双层钢板约束混凝土钻井井壁力学性能数值模拟研究

运用ADINA有限元程序,对双层钢板约束混凝土钻井井壁在围压作用下的力学性能进行了数值模拟研究。结果表明,在含钢量接近的情况下,随着内、外钢板厚度之比的增大,钢板对混凝土的约束效应更加明显,复合井壁的极限承载力随之提高。这说明仅考虑环向荷载时,将更多的钢板置于井壁内侧更为经济合理。     

内钢板高强钢纤维混凝土井壁力学特性研究

针对特厚(600~800m)冲击层中煤矿立井井筒支护问题,提出了使用内钢板-高强钢纤维混凝土复合井壁结构,为研究该井壁结构的水平承载特性,利用相似理论推导,采用物理模拟试验的方法,进行了4个模型井壁的破坏性试验,研究了该类井壁结构的水平承载特性和变形特征。研究表明,内钢板-高强钢纤维混凝土复合井壁属约束混凝土结构,是特厚冲积层中井筒支护理想的井壁结构形式之一。     

钢纤维混凝土井壁结构弹性常数的确定

根据钢纤维混凝土井壁的特点,以代表性单元体为研究对象,采用复合材料理论,考虑了钢纤维长度和分布方向的影响,推导出了钢纤维混凝土井壁结构的弹性模量、泊松比及剪切模量等弹性常数的计算公式,为钢纤维混凝土井壁结构理论计算及有限元分析提供参考。     

基于Monte-Carlo法的立井井壁随机温度场分析

为了深入研究不确定因素对立井井壁温度场的影响,将井壁传热区域的导热系数、内热源强度、质量密度及质量比热容等不确定性参数模拟为随机场,基于随机场局部平均理论,采用Monte-Carlo随机有限元法对立井井壁随机温度场求解进行了分析,给出了有限元节点温度响应的均值、方差及变异系数的计算公式,根据计算步骤编写了求解立井井壁随机温度场的Matlab随机有限元程序。通过工程实例,考察了随机场参数对立井井壁温度场随机性响应的影响,并与将各随机参数视为单一随机变量的情况进行了对比。结果表明:基于随机场理论的Monte-Carlo随机有限元法能合理考虑井壁混凝土热学参数空间上的不确定性;编制的Matlab随机有限元程序可直接输出各时刻井壁温度场的统计结果;传统的井壁温度场确定性分析存在缺陷,将井壁混凝土的热学参数模拟为单一随机变量会高估其变异性,采用随机场建模方法显得更加科学合理。     

深厚冲积层井筒修复内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁研究及应用

针对板集煤矿副井井筒修复的复杂工程条件,提出采用内套内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁结构。首先,对该种新型井壁结构力学特性进行了模型试验研究,结果表明:在井壁结构中高强钢纤维混凝土的极限压应变可达(-3 710~-3 750)με,显著提高了井壁结构的延性特征;由于内层钢板的约束作用,井壁内缘钢纤维混凝土也处于三向受压状态,钢纤维混凝土抗压强度提高了1.822~1.974倍,从而显著提高了该种复合井壁的承载能力;在板集煤矿副井井筒修复工程中首次应用了内层钢板高强钢纤维混凝土复合井壁,并通过现场实测结果表明,2个监测水平钢纤维混凝土应变分别为-290με和-359με,远小于试验实测的极限压应变值,说明目前该种新型井壁结构混凝土变形小,井壁结构安全可靠。     

深表土中高强钢筋混凝土井壁力学性能的试验研究

针对500～700m深表土中冻结井筒的支护难题，提出合理的技术途径，即采用现浇高强钢筋混凝土井壁结构。通过模型试验，对这种井壁结构的应力特性和强度特征进行了深入研究，结果表明：高强钢筋混凝土井壁具有很高的承载力，且增大钢筋含量对井壁承载力影响很小，但提高混凝土的强度等级可显著地提高井壁的承载力，并根据理论分析和试验结果推导出了这种井壁承载力的计算公式，从而为该种高强井壁结构的工程应用提供了设计依据。     

内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁在冻结井筒应用研究

针对板集主井井壁修复工程,提出采用内套内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁。对该种井壁受力机理进行分析,井壁内缘混凝土由于受到钢板筒的约束而处于三向受压应力状态,抗压强度明显增加,而该种井壁的现行设计计算方法并没有考虑到这一点。为此,根据我国现行混凝土结构设计规范中有关内容,给出内层钢板钢筋混凝土复合井壁设计计算完善方法。模型试验证明,采用完善方法设计的内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁结构,其混凝土抗压强度提高了1.838~1.859倍。板集主井工程应用现场实测表明,井壁结构中混凝土环向应变值为-392με,说明采用完善方法设计的井壁结构安全可靠。     

冻结井壁混凝土温度场本构模型研究及应用

冻结井壁温度场分布情况复杂,并且受到井筒内空气、冻结壁等周围环境等因素的影响。考虑井筒内空气、冻结壁以及井壁厚度等影响因素,通过改进混凝土绝热模型,引进λ,m和n等参数,建立了混凝土井壁温度场本构模型。以营盘壕井壁温度实测数据为例,进行混凝土井壁温度场模型参数反演,并将得到的预测值与实测值进行对比分析,得出冻结井壁温度场分布以及随龄期的变化规律。研究成果对冻结井壁设计与施工有参考价值。     

钢骨混凝土井壁水平极限承载特性的试验研究

针对600～800 m巨厚冲积层中煤矿立井井筒的支护问题,提出了采用钢骨钢纤维高强混凝土井壁结构型式.为了研究该种井壁结构的水平极限承载特性,根据相似理论,采用物理模拟试验的方法,开展了2个模型井壁的破坏性试验,研究了该种井壁结构的水平极限承载特性和变形破坏特征.试验研究表明:在竖向荷载(井壁自重应力)加载阶段,钢骨和混凝土能够协同变形;水平荷载加载阶段,钢骨应变达到屈服应变后,钢骨表现出一定的塑性流动变形能力;井壁破坏时,钢骨和混凝土的切向应变值可达-3500×10-6(压);利用厚壁圆筒的弹性、塑性极限承载力估算井壁的水平极限承载力上、下限值,试验值更接近塑性极限承载力;由于钢骨和钢纤维的加入使得高强混凝土的脆性得到改善,钢骨钢纤维高强混凝土井壁具有更好的塑性变形能力和延性,是深厚表土层中一种可行的井壁结构型式.     

钢纤维混凝土弧板井壁结构的力学特性

针对深厚表土层煤矿立井井筒支护难题,提出可适用于冻结井筒外层井壁的钢纤维混凝土预制弧板井壁结构。通过模型试验对该种井壁结构的力学特性进行了研究。结果表明：钢纤维可增强弧板井壁结构的韧性,井壁破坏前钢纤维混凝土环向峰值应变达2 200~2 300 με;钢纤维可改善井壁结构的变形和破坏特征,井壁破坏时的最大径向位移可达20 mm以上。利用试验验证的有限元模型对钢纤维弧板井壁进行了极限承载力影响因素的分析,表明混凝土抗压强度与井壁厚径比是承载力的主要影响因素,而钢纤维掺入量对井壁承载力影响较小。最后建立了钢纤维混凝土弧板井壁的极限承载力经验公式。