻结井筒外井壁受力实测与设计优化

摘要

西部地区富水基岩立井井筒多采用冻结法施工，其井壁结构形式以双层井壁为主。由于针对西部地区立井井筒井壁受力实测、理论研究的缺乏，导致井壁厚度设计千差万别，缺乏科学性。论文针对上述问题，以新庄煤矿冻结法施工风立井为研究背景，采用理论分析、现场实测和数值模拟相结合的方法，对混凝土井壁结构的受力特征进行了研究并对外层井壁结构提出了优化方案，运用ANSYS软件对优化井壁进行数值模拟计算，分析了优化方案的合理性。
　　对新庄风立井白垩系、侏罗系地层中、粗粒砂岩层冻结压力以及外井壁环向、竖向钢筋应力进行了实测，监测结果表明：冻结压力大致分为急剧增长阶段、压力缓慢增长阶段、压力稳定阶段三个阶段；-632m、-841m两个水平最大冻结压力分别为2.41MPa和3.38MPa，其值均小于东部表土层冻结压力实测值和经验公式计算值；环向、竖向钢筋最大应力远小于设计值。
　　在对外井壁受力特点分析的基础上，建立了符合实际的冻结井壁力学模型，获得了外层井壁受力解析公式。通过理论计算对影响外层井壁厚度主要因素的敏感性进行了分析，通过理论计算得出，在白垩系地层建设井筒时，影响井壁厚度最主要的因素是冻结压力，其次是混凝土标号、外层井壁半径、配筋率，最后提出了外井壁优化建议方案。
　　根据外井壁优化方案，建立符合条件的数值计算模型，运用ANSYS软件对方案井壁厚度和设计院设计井壁厚度进行一个对比计算分析，通过对比强度和变形两个方面，并将计算结果与现场实测和规范要求相比较，验证了优化方案的合理性。
　　上述研究，对西部地区富水岩层的冻结法凿井井壁设计时冻结压力的取值及井壁结构优化提供了理论依据。