基于广义开尔文模型的冻结壁和井壁共同作用下冻结压力解析解

冻结压力大小是深厚冲积层冻结法凿井外层井壁结构设计计算的重要依据。在冻土单轴蠕变试验基础上,采用广义开尔文流变模型,以及弹性-黏弹性对应原理,建立冻结壁位移场黏弹性方程;然后考虑冻结壁与外层井壁及外围未冻土体的相互作用,推导出了作用于外层井壁上的冻结压力的数学表达式。计算结果表明:在外层井壁砌筑后的前10 d,冻结压力的理论公式计算值与实测结果平均值相差较大,约0.5 MPa;在20 d后,冻结压力趋于稳定,两者差值的绝对值在0.2 MPa以内。总之,冻结压力的理论计算值与实测结果的偏差绝对值在10%以内。因此冻结压力的理论计算公式是比较符合实际的,此公式可为冻结井的外层井壁结构设计提供依据。     

内衬管长度与冻结管的极限承载力关系研究

对含内衬管的坡口对焊接头冻结管抗弯承载能力与变形进行了实验和有限元计算,实验结果验证了有限元数值计算是可靠的。把“回归正交试验分析法”引入到数值计算中,用较少的计算次数,计算出不同长度内衬管对坡口对焊接头冻结管承载力的影响。计算结果表明：冻结管直径越大,增加内衬管长度对提高冻结管承载力的影响越显著;对直径小于130mm的冻结管,增加内衬管长度对提高冻结管承载力的影响很小。同时,回归出内衬管长度与坡口对焊接头冻结管承载力之间的经验公式,计算结果与试验结果误差很小,可为冻结管接头设计提供理论依据。     

地下水渗流对巷道围岩稳定性影响的理论解

将巷道围岩视为多孔介质，考虑地下水渗流作用的影响，应用弹塑性损伤力学理论，导出了巷道围岩的应力分布规律以及巷道损伤区半径与孔隙水压力之间的关系：并根据极值点失稳理论，提出了巷道围岩稳定条件，给出了渗流作用下巷道围岩稳定的孔隙水压力的临界值。当巷道围岩中的孔隙水压力接近临界值时，巷道围岩处于非稳定平衡态，此时如受到轻微的扰动，巷道围岩将因失稳而坍塌，从而发生突水事故。     

大流速地下水作用下多圈冻结孔优化布置方法研究

为了解决大流速地下水作用下多圈冻结管形成的冻结壁不易交圈或交圈时间延长等工程问题,提出采用在水流上游位置加密布置冻结管的方法对常规冻结方案进行优化设计。基于表观热容法构建了水热耦合数学模型,并通过大型物理模型试验对数学模型的合理性进行了验证。运用该数学模型对淮南潘一矿原冻结设计参数及其优化方案进行了分析。结果表明:对双圈管的外圈上游120°范围内的冻结管进行加密处理后,当地下水流速为10、15、20 m/d时,优化方案相较于常规方案在3种流速下的冻结壁交圈时间分别提前了7、13、57d,并且对应相同的冻结时间,优化后的冻结壁的厚度明显增加。     

基于流固耦合理论的煤矿立井井壁突水机理分析

将煤矿立井混凝土井壁视为多孔介质，考虑地下水渗流作用的影响，应用统一强度理论和弹塑性损伤力学模型，推导出立井混凝土井壁弹性区和塑性损伤区应力的解析表达式，以及井壁承受的地下水压与塑性损伤区半径之间关系的解析表达式。同时绘制了不同的φ（混凝土孔隙率）和λ/E（混凝土损伤后的降模量与弹性模量之比）值与井壁承受水压p0和塑性损伤区半径c之间的关系曲线。研究结果表明：在井壁几何尺寸和混凝土强度等级不变情况下，不考虑地下水渗流对井壁的影响时（φ=0），井壁能够承受的临界水压p0c为31.9 MPa；当φ取0.4时，p0c为15.1 MPa，井壁能够承受的临界水压下降了52.7%。当λ/E取0.5时，p0c为30.5 MPa；当λ/E取2.5时，p0c为18.6 MPa，井壁能够承受的临界水压下降了39.0%。由此可见，在考虑地下水渗流对井壁影响的情况下，地下水渗流效应和混凝土损伤软化对井壁能够承受的临界水压p0c影响十分显著，井壁能够承受的临界水压随着混凝土孔隙率φ和混凝土损伤后的降模量与弹性模量之比λ/E的增加而减小。     

复杂水文地质下井壁受力及温度测试研究

为解决淮北矿业集团桃园煤矿新副井井筒在老工业广场冲积层中冻结法凿井的技术难题,在施工过程中对外层井壁的受力和温度进行了实时监测,获得了老工业广场内复杂地质水文条件下井壁受力和温度的实测数据,通过实测信息反馈,实现了矿井动态设计和信息化施工。     

考虑相变潜热的冻结温度场非线性分析

基于考虑相变潜热的有限元分析原理,结合现场实测,采用非线性有限元方法对某矿井筒冻结温度场进行了数值模拟,深入分析了冻结温度场、冻结壁平均温度和冻结壁有效厚度的发展规律。有限元计算结果与现场实测结果基本一致,较好地反映了实际情况。     

高强钢筋混凝土预制弧板井壁力学特性分析

对高强钢筋混凝土预制弧板井壁结构的研究表明,实验结果与数值计算结果基本一致.高强钢筋混凝土预制弧板井壁结构具有很高的承载能力,影响其承载能力的主要因素依次为混凝土的强度等级、厚径比和配筋率.在均布荷载作用下,混凝土的强度等级提高10 MPa,极限承载力提高1.26 MPa.厚径比每增加1%,极限承载力增加0.85 MPa.增大配筋率对提高其极限承载力作用不大,配筋率增大3倍,极限承载力只增加了0.1 MPa.     

冻结井高强混凝土损伤演化与渗透性关系

以冻结井高强混凝土为研究对象,通过混凝土三轴压缩受力全过程渗透性试验,研究混凝土力学损伤演化与渗透性关系。结果表明:混凝土在压缩应力作用下的损伤演化与结构内部微裂隙的扩展发育有关;通过间接测量法即测量微观损伤的宏观表现来量化损伤,以环向应变作为宏观表现形式定义新的损伤变量,提出相应的损伤本构方程;分析围压、损伤变量、主应力差与混凝土渗透性之间的关系;运用数理统计中回归分析方法给出反映混凝土渗透性与围压、损伤的相关经验公式。     

冻结法深层位温度场数值模拟与分析

结合淮南杨村矿井副井冻结法施工,应用ANSYS数值模拟有限元方法对冻结过程瞬态温度场进行了数值模拟,和现场实测十分接近,数值模拟的系统分析可为深立井冻结的设计与施工提供科学依据。