复杂条件下冻结温度场分析与井壁受力监测

摘要

随着煤炭用量增加，矿井的建设也随之加快，新建矿井多在深部煤层，地质条件复杂，大多数采用冻结法凿井。与此同时，矿井的建设难度越来越大，以前的建井设计和参数价值变得有限，本文以淮南张集煤矿第二副井冻结法凿井为工程背景，分析冻结温度场发展和分布规律，以及监测井壁受力，研究冻结压力与井壁共同作用的相互关系，为以后新矿区建井提供宝贵经验。
　　研究结果表明:在复杂条件下冻结法凿井，冻结温度场井壁交圈时间不仅仅通过水文孔冒水判断，还可以用理论公式计算和数值模拟对比得出。利用有限元数值模拟得出冻结壁发展的速度在不同土质土层中速度分为:粗砾中砂＞粗砂＞粘质砂土＞砂质粘土＞固结粘土＞钙质粘土。利用监测元件监测井壁，冻结压力随时间呈直线型快速增长，之后缓慢增长，套壁后开始下降，最后慢慢达到稳定状态，钢筋应力与混凝土应变满足设计要求，井壁温度随水化热温度影响温度升高后慢慢下降最后达到稳定。井简掘砌施工过程中出现局部片帮现象，加快掘砌速度，加快防片孔的冷冻速度。掘砌到达150米变径处时，井筒出现环向裂缝，应该在变径前后几模设置壁爪，提高混凝土强度。从而达到安全、有效的施工，为今后类似地区复杂地质条件下冻结井壁的设计与施工提供了宝贵的参考依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 前沿

1．2 国内外研究现状及存在问题

1．2．1 问题的提出

1．2．2 国内外研究状况

1．3 本文研究主要内容和方法

2 地质特征及其冻土实验

2．1 工程地质概况

2．2 水文地质概况

2．2．1 新生界地层结构与水文地质特征

2．2．2 新生界含水层的补给条件和地下水的径流方式

2．2．3 井筒区基岩水文地质特征

2．2．4 井筒涌水量计算

2．3 冻土实验

2．3．1 比热容

2．3．2 导热系数

2．3．3 冻结温度

2．3．4 单轴抗压强度

2．3．5 冻胀性

2．4 小结

3 冻结设计及工程监测

3．1 冻结工程概况

3．2 冻结设计基本参数

3．3 冻结壁厚度设计

3．4 冻结孔、冻结管、水文孔、测温孔布置

3．4．1 冻结孔布置

3．4．2 冻结管及供液管设计

3．4．3 水文孔、测温孔布置设计

3．4．4 钻孔质量控制

3．5 信息化施工监测

3．5．1 监测概述

3．5．2 监测目的及其内容

3．5．3 水文孔监测

3．6 小结

4 冻结井温度场分析

4．1 数值模拟与计算软件

4．1．1 数值模拟

4．1．2 ANSYS有限元软件

4．2 冻结井温度场模拟理论基础

4．2．1 热分析基本理论

4．2．2 冻结温度场微分方程

4．3 数值模拟温度场分析

4．3．1 温度场模型建立

4．3．2 数值模拟与实测对比

4．3．3 部分层位交圈时间预测及温度场发展状况

4．3．4 冻结壁厚度、平均温度和井帮温度分析

4．4 小结

5 冻结井受力监测监控

5．1 冻结外层井壁受力机理

5．2 监测元件原理、内容及埋设

5．2．1 监测元件原理

5．2．2 监测内容

5．2．3 监测元件埋设

5．3 监测结果与分析

5．3．1 冻结压力监测分析

5．3．2 竖向钢筋应力和混凝土应变监测分析

5．3．3 环向钢筋应力和混凝土应变监测分析

5．3．4 井壁温度监测分析

5．4 井筒掘砌施工

5．4．1 施工片帮问题

5．4．2 施工环向裂纹问题

5．5 小结

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