白堊系地層凍結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技術的關鍵。我國內蒙古、甘肅、陜西等西部地區(qū)多數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立井的凍結設計參數和經驗在軟巖層立井凍結設計過于保守。所以，研究西部地區(qū)深厚富水軟巖井筒凍結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井筒工程為背景，以試驗研究為基礎，采用理論分

2、析、數值計算及現場實測相結合的方法，對凍結白堊系砂巖熱物理特性、力學強度特性以及凍結期—井筒掘砌期白堊系地層凍結井筒溫度場變化規(guī)律、井筒在解凍期受溫度應力影響的穩(wěn)定性等開展了研究。
　　從工程現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、體積比熱、熱擴散系數等熱物理參數和變化規(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構構造的關系。結果表明：①砂巖的導熱系數均隨含水率的增加表現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出先緩后陡降，隨溫度的降低表現出先驟升后陡降并趨穩(wěn)；③熱擴散系數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溫度的關系；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)律及與溫度的關系。結果表明：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結合新莊煤礦風立井井筒白堊系地層實際工況，對凍結法鑿井凍結壁與井壁溫度場相互作用變化規(guī)律進

5、行有限元數值分析，總結了兩壁的溫度場特性。模擬計算結果表明：澆注混凝土后井壁升溫明顯，且風速的增加使井壁出現負溫時間減小，對流空氣溫度的增加使出現負溫時間增大。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。通過計算總結外層井壁、凍結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及掘砌過程中溫度場及應力場現場實測研究工作，包括鹽水溫度、主要巖層溫度、相同巖層降溫速率、凍結壁及井壁徑向溫度、凍結壓力及鋼筋應力等，在對實測數據進行計算分析的基礎上，系統(tǒng)總結了西部白堊系軟巖地層凍結壁的擴展速率、平均溫度隨凍結時間的變化規(guī)律等。分階段分析凍結壁、外層井壁溫度受混凝土水化熱影響以及凍結壁內部徑向溫度場特征參數，分析建立徑向溫度分布表達式，揭示凍結壁融化過程的溫度場變化特征。井筒溫度特