西部地区深基岩冻结井筒外层井壁力学特性与设计优化研究

摘要

随着经济的快速发展，我国对于能源的需求量随之加大，加之我国中、东部矿区可开采的煤炭资源愈来愈少，所以煤矿建设的重点地区和煤炭主产区逐渐发展为西部地区。西部矿区普遍采用冻结法凿井，在冻结井壁结构设计方面，现有的设计规范和设计手册中的参数都是针对中、东部的，采用它们来设计西部全基岩冻结井壁缺乏针对性。
　　本文以内蒙古红庆河煤矿冻结法凿井为研究背景，用外层井壁受力的理论分析和室内冻胀试验相结合的分析方法表明，西部地区白垩系和侏罗系地层的冻胀率及冻胀力均很小，由此提出了西部地区深基岩冻结法凿井外层井壁结构的设计及优化方案，即外层井壁的设计主要控制条件为井壁结构的稳定性要求。通过模型试验得到外层井壁结构的应力、变形和强度特征，搞清了其力学机理，试验的得到的井壁最小极限荷载，大于冻结岩层时产生的冻胀力，论证了井壁优化设计方案的可行性。最后对优化后的井壁模型进行数值分析，进一步研究了外壁的受力特征，得到了丰富的数值模拟数据及结果图，分析结果再次论证了外层井壁优化方案确实可行。
　　用本课题的研究结果结合以往西部地区冻结法施工中的实测数据和工程资料，可以为西部煤矿采用冻结法凿井冻结参数取值和井壁设计参数选取提供合理的依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 东、西部地区地质水文情况的比较

1．3 选题背景及研究意义

1．4 国内外冻结井壁结构的发展综述

1．4．1 国内冻结井壁结构的发展概况

1．4．2 国外冻结井壁结构的发展概况

1．4．3 我国冻结井壁结构现状

1．5 本课题采用的井壁结构形式

1．6 研究内容及研究方法

1．6．1 研究的主要内容

1．6．2 研究方法及技术路线

2 外层井壁受力分析及岩石室内冻胀试验研究

2．1 外层井壁受力分析

2．1．1 外层并壁受力概述

2．1．2 冻结压力

2．1．3 外壁混凝土内、外缘的应力状态分析

2．2 室内岩石冻胀试验研究

2．2．1 冻胀试验的取样及分组情况

2．2．2 岩样含水率实验

2．2．3 冻结岩石冻胀率的测定

3 外层井壁结构力学特性试验研究

3．1 相似理论与模型试验概述

3．2 井壁模型试验相似准侧的推导

3．3 外层井壁模型设计

3．3．1 冻结井壁结构设计理论

3．3．2 本课题外层井壁设计

3．3．3 外壁试验模型参数的确定

3．4 外壁模型制作与测试元件的布置

3．5 量测内容与加载方法

3．6 试验结果及其分析

3．6．1 井壁的变形特征

3．6．2 井壁的截面应力分析

3．6．3 井壁破坏特征与承载力分析

4 井壁结构的数值分析

4．1 数值模拟技术与分析元件概述

4．1．1 数值模拟技术概述

4．1．2 有限元法原理

4．1．3 ANSYS分析软件的基本介绍

4．2 钢筋混凝土结构有限元分析概述

4．2．1 有限元模型的选取

4．2．2 单元选取及实常数的确定

4．23 本构关系及破坏准则

4．3 西部地区深基岩冻结井筒外层井壁数值模拟

4．3．1 模型参数分析

4．3．2 模型的建立与求解

4．3．3 求解结果分析

5 结论

5．1 结论

5．2 建议与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果