人工冻结技术在蒙西深厚软岩地层的应用

基于内蒙古西部地区某矿深厚软岩地层的水文地质特点,选用了单圈布孔冻结设计方案,并阐述了该方案的具体施工技术,既为掘砌工程创造了良好的施工环境,又取得了显著的经济效益,为西部类似地层冻结井方案设计提供借鉴。     

煤矿立井井筒冻结壁软岩力学特性试验研究

在煤矿立井井筒建设过程中,近年来的矿井建设逐步向深厚冲积层的深井建设发展,冻结法是有效穿越不稳定深厚基岩的有效施工方法。本文以陕西彬长矿区胡家河煤矿立井冻结施工工程为背景,从主井井筒穿越的不同类型的砂岩、煤岩、和砂质泥岩为代表,进行常温(+20℃)和不同冻结温度(-5℃,-10℃,-20℃,-30℃)条件下的岩石在单轴和不同围压条件下(6 MPa,8 MPa,10 MPa)的三轴压缩试验。分别探讨了围压对于冻结软岩三轴强度特性的影响和冻结温度对于冻结软岩三轴强度特性的影响规律,分析了不同类型的砂岩、煤岩、和砂质泥岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对3种软岩冻结温度效应的同一性和差异性进行比较研究。为低温条件下岩石力学特性和煤矿冻结立井设计施工提供有价值参考。     

白垩系地层冻结壁冻融全过程温度场现场实测研究

目前西部地区矿井建设普遍采用冻结法凿井,但对白垩系地层冻结特性了解不清,特别是融化过程尚未有可靠资料作为参考.文章以西部地区某在建井筒选择代表性地层为研究对象,开展冻结壁温度场冻结、融化全过程现场实测,通过二者结果对比,得出西部地区冻结壁温度场冻融过程分布规律,为以后类似地层冻结法凿井提供参考.     

砂质泥岩人工冻结力学特性的单轴声发射研究

人工冻结法是西部矿区竖井建设的主要方法,但针对西部软弱岩层的低温冻结研究仍不足。本文以内蒙古鄂尔多斯某矿区深部砂质泥岩为例,通过声发射技术研究了砂质泥岩在正冻过程以及不同温度下(常温及负温)单轴试验中的声发射特征变化。结果表明,正冻过程中泥岩的损伤主要集中在冻结前期,其损伤程度随时间逐渐维持在某一水平。单轴试验中,常温与负温环境下的岩石压密过程存在较大的差异性,且声发射参数随温度的降低而增加。上述成果对于进一步研究岩石在负温下物理力学性质变化的根本原因以及冰与岩石颗粒的作用机理有重要的参考价值。     

巨厚流砂层井筒冻结壁形成及成因分析

为研究巨厚流砂层地质条件下井筒冻结壁的形成规律,应用计算机测温系统对袁大滩回风立井不同层位温度进行监测,并按照传热学原理对监测结果进行成因分析,结果表明,冻结壁交圈前后冷量交换条件产生变化,主冻结孔内、外侧冻结壁变化规律不同;巨厚流砂层冻结壁发展速率在纵向上轨迹相似,内侧快于外侧;这些结论的取得为相同地质条件下井筒冻结施工提供了参考借鉴。     

盾构进洞杯形冻结温度场现场实测研究

基于天津站盾构进洞水平冻结加固工程,通过对杯形冻结温度场发展的现场实测,分析研究盐水温度变化及不同主面、界面冻结温度场发展规律。监测结果表明:在微承压性富水粉砂层地质工况下利用冻结法加固岩土体可行;杯体主面、界面岩土体冻结温度发展规律基本相同;杯底范围岩土体受杯体冻结壁的影响,冻结发展速度更快,基本呈线性发展;土体与地连墙交界面冻结温度发展速度较内部土体快;冻结30 d,杯体主面、界面冻结平均温度分别可达-14.22℃和-10.30℃,杯底冻结平均温度可达到-25℃。     

白垩系冻结软岩非线性流变模型试验研究

通过高围压固结、低温冻结后再加卸载的试验方法模拟白垩系冻结软岩地下工程施工应力状态变化过程,大量的试验结果表明：白垩系地层冻结软岩存在起始临界应力阈值,且符合Mises强度函数准则;冻结软岩黏滞系数是时间的一次函数,拟合相关系数达0.99以上。根据试验提出了冻结软岩黏弹塑非线性蠕变本构力学模型,将现场实测结果与计算值进行对比：两者变形规律完全一致且数值较吻合,从而验证了低温软岩本构模型的正确性,可为冻结地下工程和寒区岩土工程数值计算提供参考。     

基于强度分层计算的弱胶结软岩冻结壁变形分析

 弱胶结软岩具有低强度、低冻胀性和高流变性的特点。以平均温度代替冻结温度场径向温度梯度分布以及以冻结壁平均强度参数代替力学参数径向层状分布的传统计算方法不能准确反映弱胶结软岩冻结壁的变形特性。基于幂律蠕变本构模型推导分层计算模型的有限差分形式,并给出分层计算模型在FLAC3D中的实现途径。通过实例计算表明,分层计算结果与实测数据更吻合。根据不同工况下的模拟结果,分析弱胶结软岩冻结凿井井帮最大径向位移点为(0.36～0.42) h,空帮径向变形对掘砌段高较敏感,随着段高的增加,围岩变形显著增加,且沿纵向冻结围岩深部发展。通过容许空帮时间分析,在段高大于4.5 m时,正常冻结凿井作业循环时间内,不能保证工作面施工安全。     

不同围压与冻结温度下白垩系红砂岩力学性质试验研究

西部立井冻结法施工中,冻结壁岩体受到温度场及地应力场的耦合作用。为研究白垩系红砂岩在地应力与温度耦合作用下冻结后的力学性质,利用围压模拟地应力条件,在不同的温度(20℃,-5℃,-10℃,-15℃)及围压(0,2,4,6,8 MPa)下对红砂岩试样进行冻结处理,并在相同的围压下测试其冻结后的三轴力学性质,分析冻结围压及冻结温度对红砂岩冻结力学性质的影响,并就红砂岩冻结过程中地应力的影响机制进行初步探讨。试验结果表明,冻结时的围压可以提高红砂岩的冻结程度,红砂岩强度、弹性模量相对无围压冻结增加,泊松比下降。随温度降低,红砂岩的黏聚力、内摩擦角、起裂及扩容应力水平均随温度的降低而增加,但黏聚力增加幅度更大。红砂岩冻结后,弹性阶段相对变长,塑性阶段变短,塑性变形储备能力不足。对于多孔弱胶结的红砂岩,冻结过程中的地应力可以提高岩石孔隙的约束能力,抵抗冻胀变形,使冻结作用可以尽可能向次级微孔隙发展。研究结果为西部地区煤矿立井冻结壁厚度及掘进段高设计提供了指导。     

塑料冻结管冻土温度形成规律

为了获得PVC、PPR塑料冻结管在盐水冻结的温度场分布情况,采用物理模拟实验和理论求解相结合的研究方法,研究了PVC管、PPR管和钢管的单管冻结问题,分析了3种不同材质冻结管的冻结情况,获得了冻土区温度分布规律,掌握了PVC、PPR管作为冻结管冻土的发展速率,在同种情况下PPR冻结管的速度最慢,PVC管冻结的冻土帷幕平均发展速度约为钢管冻结发展速度的0.8倍。为采用PVC管作为冻结管,确定盐水冻结时间和计算冻结壁厚度,解决盾构进出洞免拔管问题提供基本参数。     

单向冻结过程中NaCl盐渍土水盐运移及变形机理研究

冻结过程中的水盐迁移机理一直是冻土学研究的热点。通过单向冻结试验,研究了冻结过程中的水盐运移过程及土体变形。研究表明,在土体初始含盐量为0.8%的条件下,土体的冻胀变形显著减小,盐分的存在强烈影响着冻结缘处水分的集聚,盐对土体的冻胀具有抑制作用。在补给不同浓度NaCl溶液的条件下,土体初期的冻胀变形规律一致,随着盐分在冻结锋面处的累积,土体在后续冻结过程中水分迁移动力不足,从而使得土体冻胀过程中冻胀明显减小。基于溶液的性质并考虑盐分对土体冻结温度和未冻水含量的影响,建立了冻结过程中NaCl盐渍土水盐迁移规律及变形的计算模型,计算结果显示,计算模型能够很好地反映含盐土体在冻结过程中的温度、水分、盐分及变形的规律,从而为深入了解盐渍土在冻结过程中的变形机理提供理论参考。     

变热物性非稳态导热下人工冻土温度场解析解

为优化冻结方案、准确掌握人工冻土温度场发展状况、处理紧急情况,需要了解变热工参数对人工冻土温度场的影响。以圆形断面为计算断面,在特定的温度场定解条件下,假定变热系数随径向按照一定规律变化,从而推导了平面极坐标下人工冻土温度场方程的解析解,得出了三种不同变化形式下的温度场变化情况,并可以根据算出的温度场方程反推冻结冰峰移动情况。     

变温幅度和间歇时间对土体冻胀影响的试验研究

选取冻胀敏感性粉质黏土,利用人工冻土一维冻胀试验系统进行不同变温幅度和间歇时间作用下的后间歇冻结试验,以试样冻深达到稳定阶段为初始时刻分析冻结锋面、冻胀量及温度梯度变化曲线,得到冷端变温幅度和间歇时间对土体冻胀的影响规律.结果表明:不同变温幅度作用下的冻结锋面、冻胀量曲线呈周期性变化,变化周期为240 min,与间歇时...     

白垩系地层煤矿立井冻结壁的力学特性及温度场研究

为解决人工冻结技术在西部井筒穿越白垩系富水地层的技术难题,以甘肃新庄矿风立井冻结工程为背景,通过室内物理力学试验、现场实测及有限元数值模拟,对冻结状态下白垩系地层岩石的热物性及力学特性进行研究,探讨凿井期冻结壁的受力机制,重点分析白垩系冻结壁的冻结压力变化规律和成因,对比测温孔与冻结壁径向温度的实测与模拟结果,拟合得出冻结壁受混凝土水化热的影响范围为440~480 mm。研究结果为丰富我国岩石力学的基础理论研究起到积极作用,也可对西部冻结法凿井的优化设计和安全稳定性研究提供依据。     

不同温度条件下土的人工冻结试验研究

目前人工冻结施工方法仍然存在一些未解决的问题,最为突出的就是冻胀问题,本文从工程实际出发,进行了不同人工冻结方向以及不同冻结温度模式的冻胀试验研究,并对试样的温度场、冻胀量、含水率及干密度等进行了对比分析。在相同试验条件下,正弦变温冻结试样的冻胀量值最小,自下而上恒温冻结试样的冻胀量最大;自上而下恒温冻结、正弦变温冻结和恒温自下而上恒温冻结试样的含水率和干密度变化趋势相同,可知在相同试验条件下,冷端输出的冷能一定时,人工冻结试样内部水分迁移规律将相同。     

负温混凝土早期结构损伤程度研究

本文研究了-5℃、-10℃、-15℃及两种自然变负温( 1℃～-6℃、-5℃～-15℃)养护条件下及转正温标准养护后混凝土的动弹性模量与抗压强度的变化规律。试验结果表明：与标准养护的混凝土的动弹模增长规律相比较。可以利用动弹性模量随时间变化规律确定不同负温下混凝土的损伤程度;与不同负温养护温度下混凝土的强度增长规律相比较。二者的发展规律一致。但对一次冻结模式与多次冻结模式的负温混凝土。二者发展规律存在一定差异。     

三向受力条件下冻结岩石力学特性试验研究

 随着寒区或特殊施工环境条件下基础设施建设的需要,越来越有必要对冻结岩石力学问题进行深入的研究。以陕西彬长矿区胡家河煤矿冻结立井为背景,从现场采集的煤岩和砂岩为代表,进行常温(+20 ℃)和不同冻结温度(－5 ℃,－10 ℃,－20 ℃)条件下的岩石在不同围压下的三轴压缩试验。分别探讨了围压对于冻结岩石三轴强度特性的影响和冻结温度对于冻结岩石三轴强度特性的影响规律,分析煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对2种岩样冻结温度的同一性和差异性进行比较研究。煤岩和砂岩在冻结的效应方面有着明显的差异性,主要原因是其岩石内部结构性的差异。富水砂岩冻结后对温度的敏感程度要高于煤岩。强度随温度降低而增大的主要原因是温度降低时,岩石冻结时的矿物收缩和冰本身的强度及冻胀力使得富水冻结岩石的峰值强度得到提高。为低温条件下岩石力学特性和煤矿冻结立井设计施工提供参考。     

扰动冲击下弱胶结红砂岩的能量耗散与分形特征

为探索动态扰动后西部矿区软岩夹层的能量耗散规律和破坏模式,利用分离式霍普金森压杆装置对弱胶结红砂岩进行动态冲击破坏试验,分析该类红砂岩在受到不同加载速率、不同次数扰动冲击以及是否扰动的条件下,试样在相同加载速率破坏性冲击过程中的能量耗散与分形特征.试验结果表明:在不同速率扰动冲击作用下,随着扰动冲击次数的增加反射能递增...     

静载下饱和冻结中砂的弹性模量与温度及 应变率的关系*

  通过在不同温度及不同应变率下对饱和冻结中砂进行单轴压缩试验，获得了静载下饱和冻结中砂的弹性模量。本文分析了温度及应变率对冻结中砂弹性模量的影响规律，并给出用温度和应变率估算弹性模量的经验公式。     

冻结砂岩冲击及爆破破岩能量耗散等效模型研究

为探究寒区爆破工程中冻结岩体的可爆性差异,对不同含水率的冻结砂岩进行SHPB冲击试验,并结合柱状炸药能量分布的理论解析,研究冻结砂岩冲击及爆破破岩能量耗散特性,进而提出冻结砂岩爆破炸药单耗模型,同时运用数值模拟方法进一步修正单耗模型。研究结果表明：(1)随着含水率提高,砂岩试样的破坏程度逐渐加剧;相同含水率下,冻结砂岩试样的破坏程度要弱于常温砂岩试样。(2)随着含水率w提高,常温和冻结砂岩试样的耗散能量均逐渐降低;相同含水率下,冻结状态砂岩的冲击耗散能量均高于常温状态砂岩;当含水率为0w,0.25w,0.50w,0.75w,1.00w时,其耗散能量增幅分别约为21.6%,64.9%,80.3%,78.2%,83.3%。(3)等效处理砂岩的冲击破岩耗散能量和柱状乳化炸药的爆破破岩能量,得到砂岩的爆破炸药单耗与含水率的拟合公式。(4)采用ANSYS/LS-DYNA的SPH粒子流算法进行爆破漏斗试验模拟,基于立方根相似定律,对砂岩的爆破炸药单耗进行修正,并对修正后常温和冻结状态砂岩的爆破炸药单耗进行拟合,得到修正的炸药单耗模型。