多荷载耦合作用下立井井壁潜在破坏区的确定

首先采用弹性理论对立井井壁进行了分析,建立了井壁破坏的理论模型,进而采用通用有限元软件ANSYS,建立了立井井壁的大型三维分离式有限元数值模型。运用这两种模型详细研究了多种荷载耦合作用对立井井壁的影响,多种荷载包括：随深度变化的土压力、随时间变化的疏水附加力以及井壁自身重量。确定了立井井壁在这三种荷载综合作用下的应力、应变集中区,论证了井壁破坏理论中疏水附加力理论的正确性,对井壁设计理论以及加固区域的确定提供了一定的理论指导。本文有限元模型的建立方法以及得到的结论,在一定程度上丰富了立井井壁理论的内容,增加了立井井壁理论研究的方法,促进了井壁附加应力说的发展。     

立井井壁附加应变长期实测研究

对华东地区十多个立井井筒6～9 a的井壁附加应变进行了实测和研究,获取多个井筒的实测附加应变演变规律并进行了分类处理,在对附加应变进行拟合的基础上分析了几种典型附加应变曲线的特点,分析了不同类型曲线中竖直附加力和温度应力对井壁破裂的贡献.结果表明:温度可造成竖向温度应变27×10~(-6)～88×10~(-6)幅度的波动,可以认为是井壁固有的恒定交替变化的应力,本身并不会造成井壁的破坏,但会加剧或缩短井壁破坏进程;竖直附加力增长率在0.015×10~(-6)～0.068×10~(-6)d~(-1)之间,随时间逐步增大的竖直附加力造成井壁破坏.     

粘土层中立井井壁附加力的模拟研究

本文在依相似理论建立的竖井模拟试验台上,对位于特殊地层中的立井井壁受力问题进行了模拟研究,首次证实了粘土层对井壁作用有纵向附加力,并得到了该力的数值、分布及变化规律。得出附加力是导致矿井井壁结构破坏的重要因素的结论,指出位于特殊地层的立井井壁结构设计应当采用三维空间理论进行计算。     

地层沉陷时井壁承受竖向附加力的有限元分析

通过对淮北、徐州等矿区井壁发生破坏情况的分析，指出了竖向附加力是导致井壁破坏的根源。编制了井壁结构空间轴对称问题弹塑性有限元程序，并采用它述破坏井壁了计算分析，得地层沉陷时井壁承受竖向附加力的数值，从而井壁设计提供参考依据。     

冻结井筒竖向可缩性井壁接头的设计研究

深厚表土层冻结法施工的立井井筒可能因竖向附加力作用而发生破裂,安设在立井井筒中的竖向可缩性井壁接头可有效衰减竖向附加力,从而预防井筒破坏。根据竖向可缩性井壁的设计原则,研究了竖向可缩性井壁接头的结构形式及其简化设计方法。采用数值计算方法对竖向可缩性井壁接头的安设位置及个数进行了优化设计,结果表明,设置双可缩性接头极大地改善了内层井壁的受力状况。现场测试表明,竖向可缩性井壁接头可有效衰减竖向附加力,使立井井筒运营情况良好。     

疏水围土中立井井壁破坏机理研究动态与井筒结构力学构想

综述了疏水围土中立井井壁破坏机理的研究成果．在此基础上,对建立疏水围土中立井井筒结构力学体系提出了构想一是载荷的分类与计算,包括初始载荷、井壁负摩擦力以及变温荷载等;二是井壁的应力分析,探讨了各类载荷下井壁工作应力计算的合理模型．     

疏水围土中立井井壁破坏机理研究动态与井筒结构力学构想

综述了疏水围土中立井井壁破坏机理的研究成果．在此基础上,对建立疏水围土中立井井筒结构力学体系提出了构想：一是载荷的分类与计算,包括初始载荷、井壁负摩擦力以及变温荷载等;二是井壁的应力分析,探讨了各类载荷下井壁工作应力计算的合理模型．     

特殊地层条件下井壁破裂机理与防治技术的研究（之一）

研究了表土段立井井壁的破裂情况；通过模拟试验，首次探讨了井壁破裂的机理；继而研究了竖直附加力沿深度的变化规律、竖直附加力与影响因素间的关系；指出了井壁破裂防治技术的路线和方向。     

用结构分析方法探索井壁破坏的机理

本文从部分煤矿立井井壁破坏的事例出发，采用井壁结构非线性有限元分析方法，分析了各种外荷载组合与井壁破坏的关系，找出了与实际井壁破坏形态相适应的外荷载组合为较大的竖向负摩力和较小的水平侧向力，从而分析得出井壁破坏的主要原因是地下水位的下降，表土地层的固结沉陷，并提出了改善井壁受力条件的措施。     

考虑竖向附加力和温度应力作用的双层井壁结构优化计算

为分析竖向附加力和季节性温度应力对井壁应变和应力发展规律的影响,并对井壁结构进行相应的优化,利用有限元软件ABAQUS建立了某双层立井井壁在自重、水平地压、竖向附加力和季节性温度应力共同作用下空间受力模型.通过相似理论分析可确定在既定井壁温度场条件下,井筒内、外壁受力状态主要受3个可变因素(外壁与内壁的厚度比Do和Di弹模比Eo/Et以及内、外壁之间摩擦系数μ)的影响.通过L9(34)正交数值试验,获得了以上3个因素对井筒内、外壁受力大小的影响程度.根据正交试验结果可知,选择合适的内、外壁摩擦系数并提高外壁与内壁厚度比可改善双层井壁的整体受力状态.     

煤矿立井次生地压分布规律研究之一——底含层大幅疏水沉降情况下

针对第四纪冲积层底部含水层疏水引发立井次生地压发生与变动的情况,展开次生地压分布规律的研究。通过将底部含水层之上的表土划分成若干薄板单元进行受力与变形的解析分析,揭示立井次生地压与原始地压相比已经发生了巨大的变化,随着距地表距离的增大,立井次生地压显现出趋于稳定值的特征。因为次生地压的分布规律直接关系着作用于外井壁之上的竖向附加力分布规律,因此,研究结果对煤矿立井井壁破裂规律的研究具有重要意义,对深厚表土层中立井井壁结构的优化设计具有重要的参考价值。     

特殊地层条件下井壁破裂机理与防治技术的研究（之二）

阐述了特殊地层条件下井壁受力的新观念及设计井壁的荷载组合；通过模拟试验提出了能适应竖直附加力的新型冻结井壁结构和钻井井壁结构，并给出了设计参数和设计方法；开发出从改变井壁结构方面防止新建井筒井壁破裂的技术．     

深厚表土中井壁结构破裂的力学机理

建立了深厚表土中钢筋混凝土井壁结构破裂的弹塑性理论,利用大型通用结构分析软件ＡＮＳＹＳ进行了井壁结构的弹塑性数值模拟计算,得到在水平地压、井壁重力以及随时间不断增大的竖直附加力的共同作用下井壁结构内部应力、应变的动态变化过程,探讨了深厚表土中井壁结构破裂的力学机理以及裂缝出现的位置和扩展过程,为井壁破裂的治理和预防提供了理论依据．     

深厚表土层井壁竖向附加力反演及稳定预测

在深厚表土层中建成的煤矿竖井井壁,开拓和采矿活动或人为疏水造成井壁周围土层固结沉降,土层在固结下沉过程中对井壁外表面施加一个竖直向下的附加力,这一竖直附加力是导致井壁破裂的关键原因.因此,合理确定这一附加力的大小对于分析预测、评价井壁的安全状态有重要意义.为此提出了基于监测信息的应变优化反分析确定附加力的方法,反演了作用在某井壁表土段上的竖向附加力,在此基础上进行了有限元弹塑性数值计算,得到了井壁由弹性进入塑性的发展过程及应力、应变随时间的变化规律,获得了井壁的极限压应变,从而为井壁的信息化监测预警提供了依据.     

Prediction and safety analysis of additional vertical stress within a shaft wall in an extra-thick alluvium

An alluvium with a sandy aquifer at the bottom, but lacking an effective impermeable layer between the sandy aquifer and bedrock is referred to as a special alluvial stratum. Impacted by the drainage of the aquifer due to mining activities, a shaft wall in this special alluvial stratum will be subject to a downward load by an additional vertical force which must be taken into consid-eration in the design of the shaft wall. The complexity of interaction between shaft wall and the surrounding walls makes it ex-tremely difficult to determine this additional vertical force. For a particular shaft wall in an extra-thick alluvium and assuming that the friction coefficient between shaft wall and stratum does not change with depth, an analysis of a numerical simulation of the stress within the shaft wall has been carried out. Growth and size of the additional vertical stress have been obtained, based on spe-cific values of the friction coefficient, the modulus of elasticity of the drainage layer and the thickness of the drainage layer. Subse-quently, the safety of shaft walls with different structural types was studied and a more suitable structural design, providing an im-portant basis for the design of shaft walls, is promoted.     

深厚表土中钻井法凿井的井壁外载和结构

分析了钻井法凿井的井壁外载,特别是近年来研究厚表土层中井壁破裂机理时发现的竖直附加力,在已知外载条件下,研究了两种可行的井壁结构,即以增加井壁整体强度的“抗”型和安装竖向可缩装置的“让”型井壁结构的力学特性及适用条件,研究了安装竖向可缩装置井壁的井筒装备应采取的措施,认为当表土深度超过200m时,以安装竖向可缩装置的“让”型井壁结构为好。     

卸压法治理井壁破裂的力学机理

结合深厚表土中井壁破裂后采用卸压法进行治理的实际工程,根据物理模拟试验和现场实测取得的力学参数,通过数值模拟对“卸压”的力学机理和长期效果进行研究,得到卸压法治理井壁破裂各阶段中井壁内部应力、应变的动态变化规律和卸压槽压缩量的变化规律,归纳出卸压法治理井壁破裂的力学机理包括不同阶段的３个效应：破壁注浆对竖直附加力的缓释效应、套壁的径向约束效应、卸压槽位置对应的外壁局部压碎后的卸压效应,为卸压法治理     

A methodology for lining design of circular mine shafts in different rock masses

In this study, the finite element numerical modelling of 2D shaft sections in a Hoek–Brown medium are carried out in a non-hydrostatic stress state in an attempt to predict pressures developing around mine shafts. An iterative process of applying support pressure until observing no failure zone around the shaft is used to simulate the required lining support pressure for different shaft models. Later, regression analysis is carried out to find a generic shaft pressure equation representing the rock mass and the stress state. Finally, the developed pressure equation which shows a good agreement with a case study is used in elastic ‘‘thick-walled cylinder" equation to calculate the lining thickness required to prevent the development of a failure zone around the shaft. At the end of the study, a user-friendly object-oriented computer program ‘‘Shaft 2D" is developed to simplify the rigorous shaft lining thickness calculation process.