白堊系地層凍結(jié)井筒巖石物理力學(xué)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(jì)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)在軟巖層立井凍結(jié)設(shè)計(jì)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(xué)特性及溫度場變化規(guī)律具有重要的工程實(shí)際意義。
　　本文以深度達(dá)960m的甘肅新莊煤礦凍結(jié)井筒工程為背景，以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，采用理論分

2、析、數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，對(duì)凍結(jié)白堊系砂巖熱物理特性、力學(xué)強(qiáng)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(duì)不同含水狀態(tài)及溫度下導(dǎo)熱系數(shù)、體積比熱、熱擴(kuò)散系數(shù)等熱物理參數(shù)和變化規(guī)律進(jìn)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(dǎo)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(shì)；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(kuò)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(yàn)系統(tǒng)開展了白堊系砂巖的單軸、三軸強(qiáng)度特性研究；分析飽和巖石在不同低溫下的強(qiáng)度變化規(guī)律，得出了白堊系砂巖抗壓強(qiáng)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(qiáng)度值均隨溫度的降低而增大；②同一溫度時(shí)，飽和粗粒砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度總是大于中粒砂巖，且粗粒砂巖對(duì)低溫較中粒砂巖敏感；③相同圍壓條件下，試驗(yàn)溫度越低，飽和巖石的三軸強(qiáng)度就會(huì)越高；相同溫度時(shí)，圍壓和飽和巖石的三軸強(qiáng)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(yùn)用ANSYS結(jié)合新莊煤礦風(fēng)立井井筒白堊系地層實(shí)際工況，對(duì)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(jìn)

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(jì)算結(jié)果表明：澆注混凝土后井壁升溫明顯，且風(fēng)速的增加使井壁出現(xiàn)負(fù)溫時(shí)間減小，對(duì)流空氣溫度的增加使出現(xiàn)負(fù)溫時(shí)間增大。施工后期，由于泡沫板被壓實(shí)隔溫效果變差，使井幫溫度對(duì)井壁進(jìn)入負(fù)溫的時(shí)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(jì)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(duì)實(shí)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(dǎo)意義。
　　

6、開展新莊礦區(qū)風(fēng)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(shí)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(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(kuò)展速率、平均溫度隨凍結(jié)時(shí)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(dá)式，揭示凍結(jié)壁融化過程的溫度場變化特征。井筒溫度特