煤矿斜井冻结段受力特征及井壁开裂原因分析

袁大滩煤矿副斜井由明槽段、冻结段和基岩段3部分组成,总长度3 555 m。其中冻结段(681 m)采用双层钢筋混凝土井壁,其断面为直墙拱顶、平直底板结构形式。副斜井冻结段施工完毕,底板即出现纵向裂缝,伴随多个出水点;通车后,底板裂缝进一步发展,并出现横向裂缝。为确保斜井井筒的长期安全稳定,对斜井井筒受力特征进行分析,找出该结构形式下的潜在危险点,并分析裂缝产生和发展的原因,评价井筒结构的安全性,为矿井运营和后期维护提供参考。数值模拟结果表明:(1)现有的井筒断面结构存在6处危险点,且各危险点处主应力值均呈现随埋深的增加而增大的趋势;(2)井筒断面的最大主应力云图基本稳定,但是最小主应力云图随着埋深的增加而逐渐变化,最大主应力表现为压应力,最小主应力表现为拉应力;(3)在不考虑车辆荷载往复作用对井筒应力的影响情况下,应力变化幅度随着埋深的增加而减小,不同危险点的变化幅度有所不同:拱顶变化幅度最大,而拱腰则没有应力改善;(4)直墙拱顶的结构是合理的,但平直底板的设置带来了结构的安全性问题,在围岩应力和往复车辆荷载的共同作用下,造成了裂缝的产生和贯通。     

厚粘土层冻结井壁力学特性的实测研究

立井井筒穿越厚粘土层的施工一直是冻结法凿井的技术难点.通过对厚粘土层冻结井壁力学特性的现场实测,深入分析了井壁压力变化规律、井壁的环向和竖向受力特性.     

特厚表土层冻结井筒外壁受力监测与分析

对穿过特厚表土层的关键层冻结井筒外壁所受的冻结压力、井壁钢筋应力和混凝土应变进行了实测。获取的数据表明,井筒外壁环向主要受冻结压力,竖向主要受温度拉应力。环向混凝土最大应变-1 517με,环向钢筋最大应力-240 MPa,均小于设计值,外壁一直处于安全状态。     

斜井表土段冻结井壁解冻过程中受力规律研究

为了进一步认识深厚表土中斜井冻结井壁的受力特征,建立了地层冻结—井筒掘砌—冻结壁解冻全过程模拟的平面有限元模型,通过温度场与应力场的顺序耦合,得到了解冻过程中井壁的受力规律。结果表明:解冻前、后井壁的受力模式不变,一般情况下,井壁仰拱内缘中心为受拉控制点,内缘边墙与仰拱交点为受压控制点;解冻过程中,控制点应力逐渐增大,完全解冻后井壁受力最为不利,可按此时的受力状态进行斜井井壁的初步设计;通过调整井壁厚度与仰拱半径可有效改善井壁的受力情况;在永久使用阶段,井壁的受力模式及控制点位置不会随埋深增加而变化,而水平侧压力系数λ对二者均可做出改变;此外,井壁各点应力与埋深、λ均呈线性关系。     

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。     

冻结立井井壁早期温度应力计算研究

介绍了冻结井筒井壁温度应力研究现状,分析了井壁早期温度应力的产生机理;基于热弹性理论,建立了矿山冻结立井井壁早期温度应力计算模型,推导了井壁早期温度应力和应变计算公式;通过算例分析,环向和竖向温度应力以及环向温度应变与温度变化分布相关,环向温度拉应力最大达到27.62 MPa,最大环向温度拉应变为196με,说明井壁设计不能忽略温度应力的影响。     

仙女堡水电站空洞地基对闸室影响分析

为了对仙女堡水电站地基进行加固,利用ANSYS建立了三维非线性有限元模型,共计离散单元31852个,节点数33344个.计算结果表明:仙女堡水电站35 m厚的深厚覆盖层以及因淘金扰动而形成的“空洞”,其分布范围较广的右侧地基上的上部结构变位、应力均较左侧大；其次通过模拟正常蓄水位下4种不同“空洞”的埋深,发现“空洞”埋深对横河向变位及应力影响较小,顺河向及铅直向变位随“空洞”埋深增加而降低.     

不同接触角下接触带巷道顶部剪应力分布特征研究

地下开采中接触带巷道围岩剪应力是巷道出现剪切破坏和局部冒落的主要原因,构成矿山开采的重大安全隐患。为控制接触带巷道稳定性,研究了不同接触角下接触带巷道围岩剪应力分布特征。采用三维光弹应力冻结试验法,制作了0°、15°、30°和45°的接触带巷道光弹试验模型,定量分析了不同接触角下接触带巷道顶部在4 000 k N载荷时的剪应力分布特征。试验表明:光弹切片的应力条纹图直观显示了不同接触角下接触带巷道顶部的应力场分布;接触带弹性模量为6.69 GPa的一侧剪应力大小是弹性模量为3.20 GPa一侧的2~10倍,巷道顶部接触带上存在剪应力突变;当载荷一定时,接触带与巷道交界处剪应力值和接触带巷道顶部上最大剪应力值随接触角的增大而增大。研究结果表征了不同接触角下接触带巷道顶部的剪应力分布特征,对实际工程具有一定指导意义。     

深厚冲积层冻结法凿井外壁受力变形监测分析

为了分析杨村煤矿副井冻结法凿井时外壁的安全性,对其进行了受力变形监测工作。通过346m和387m二个水平监测结果分析表明:深厚粘土层冻结压力在混凝土浇筑后7~10d呈快速增长,随后增加趋缓,二个水平冻结压力与埋深(H)的关系分别为0.0107H和0.0109H;外壁环向钢筋应力和混凝土环向应变主要受冻结压力控制,表现为受压。二个水平环向钢筋最大压应力分别为-212.6MPa和-147.5MPa,二个水平混凝土环向应变分别为-1655με和-1170.5με,均小于设计值,外壁处于安全状态;外壁竖向钢筋应力和混凝土竖向应变主要受井壁降温梯度和冻结壁约束程度等影响。在冻结井筒掘进时,确保井帮温度达到一定值,减小冻土位移对外壁的作用,降低温度约束应力,可避免环向裂纹产生,有利于井筒使用过程中防治水工作。     

厚表土斜井冻结凿井期井壁混凝土应变实测研究

为了研究斜井冻结法凿井过程中井壁结构的安全性,对哈密大南湖十号煤矿主斜井进行了现场实测,获得了主斜井冻结段井壁混凝土应变和钢筋应力的变化规律。结合混凝土极限拉压应变,分析了井壁结构的安全性,并对斜井冻结施工提出优化建议。研究表明:井壁浇筑后,混凝土应变变化可分为4个阶段,即紊乱期、应变加速增长期、应变缓慢增长期及应变稳定期,井壁真实应变应从紊乱期后开始计算;斜井井壁设计主要受拉应变控制;在大南湖十号煤矿主斜井施工中,井壁底板环向拉应变最大达1 280με,远大于混凝土设计极限拉应变,井壁圆弧段局部位置环向拉应变超过200με,井壁处于破裂危险状态。     

深厚表土层井壁温度竖向附加应力分析

深厚表土层竖井井壁破裂是严重危害煤矿生产的地质灾害。温度作用是导致井壁内竖向应力增大而诱发井壁破裂的一种重要因素。为了分析深厚表土层立井井壁因温度作用产生纵向膨胀对井壁受力状态的影响,在分析井壁与土体相互作用的基础上,根据热力学和弹性理论建立了井壁和土体剪切作用的弹塑性模型,推导了井壁温度竖向附加应力的计算公式。进一步分析表明：井壁内温度竖向附加应力随深度呈不断增大的趋势,并在基岩附近达到最大值;温度竖向附加应力随着弹塑性剪切段分界点的深度近似呈线性增加。这些结论有助于加深对深厚表土层井壁破裂机理的认识,并对井壁破裂预防治理具有理论指导作用。     

冻结立井的破裂危险深度研究

通过对立井井壁受力特点的分析，揭示了井壁破裂处的应力与温度变化、井筒深度有着密切的关系；在井筒的几何尺寸及温度变化值确定的情况下，冻结立井随着表土段深度的增加，破裂的可能性在随之增大。在对危险层面上危险点处的主应力值同井筒深度尺寸（表土段）之间关系的研究以及校核井壁破裂的强度准则的应用基础上，描绘出了“应力－破裂深度关系曲线”，从而确定出冻结立井表土段的危险深度值。     

斜井冻结和解冻全过程温度场演化规律研究

针对斜井冻结中存在的井壁浇筑水化热释放、局部冻结方式等问题,采用数值模拟和现场实测方法对袁大滩煤矿副斜井冻结和解冻全过程温度场的发展演化规律进行了研究,对斜井支护方式、停止冻结时间和局部冻结结构形式进行了探讨。结果表明,局部冻结时在非冻结段采用小尺寸冻结管或聚氨酯发泡方式的局部冻结效果并不理想,建议将局部冻结管做成双层套管,两层冻结管之间设置保温层,以维持聚氨酯材料的保温性能、减少冻土体积、减少制冷量的额外消耗|井壁水泥水化热的释放会造成井壁内部温度较高和周围的冻土融化,建议在外层井壁和冻土之间设置木背板或泡沫板等隔热材料,防止井壁内外温差过大而产生温度裂缝|根据井壁强度增长情况,确定合理的停止冻结时机。     

基于弹性基础梁理论的冻结壁和冻结管变形与受力分析

冻结段掘砌过程中,冻结管的变形受力位移取决于冻结壁的变形,而施工段附近,冻结壁的变形受力不符合通常按平面问题处理的厚壁筒理论要求。提出了分析施工段附近冻结壁的弹性基础梁力学模型,分析推导出基于弹性基础梁的冻结壁变形位移计算表达式,并通过实例计算与实测结果分析对比,较全面地考虑了冻结壁及中部未冻土的力学性质、冻结壁的几何尺寸、掘砌施工段高、无支承段高、泡沫塑料可缩层、混凝土井壁的支承作用等因素,较好地反映了施工段附近冻结壁的受力和变形情况,并把冻结壁变形和冻结管的弯曲联系起来,为研究冻结管的变形和破坏提出新的计算方法和途径。     

富水基岩长斜井冻结法凿井技术

以鄂尔多斯新街矿区某矿主斜井为研究对象,针对该斜井井筒涌水量大、冻结长度长的难题,通过理论计算、数值模拟及现场实测等手段,对斜井冻结壁形成规律、冻结壁自然解冻规律、冻结壁交圈、斜井分段冻结进行研究,优化设计了斜井冻结方案,将整个冻结段分成5段,分段冻结、分段掘进、分段砌筑,并实现了平行作业,使倾角达16°斜井顺利通过白垩纪含水层,创造了斜井冻结长度最长的记录,为西部矿区类似井筒的冻结施工提供了宝贵的借鉴经验。     

530 m特厚冲积层冻结法凿井关键技术分析

围绕着表土段冻结法方案和冻结壁优化设计,新型高强冻结法井壁,法向材料及施工工艺,超深冻结孔钻进,测斜及纠偏技术,信息化施工技术的应用等几大关键技术问题做了大量卓有成效的工作,满足了工程安全施工的需要,为我国在超深厚表土层中的冻结法施工积累了成功的经验。     

冻结井筒开挖冻结壁变形的数值模拟与分析

针对山东郭屯煤矿主井冻结深度702m,考虑地层分布特征,按轴对称模型进行计算分析.模型分为已开挖支护段、模拟开挖段、底部为下卧层三段.模拟计算开挖支护段高为2m,针对515m深度的粘土层、587m深度的粗砂层的控制地层,分别进行开挖过程中冻结壁变形的数值模拟.计算结果显示,开挖过程中冻结壁径向应力减小,冻结壁外缘达地压值;塑性应变随开挖过程发生,工作面与井帮交界处产生了径向塑性压应变;井心区径向蠕变压应变显著.     

赵固一矿特厚冲积层冻结技术方案探讨

介绍焦作矿区赵固一矿518～524m冲积层冻结方案设计。通过冻结深度、冻结壁厚度和安全掘进段高计算公式、方法、基本参数、冻结孔布置方式、冻结工艺等优化、冻结壁稳定性nac-3D数值分析、冻结壁形成状况预测等综合分析法,提出的冻结方案和主要参数科学合理,冻结壁强度和稳定性能较全面地满足特厚冲积层冻结凿井的要求。     

粘弹塑性冻结壁计算理论研究

通过简单应力状态下冻土蠕变试验的研究,得出两淮地区冻土蠕变可以采用维亚洛夫经验本构模型来描述;由应力强度和应变强度等弹塑性力学概念,建立复杂应力状态下冻土的粘弹性蠕变本构方程,并且采用粘弹塑性理论推导了粘弹区和塑粘区冻结壁的扩展规律,论文公式能对冻结壁应力场和位移场进行粘弹塑性分析,为冻结法凿井工程设计提供参考。