白堊系地層凍結(jié)井筒巖石物理力學特性及溫度場研究.pdf

1、隨著我國煤炭資源開采向深部發(fā)展，解決深厚沖積層或富水巖層立井施工安全問題已成為礦井建設(shè)技術(shù)的關(guān)鍵。我國內(nèi)蒙古、甘肅、陜西等西部地區(qū)多數(shù)井筒需要穿越白堊系、侏羅系等含水量大的軟巖地層，之前在沖積層中建設(shè)立井的凍結(jié)設(shè)計參數(shù)和經(jīng)驗在軟巖層立井凍結(jié)設(shè)計過于保守。所以，研究西部地區(qū)深厚富水軟巖井筒凍結(jié)壁物理力學特性及溫度場變化規(guī)律具有重要的工程實際意義。
　　本文以深度達960m的甘肅新莊煤礦凍結(jié)井筒工程為背景，以試驗研究為基礎(chǔ)，采用理論分

2、析、數(shù)值計算及現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，對凍結(jié)白堊系砂巖熱物理特性、力學強度特性以及凍結(jié)期—井筒掘砌期白堊系地層凍結(jié)井筒溫度場變化規(guī)律、井筒在解凍期受溫度應(yīng)力影響的穩(wěn)定性等開展了研究。
　　從工程現(xiàn)場取兩種典型白堊系砂巖，對不同含水狀態(tài)及溫度下導熱系數(shù)、體積比熱、熱擴散系數(shù)等熱物理參數(shù)和變化規(guī)律進行分析，探究了兩種不同粒徑白堊系砂巖熱物性的差異性及其與巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造的關(guān)系。結(jié)果表明：①砂巖的導熱系數(shù)均隨含水率的增加表現(xiàn)出先增加后減小的趨

3、勢；②砂巖的體積比熱隨所含水分的增加表現(xiàn)出先緩后陡降，隨溫度的降低表現(xiàn)出先驟升后陡降并趨穩(wěn)；③熱擴散系數(shù)隨含水率的增加不斷上升，直至趨于穩(wěn)定，隨溫度的降低則先緩降后逐漸上升。
　　采用MTS-815電液伺服巖石試驗系統(tǒng)開展了白堊系砂巖的單軸、三軸強度特性研究；分析飽和巖石在不同低溫下的強度變化規(guī)律，得出了白堊系砂巖抗壓強度與凍結(jié)溫度的關(guān)系；分析了不同低溫下白堊系砂巖彈性模量E和泊松比μ的變化規(guī)律及與溫度的關(guān)系。結(jié)果表明：①白堊系中

4、粒砂巖、粗粒砂巖單軸抗壓強度值均隨溫度的降低而增大；②同一溫度時，飽和粗粒砂巖的單軸抗壓強度總是大于中粒砂巖，且粗粒砂巖對低溫較中粒砂巖敏感；③相同圍壓條件下，試驗溫度越低，飽和巖石的三軸強度就會越高；相同溫度時，圍壓和飽和巖石的三軸強度值成正比；④兩種白堊系砂巖的彈性模量均隨溫度的降低而增大，而泊松比均隨溫度降低而減小。
　　運用ANSYS結(jié)合新莊煤礦風立井井筒白堊系地層實際工況，對凍結(jié)法鑿井凍結(jié)壁與井壁溫度場相互作用變化規(guī)律進

5、行有限元數(shù)值分析，總結(jié)了兩壁的溫度場特性。模擬計算結(jié)果表明：澆注混凝土后井壁升溫明顯，且風速的增加使井壁出現(xiàn)負溫時間減小，對流空氣溫度的增加使出現(xiàn)負溫時間增大。施工后期，由于泡沫板被壓實隔溫效果變差，使井幫溫度對井壁進入負溫的時間產(chǎn)生影響；井幫溫度是影響化凍范圍的主要因素，即化凍范圍隨井幫溫度的降低減小明顯。通過計算總結(jié)外層井壁、凍結(jié)壁徑向溫度分布及溫度變化規(guī)律，對實際工程有制定防止外層井壁壓壞和井壁裂縫出現(xiàn)措施的指導意義。
　　

6、開展新莊礦區(qū)風立井白堊系地層井筒在凍結(jié)及掘砌過程中溫度場及應(yīng)力場現(xiàn)場實測研究工作，包括鹽水溫度、主要巖層溫度、相同巖層降溫速率、凍結(jié)壁及井壁徑向溫度、凍結(jié)壓力及鋼筋應(yīng)力等，在對實測數(shù)據(jù)進行計算分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了西部白堊系軟巖地層凍結(jié)壁的擴展速率、平均溫度隨凍結(jié)時間的變化規(guī)律等。分階段分析凍結(jié)壁、外層井壁溫度受混凝土水化熱影響以及凍結(jié)壁內(nèi)部徑向溫度場特征參數(shù)，分析建立徑向溫度分布表達式，揭示凍結(jié)壁融化過程的溫度場變化特征。井筒溫度特