多圈管冻结壁内部冻胀应力的形成特性研究

摘要

随着我国对煤炭能源的需求不断增大，一大批大型、特大型煤矿随之新建，这些新建矿井大多需要穿越深厚松散表土地层。为此，冻结法凿井过程中出现了一系列例如冻结深度越来越大、冻结壁厚度越来越大，冻结管布置圈数越来越多等工程情况。同时，多圈管冻结冻结壁在形成过程中其内部越来越大的冻胀应力，导致了一些工程问题，比如外层井壁受冻结压力作用而破裂、井筒开挖过程中冻结应力释放导致冻结壁变形和冻结管断裂等。
　　 通过查询国内外大量相关文献，结合我国煤矿深厚表土地层冻结法凿井工程现状，本文提出了研究深厚表土地层人工多圈管冻结下，在冻结壁形成过程中其内部冻结应力场的形成发展规律及外层井壁受冻结压力作用的规律，保证冻结壁和井壁的安全。
　　 本文采用模型试验、数值模拟和现场实测方法，研究冻结壁内部冻胀应力场和外层井壁上冻结压力规律。通过试验发现中圈冻结管位置内侧的冻结应力最大，约为0.54MPa;而内圈管的内侧和外圈冻结管的外侧冻结应力相对较小，大致仅为0.3MPa左右，且发展速度相对比较缓慢。而井壁上的冻结压力随着温度的下降而快速上升，最大可达到0.35MPa。通过试验得出冻结壁内部冻结应力的大小不仅与冻结温度场有关，而且跟冻结管布置方式和冻结管的间距有密切关系；而外层并壁上冻结压力大小与井壁的温度有关，尤其受混凝土水化热的影响非常大，在混凝土水化热开始的一段时间内压力急剧下降随后缓慢上升直至稳定在一个相对的数值上。
　　 通过ADINA软件对盈度场和冻结应力场进行耦合分析模拟，结合现场冻结壁内部冻结应力场与外层井壁冻结压力的监测分析，得出了冻结应力场的发展变化规律。发现在深厚表土层冻结壁形成过程中冻结应力场较大，如现场测试值最大可达5.8MPa，表明工程实际中应该充分重视深井冻结压力的控制，保证工程的安全。