深冻结井壁混凝土温度裂纹产生机理及其抗渗性试验研究

摘要

近年来，随着煤炭生产矿井浅部资源渐趋枯竭，为了确保矿井可持续发展，两淮矿区多数矿井需要实施安全改扩建工程、新建深立井井筒。这些新建井筒具有井筒深、直径大、穿过深厚冲积层含水丰富。当采用冻结法凿井时，设计的井壁厚度大、混凝土强度高，混凝土水化热大，在内、外大温差和约束作用下，井壁混凝土极易产生温度裂纹，从而给井筒的安全使用带来威胁。据此，为解决深冻结井筒的渗漏水难题，本论文采用现场实测、理论分析和模拟实验相结合的方法，对深冻结井壁混凝土温度裂纹产生机理及其抗渗性进行研究，为井筒的防治水工作提供基础。
　　首先，以顾桥煤矿东回风井为工程背景，选取监测水平，对冻结段外层井壁的受力、变形和温度进行了现场实测工作，结果表明，竖向钢筋应力和混凝土竖向应变受拉严重，井壁极易产生环向温度裂纹。然后，根据弹性力学和热力学原理，对冻结井壁在约束条件下的温度应力进行了分析，推导了温度应力公式，分析了在冻结法凿井过程中并壁混凝土温度裂纹产生机理，并指出该裂纹对冻结并壁防治水工作十分不利。最后，通过模拟实验，对冻结井壁混凝土温度裂纹抗渗特性进行了研究。实验分为二个部分:(1)制作含有模拟温度裂纹的标准抗渗试件，进行抗渗试验研究，结果表明，抗渗特性主要取决于裂纹性质，与混凝土强度关系不大，贯通裂纹对井壁抗渗影响极大;(2)制作含有模拟温度裂纹的圆柱体试件，通过三轴渗透性试验分析了水压和围压对裂纹渗透性能的影响。结果表明，当控制轴压和围压一定时，混凝土裂纹的渗流速度随水压的增大而逐渐增大。而控制水压和轴压一定时，混凝土裂纹的渗流速度随着围压的增大而减小。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 温度裂纹抗渗性方面

1．2．2 温度裂纹渗透规律方面

1．3 研究内容和技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 深冻结井筒外壁受力变形和温度现场实测

2．1 引言

2．2 监测内容及量测元件

2．2．1 冻结压力监测

2．2．2 外层井壁内力、变形监测

2．2．3 井壁温度监测

2．3 监测水平

2．4 元件埋设

2．5 监测结果及其分析

2．5．1 冻结压力变化规律

2．5．2 竖向钢筋应力和混凝土竖向应变

2．5．3 环向钢筋应力和混凝土环向应变

2．5．4 外壁温度变化规律

2．6 冻结井壁出现温度裂纹现象

2．7 本章小结

3 深冻结井壁混凝土温度裂纹产生机理分析

3．1 温度裂纹的分类

3．2 约束的概念

3．2．1 外约束

3．2．2 内约束

3．3 深冻结井壁混凝土温度应力

3．3．1 井壁内外温差产生的自生应力

3．3．2 井壁降温引起的温度竖向拉应力

3．4 本章小结

4 深冻结井壁温度裂纹抗渗性常规模拟试验研究

4．1 混凝土配制的原材料及试验器材

4．1．1 试验原材料

4．1．2 试验仪器

4．2 含温度裂纹模拟试件抗渗性试验过程

4．2．1 正交表设计

4．2．2 抗渗模型试件的制作

4．2．3 试验方法及试验结果

4．2．4 极差分析

4．3 本章小结

5 贯通混凝土温度裂纹渗流规律试验研究

5．1 裂纹混凝土渗流基本理论

5．2 含温度裂纹的立方体试样的制作

5．3 含温度裂纹圆柱试样的试验仪器及制作过程

5．3．1 试验仪器设备

5．3．2 岩石取芯机

5．3．3 岩石切割机

5．3．4 岩石双端面磨平机

5．3．5 试样制备

5．4 试验过程

5．4．1 三轴多功能试验机

5．4．2 试验过程

5．5 试验结果分析

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果