外层井壁、冻结壁、泡沫板共同作用机理研究

基于粘弹性理论,建立一个适用于深厚冲积层的考虑冻结壁、外层井壁、泡沫板共同作用的粘弹性计算模型,模型中同时考虑了冻结壁的蠕变变形。导出了冻结壁黏弹性流变方程;并基于冻结壁、泡沫板和外层井壁之间的作用机理以及泡沫板压缩特性,推导出考虑泡沫板影响的辅助方程并应用于冻结壁黏弹性流变方程,从而得到冻结压力与井帮位移的关系式。     

深厚表土冻结法凿井信息化施工管理系统的开发与应用

本文在冻结壁温度场模型基础上,运用单元网格划分法,通过Visual C++编译器,开发并设计了深厚表土冻结法凿井信息化施工管理系统软件。本软件通过实际施工的状况和监测到的数据,探索和研究施工参数有效性以及冻结壁的稳定,对工程施工进行优化和必要的修改,确保冻结法凿井安全、有效、经济、优质的实施。     

深厚冲积层冻结法凿井技术研究现状与展望

总结了近年来深厚冲积层冻结法凿井技术的发展成果,重点分析了冻结设计和井壁设计理论与方法,以及井筒掘砌技术现状,并对深厚冲积层冻结凿井技术今后的研究工作进行了展望,以推动冻结法凿井技术的发展。     

特厚冲积层竖井井壁冻结压力的实测与分析

为深入研究冻结井外层井壁的外载,在巨野矿区特厚冲积层冻结法凿井过程中,开展了竖井井壁冻结压力的现场实测研究。实测表明:最大冻结压力Pmax普遍接近甚至超过按重液公式计算的永久水平地压P0;Pmax/P0的平均值为1.08。外壁浇筑后15d内,冻结压力增长迅速,超过57%～68%的地层中,7,10,14d冻结压力P(t)分别达到最大值Pmax的72%,77%,81%。分析认为,冻结壁内外部冻胀力的积聚,是冻结压力超过重液水平地压的根本原因。外壁设计荷载(冻结压力)的标准值应按重液水平地压取值;并应采取适当措施,减缓冻胀力积聚,减小冻结压力。此外,应确保外壁混凝土的7,10,14d立方块抗压强度分别达到其设计值的80%,85%,90%,以保证外壁的早期安全。     

基于与围岩相互作用的冻结壁弹塑性设计理论

冻结壁设计理论是冻结法凿井技术的核心之一。传统的冻结壁厚度弹塑性设计公式在冻结壁与围岩的弹性模量之比小于10时有较大的误差。为了更合理地设计冻结壁,建立了考虑开挖卸载作用的冻结壁与围岩相互作用弹塑性力学模型,推导了应力与位移解析解,建立了新的弹塑性冻结壁厚度计算公式,分析了各因素对冻结壁厚度的影响规律。分析表明,新公式较传统的多姆克公式更合理,并建议选用Coulomb-Mohr屈服准则进行冻结壁厚度计算。     

深厚冲积层冻结压力工程实测及分析研究

冻结压力是造成井壁安全问题的重要因素。针对黄淮地区深厚冲积层冻结法凿井的技术难题,通过对黄淮地区多个井壁受力状况的实时监测,得出的数据表明:各井筒冻结压力的增长在时序上具有相似性,基本可划分为三个阶段;呈现不均匀性且与高度不一定成正比这与土层所含有的矿物成分有一定的关系。并通过计算机软件得出含有不同矿物成分的黏土层的冻结压力随高度和时间变化的回归公式。     

基于与围岩相互作用的冻结壁塑性设计理论

冻结壁设计理论是冻结法凿井技术的核心之一。传统的冻结壁厚度塑性设计公式是在加载条件下导出的,未考虑冻结壁与围岩的相互作用和内摩擦角的影响,与实际相差较大。为了更合理地设计冻结壁,建立了考虑开挖卸载作用的冻结壁与井壁相互作用塑性力学模型,推导了应力与位移解析解,分析了各因素对冻结壁厚度的影响规律,建立了新的塑性冻结壁厚度计算公式。分析表明,新公式较传统的公式更合理,并建议选用Coulomb-Mohr屈服准则进行冻结壁厚度计算。     

考虑大变形特征的超深冻结壁弹塑性设计理论

冻结法是深厚不稳定、含水地层中最主要的凿井方法,冻结壁设计理论是冻结法凿井的技术核心之一。以往的深井冻结壁(表土层厚度超过400 m)设计理论忽略冻结壁变形对其尺寸、位置的影响,既偏于不安全,又低估开挖土方量。为了考虑超深表土层内大变形的影响,采用有限应变推导出变形前冻结壁的开挖半径与有效厚度的求解公式,建立冻结壁厚度设计新理论;与数值计算结果对比,分析了地应力、冻土黏聚力、冻土内摩擦角、弹性模量等参数对冻结壁厚度与井帮位移的影响。结果表明:新理论既能解决小变形问题,又能解决大变形问题,忽略弹性应变的理论公式能适用于应变达0.15的大变形情况,新理论还能准确地计算开挖土方量,为超深表土层冻结壁设计提供理论参考。     

绝热温升影响的冻结井壁温度场变化规律

为研究绝热温升对冻结井壁温度场的影响,根据井壁温度实测数据,采用ANSYS有限元分析软件对冻结壁大体积混凝土的温度场分布规律进行了数值分析,建立了考虑绝热温升影响的井壁温度场分布模型。实测与模拟结果表明:井壁浇筑后初期由于水化的热影响,井壁温度迅速升高,双曲线模型计算结果与实测值吻合程度较好。研究结果为预测冻结井壁温度场的变化规律提供了参考依据。     

煤矿立井冻结壁温度场演化规律数值模拟分析

为了研究煤矿立井冻结壁温度场发展规律,采用COMSOL Multiphysics 多物理场耦合程序,建立了立井冻结壁有限元分析模型,该模型考虑了冻结过程中相变潜热因素影响,模型与工程实际更为吻合。为验证模型的准确性,以某矿风井为研究对象,进行了170 d的冻结过程模拟,并与实测数据进行了对比分析,模拟结果与实测吻合度较好。依据模拟结果,可得出:①冻结过程中,测温孔温度呈负指数型下降,最终趋于恒定值;②冻结壁厚度初期增长幅度较大,而进入156 d增长趋势趋缓,最终趋于稳定,厚度达到8.2 m;③主面温度曲线以冻结管位置为中心呈V型发展,界面温度曲线则近似呈弧形发展。本模拟方法为冻结壁温度场研究提供了一种新的分析手段,相应研究成果对冻结法凿井准确把握井壁温度场演化具有较好参考价值。     

基岩冻结新型单层井壁施工技术与监测分析

 以鄂尔多斯市呼吉尔特矿区葫芦素副立井为工程实例,详细阐述国内首个基岩冻结新型单层井壁的施工工艺和监测方法,对井壁施工过程中的技术难点进行分析,给出井壁混凝土的质量控制指标。现场实测表明：(1) 凿井期新型单层井壁的钢筋应力和混凝土应变同时受基岩冻结压力与井壁温度的影响;(2) 井壁钢筋应力、混凝土应变的变化过程可分为OA,AB,BC,CD共4个阶段;(3) 凿井期葫芦素副立井竖向钢筋拉、压应力极值分别为35.5～70.8和－7.0～－45.0 MPa,环向钢筋则始终处于受压状态,其压应力极值为－41.7～－101.0 MPa;(4) 凿井期混凝土竖向、环向压应变极值分别为－190.5～－458.0和－590.4～－799.1 με,环向压应变极值为竖向的1.3～4.2倍;(5) 建议将竖筋悬吊的井壁高度取为12 m;(6) 葫芦素副立井井壁配筋于凿井期具有足够的安全储备,混凝土压应变处于安全范围。     

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。     

冻结法凿井需注意问题的探讨

介绍了冻结法凿井的原理,从掘进段高的确定、冻结管的断裂问题、冻结井壁的破裂方面探讨了冻结凿井施工中的问题,并针对性的提出了相应的解决办法,对冻结法凿井施工具有一定的指导意义。     

Coupled thermo-hydro-mechanical modeling of frost heave and water migration during artificial freezing of soils for mineshaft sinking

Artificial freezing of water-bearing soil layers composing a sedimentary deposit can induce frost heave and water migration that affect the natural stress–strain state of the soil layers and freezing process. In the present paper, a thermo-hydro-mechanical (THM) model for freezing of water-saturated soil is proposed to study the effects of frost heave and water migration in frozen soils on the formation of a frozen wall and subsequent excavation activity for sinking a vertical shaft. The governing equations of the model are formulated relative to porosity, temperature, and displacement which are considered as primary variables. The relationship between temperature, pore water, and ice pressure in frozen soil is established by the Clausius–Clapeyron equation, whereas the interaction between the stress–strain behavior and changes in porosity and pore pressure is described with the poromechanics theory. Moreover, constitutive relations for additional mechanical deformation are incorporated to describe volumetric expansion of soil during freezing as well as creep strain of soil in the frozen state. The ability of the proposed model to capture the frost heave of frozen soil is demonstrated by a comparison between numerical results and experimental data given by a one-sided freezing test. Also to validate the model in other freezing conditions, a radial freezing experiment is performed. After the validation procedure, the model is applied to numerical simulation of artificial freezing of silt and sand layers for shaft sinking at Petrikov potash mine in Belarus. Comparison of calculated temperature with thermal monitoring data during active freezing stage is presented. Numerical analysis of deformation of unsupported sidewall of a shaft inside the frozen wall is conducted to account for the change in natural stress–strain state of soil layers induced by artificial freezing.     

深厚表土层冻结法凿井外层井壁的受力实测分析

介绍了对宁夏红四矿主井冻结井壁的冻结压力、钢筋应力、混凝土应变和温度的监测方法。通过对主井井壁的实时监测,获得已成型冻结段井壁的冻结压力、钢筋应力和混凝土应变,掌握了深部冻结井壁的钢筋轴力、混凝土应变的变化规律,在此基础上评价冻结壁和井壁的安全状况。通过实时监测,主井井壁实现了信息化施工。     

冻结凿井中冻结孔作埋地换热器的可行性分析

冻结法凿井是利用人工制冷技术暂时冻结加固井筒周围不稳定地层并隔绝地下水后再进行开凿井筒的特殊施工方法。采用冻结法施工的井筒,完成后地层中留有大量的冻结孔。本文基于某工程实例,主要通过数值计算温度场分析利用冻结孔作为地源热泵埋地换热器的可行性,以实现浅部或深部地层冷量和热量的利用。     

新立副井井塔不均匀沉降分析

通过对新立金矿副井井塔的沉降观测数据和沉降曲线的观察分析,发现井塔出现了不均匀沉降现象,进而对产生不均匀沉降的相关因素进行研究分析,得到了引起不均匀沉降的原因主要有冻结壁的融化造成的冻土融沉、荷载偏心(承载中心与荷载中心不重合)和地下水疏降造成的地面沉降。副井井筒表土段施工采用了冻结法施工技术,由于在海水条件下,冻结温度场低,冻结壁范围大,而冻融速度慢,使得融沉周期较长。冻结法施工结束后,冻土产生缓慢的融沉效应,而且副井井塔基础采用摩擦型灌注桩,因此,冻土的融沉效应使得井塔产生不均匀沉降,它引起的沉降量占到总沉降量的69.5%,是造成不均匀沉降的最主要原因。