白垩系冻结井筒“两壁”相互作用分析

鉴于白垩系冻结井筒在开挖后,冻结壁会受砌筑井壁时混凝土产生的水化热影响导致局部升温或融化,而外层井壁也会受到冻结壁低温的作用,产生较高的井壁内外温差,对强度增长不利,且容易产生温度裂缝对井筒安全造成不利影响;运用ANSYS有限元数值分析软件,结合新庄煤矿风立井井筒白垩系地层的实际工况,对冻结法凿井冻结壁与井壁温度场相互作用变化规律进行有限元数值分析研究,并成功指导了工程实践。     

富水厚软弱砾石层冻结壁与井壁温度场实测研究

塔什店矿区一号矿井风井363.7m深以内采用普通法施工,以下采用冻结法施工,冻结深度505m,冻结段地层内有2段富水软弱砾石层,厚度分别为95.24和47.98m。为确保井筒掘砌施工中,这2段砾石层冻结壁和井壁的安全性,在2段砾石层内,各布置1个温度监测水平,对冻结壁及井壁温度场进行实测研究。结果表明:1受浇筑的混凝土水化放热影响,冻结壁、外壁、内壁温度变化均经历了线性快速增长、线性快速下降和趋于稳定3个阶段。2内外壁混凝土浇筑后,混凝土一直为正温,养护环境良好;但混凝土井壁降温梯度大,易导致温度应力过大而产生裂缝。3浇筑内壁混凝土对冻结壁温度场的影响时间约为2个月,合理的井壁注浆时机应为浇筑内壁混凝土后2个月内。4由于受外壁混凝土水化放热影响大,砾石层冻结壁的安全性和设计需考虑外壁混凝土水化放热对冻结壁的影响。     

宁正煤田白垩系岩层冻结温度场实测与数值分析

宁正煤田煤层上覆巨厚白垩系富水岩层,井筒多采用冻结法施工。由于对该岩层冻结温度场扩展特性以及冻结壁受水化热影响范围等缺乏研究,导致冻结设计不合理、冻结壁交圈时间预判不准确等问题。针对上述问题,以宁正煤田新庄煤矿风井为背景,通过现场实测和数值模拟,对该矿井白垩系砂岩地层冻结温度场扩展特性、外井壁混凝土水化热对冻结壁的影响开展了研究。实测结果表明:砂岩地层冻结初期温度快速下降,平均降温速率达0.23℃/d,冻结锋面的发展速率达21.08 mm/d;混凝土水化热对冻结壁温度场的影响大,冻结壁的融化深度范围为440~480mm,距离外井壁50 mm的3#测点温度升高了33.6℃,平均升温速率达到了2.6℃/d。通过对数值模拟与实测结果比较发现:砂岩地层冻结壁扩展速度、井帮温度等参数值基本一致,能很好地预测冻结壁温度场变化规律。     

高水压下基岩冻结壁设计方法

首先提出了高水压基岩冻结在冻结壁和井壁设计方面存在的问题;其次回顾了冻结法凿井中冻结壁厚度设计理论的发展,客观地揭示了井筒井壁内外分层的力学原因,以及基岩冻结壁设计方面所需考虑的基本问题;第三,探讨了包神公式设计冻结壁的载荷性质,及与冻结壁外缘载荷的关系,剖析了冻结壁与井筒的几何尺寸、刚度等因素对冻结壁外缘载荷的影响;第四,深入研究了采用拉麦和包神公式进行冻结壁弹性设计的力学条件;第五,定量分析了井筒冻结壁弹性设计的深度范围;最后探讨了冻结基岩许用强度、剪切模量之比等参数对设计冻结壁厚度的影响。     

深厚冲积层冻结法凿井冻胀应力模型试验研究

井筒穿过深厚冲积层常采用冻结法施工,但冻结过程中冻胀应力的积聚与释放可危害外层井壁和冻结管安全,甚至造成工程事故。基于以上问题,利用物理模型试验,研究了井壁侧、冻结壁内部不同位置,冻结壁外侧的温度场分布情况及其冻胀应力形成特性和分布特征。研究结果表明,冻结壁交圈后土体的冻胀对井壁位置处的土体有显著的挤压作用,主冻结孔圈附近冻胀应力增幅值较大,冻结壁内侧冻胀应力也受主冻结孔圈冻结壁影响。     

凿井期基岩冻结壁对井壁的径向荷载及其影响因素

将井壁、冻结壁、基岩假设为3层无限长厚壁圆筒,求解获得凿井期基岩冻结壁对井壁径向荷载fa的最大理论解;而后,建立空间轴对称数值模型,系统研究立井"短掘短砌"的施工工艺、基岩冻结壁与井壁物理力学参数等对fa的影响规律。结果表明:当井壁刚度越大、泊松比越小,壁后基岩刚度越小、泊松比越大时,fa越大;fa的最大数值解随井筒埋深的增加而增长,其沿井壁外缘的分布规律可表示为井筒埋深的线性函数。     

混凝土水化热对冻结温度场影响的测试与数值分析

针对井筒内衬浇注混凝土水化热对冻结壁温度场影响的工程实际,对井筒浇注混凝土后的冻结壁温度场进行监测,并应用有限元数值方法进行比较分析。结果表明本文所建立的有限元分析模型可以比较准确的计算冻结壁温度场的变化规律,对工程实际具有指导意义。     

立井煤层冻结温度场数值模拟与分析

冻结法施工很少遇到煤层,目前对煤层冻结性能的研究较少,资料缺乏。通过现场试样检测与查阅相关文献资料,选取适当的运算参数,并考虑冻结孔实际偏斜情况,建立数值模型,对大海则煤矿2号副立井625m深处的煤层冻结温度场进行了数值模拟分析,得到了预计井筒施工到该层位时,煤层冻结壁温度场分布云图和主、界面温度场特性曲线,以及其他冻结壁发展规律参数;最后对井筒通过煤层时的冻结和掘砌施工提出了建议。     

赵楼矿副井冻结表土段井筒信息化施工

经多次调研论证,合理优化冻结方案,赵楼矿井采用三井共站模式集中设置冻结站;通过井筒冻结和掘砌的信息化施工,成功地开展了三大监测:地层冻结工程相关参数的监测,井筒工作面冻结壁与井壁的温度及变形监测,上部已成型井壁段的温度、受力及变形监测。对冻结壁发展情况进行不间断地预测预报,准确掌握冻结壁的发展,为冻结站合理地调整盐水温度和盐水流量提供依据,为井壁安全性评估、混凝土配比试验、井壁优化设计等提供可靠信息,为井筒掘砌安全、快速、连续施工提供保障,并通过内层井壁埋设的两层传感器实行井壁永久监测,以便后期维护管理。     

深厚黏土地层冻结压力的实测分析

通过监测淮南顾北煤矿深厚钙质黏土地层井筒冻结压力的发展规律,发现不同深度处的冻结压力在井壁混凝土浇筑后的最初15 d内增长速度较快,且具有明显的方向性;获得外层混凝土井壁浇筑后井帮温度的变化规律,冻结壁融化深度等是直接关系到冻结压力发展的重要因素;结合类似工程监测数据,获得了井筒平均冻结压力随深度变化的线性关系式.