深厚沖積層立井井筒凍結壓力分布規(guī)律研究.pdf

1、進入21世紀以來，隨著我國中東部淺層煤炭資源的枯竭，煤炭開發(fā)深度多達800m以深，新建礦井具有井型大、穿越沖積地層深厚(450m及以下)等特點。凍結壓力是凍結法鑿井的重要設計參數，決定凍結壁和井壁結構設計是否科學合理，事關施工安全。由于國內、外對450m以下深厚沖積層立井凍結壓力研究較少，現(xiàn)行設計規(guī)范已無法滿足凍結法鑿井設計與施工要求，亟待研究解決。本文以我國黃淮地區(qū)新建煤礦深立井為工程背景，采用理論、試驗和現(xiàn)場實測及數值模擬相結合的研

2、究方法，系統(tǒng)研究影響深厚沖積層凍結法鑿井的凍結壓力諸多因素，探討深埋人工凍土本構關系，推導凍結壓力計算公式。將數值分析、理論分析與現(xiàn)場實測結果分析相互驗證，揭示深井凍結壓力分布規(guī)律。
　　首先，對取自深立井工程的土體進行常規(guī)土工、凍土熱物理參數、凍土物理力學性能試驗，分析土體各參數變化規(guī)律，揭示凍土物理力學特性。研究表明:凍土的導熱系數隨溫度降低而增大，而比熱反之;粘土試樣凍脹率范圍在1～5％之間，并且隨著凍結時間的增加，分別經歷

3、急劇增長、緩慢增長和相對穩(wěn)定階段;深埋凍土與淺埋凍土的不同之處在于深埋凍土存在蠕變的加速階段等。
　　其次，基于凍土蠕變試驗結果，選擇能較好地反映深埋凍土加速蠕變階段的改進的西原模型來表征深部凍土粘彈塑性流變特性。利用用戶子程序UMAT實現(xiàn)ABAQUS軟件的二次開發(fā)，把改進西原模型補充進ABAQUS軟件的材料模型以適應深土凍結過程的模擬，所編制的子程序得到三軸壓縮試驗的驗證。對蠕變參數進行了敏感性分析，結果表明凍土的蠕變發(fā)展與偏差

4、應力、粘彈性粘滯系數和粘塑性粘滯系數有密切關系。
　　基于ABAQUS軟件的二次開發(fā)對深井凍結法鑿井過程進行模擬，揭示土體凍結過程中凍脹應力及外井壁凍結壓力發(fā)展變化規(guī)律。數值計算表明，土體凍結產生凍脹應力使凍結壁內應力遠遠大于初始地應力。凍結壓力值隨土體埋深、土體凍脹率的增加而增大，降低凍結壁溫度則有利于凍結壁的穩(wěn)定。
　　依據周圍土體、凍結壁、井壁相互作用機理，運用粘彈塑性理論分析得到考慮凍脹效應的凍結壓力解析解。理論計算

5、公式能較好描述凍結壓力的增長規(guī)律，并且得到的凍結壓力與各影響因素之間的關系與數值計算結果一致，同時得到了凍結壁應力場的時空分布規(guī)律。
　　最后，針對不同土性分析研究實測凍結壓力變化規(guī)律，運用灰色理論量化凍結壓力影響因素的影響，在無量綱化基礎上建立凍結壓力數學模型，回歸出凍結壓力和時間、土體埋深、凍結壁平均溫度、凍結壁平均厚度及凍融半徑的關系式。將經驗公式、數值計算和理論公式的計算結果與實測結果進行分析比較，驗證了理論公式、數值模擬