大海则矿冻结立井井壁结构安全监测研究

摘要

近年来，我国西部地区矿井采用冻结法施工的立井井筒逐渐增多，鉴于东西部地区地层及建井方法的差异，西部冻结井筒内层井壁的设计和施工仍存在种种不足。根据现行《冻结井壁设计规范》，内层井壁所受荷载按静水压力设计，不考虑其他荷载因素，而内壁在建井期间除承受静水压力外，还受到温度、壁间注浆等因素的影响，受力较为复杂，需对建井期间内层井壁的受力规律及临时荷载进行监测研究。
　　针对上述问题，本文依托大海则矿主立井安全监测课题，通过现场实测、理论计算和数值模拟相结合的方法，研究了主井井筒内层井壁结构冻结段的受力与安全状况。首先，基于内层井壁浇筑及冻结壁解冻期间现场监测的井壁应力、应变、温度、壁间水压数据，得到了内壁的受力变化规律，定性分析了内壁受力变化过程中的主导因素;其次应用冻结壁解冻期间各监测层位环向钢筋的应力数据，推算出内壁所受的水平外力，掌握了套壁和冻结壁解冻期间内层井壁的受力状态和规律;最后，采用反演计算结果应用到数值模拟的方法，对内层井壁的安全性进行了评价。
　　研究表明，建井期间影响内壁应力变化的因素为温度、内外壁作用力和壁间注浆压力;通过现场实测和理论计算数据可知，大海则煤矿主立井内壁结构是安全的;数值模拟得出的内壁破坏时的应力、位移变化规律，是对现场监测结果的补充和延伸。本文研究大海则矿冻结井筒内壁的受力规律与安全性评价的思路和方法，可为西部地区立井井壁监测系统的数据分析提供新的思路和方法，为西部冻结井筒内壁的安全评价提供参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外冻结立井发展历程

1．2．2 冻结立井破坏机理研究现状

1．2．3 井壁安全监测方法现状

1．3 研究内容与方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究技术路线

2 内壁安全监测系统设计

2．1 项目背景

2．1．1 工程概况

2．1．2 地质与水文特征

2．2 监测元件简介及标定

2．2．1 主要监测内容

2．2．2 监测元件简介

2．2．3 振弦式传感器原理简介

2．2．4 振弦式传感器的标定

2．3 监测层位及系统方案

2．3．1 监测层位设计

2．3．2 监测系统方案

2．3．3 监测仪器统计

2．3．4 监测系统原理图

2．4 监测系统的现场实施

2．4．1 钢筋计安装

2．4．2 应变计安装

2．4．3 水压计安装

2．4．4 温度传感器安装

2．5 本章小结

3 内壁应力现场实测分析

3．1 冻结立井井筒内壁荷载分析

3．1．1 内壁不同阶段的荷载划分

3．1．2 水平地压

3．1．3 自重荷载

3．1．4 竖向附加力

3．1．5 静水压力分析

3．2 井壁温度实测分析

3．2．1 井壁温度实测分析

3．2．2 壁间注浆时机及注浆压力分析

3．3 内壁钢筋应力实测分析

3．3．1 内壁环向钢筋应力实测分析

3．3．2 内壁竖向钢筋应力实测分析

3．3．3 本节小结

3．4 内壁混凝土应变实测分析

3．4．1 内壁竖向混凝土应变实测分析

3．4．2 内壁径向混凝土应变实测分析

3．4．3 内壁环向混凝土应变实测分析

3．4．4 本节小结

3．5 壁间水压力实测分析

3．6 本章小结

4 内壁受力理论计算分析

4．1 井壁应力理论分析

4．1．1 温度应力

4．1．2 水平均匀荷载下内壁应力分析

4．1．3 内壁内外缘应力分析

4．1．4 三向应力下井壁承载力计算

4．2 内壁受力理论计算分析

4．2．1 环向钢筋应力取值

4．2．2 混凝土等效方法分析

4．2．3 井壁等效应力的计算

4．2．4 内壁所受外力计算

4．2．5 外力占设计值百分比

4．2．6 本节小结

4．3 本章小结

5 内壁受力数值模拟研究

5．1 井壁混凝土的破坏准则

5．1．1 混凝土最大拉应变准则

5．1．2 混凝土两向受压破坏准则

5．1．3 混凝土应变理论

5．2 内壁受力数值模拟研究

5．2．1 ABAQUS软件介绍

5．2．2 钢筋混凝土本构模型

5．2．3 内壁受力模型建立

5．2．4 内壁受力模拟结果分析

5．3 数值模拟与现场实测对比分析

5．3．1 应力结果对比分析

5．3．2 应变结果对比分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 研究创新点

6．3 存在的不足及展望

参考文献

致谢

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