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深厚表土中立井井壁水平侧压力不均匀性研究

郭力  
【摘要】: 对于井壁水平径向外载,沿用我国煤矿立井的设计规范,在深部情况下,非均匀部分验算时会发现需要立井井筒的壁厚加大很多。而实际情况是许多立井井筒未经过此验算,在施工和使用过程中使用正常,未出现由于水平地压偏压而造成井筒的破裂。井壁厚度是立井井筒设计与施工的非常重要的一个参数,关系到立井的整个掘砌过程和生产期间井筒乃至整个矿井的安全。从国内外的相关研究来看,现有的分布形式是否符合实际、不均匀系数如何合理取值均是有待解决的问题。本文就这一问题进行了深入地、系统的研究。 首先通过理论解析分析的方法,研究在二向不等的原始水平地压作用下,井筒不均匀侧压力分布形式。归纳后发现,不均匀侧压力的分布都可表示为p=p0(1+βcos2θ)的形式。随后使用数值模拟方法对这一问题进行了验证,并进行了进一步的探讨。发现即使地层中出现一定范围的塑性区,其井筒侧压力的分布形式亦可使用p=p0(1+βcos2θ)来描述,只是塑性区的存在使得这一公式的拟合程度有所降低。获得的压力分布规律与弹性理论分析结果基本一致。 采用随机有限元方法,从几何尺寸和物理参数两大类不确定因素入手,对可能影响到井筒侧压力分布的因素进行了研究探讨。其中包括:井筒内、外缘形状;井筒材料的物理性能;冻结壁的物理性能;地层材料的物理性能;地层存在倾斜的情况。以及冻结孔偏斜对井筒水平侧压力分布不均匀的影响。 通过大量的随机抽样运算,得到了这些参数在统计规律上对井筒水平侧压力不均匀的影响程度,获得了压力最大值与最小值两个极值之间的比例关系,为判断水平地压分布的不均匀程度提供依据,为p=p0(1+βcos2θ)的分布形式中不均匀系数β的取值打下了基础。 研制了深部地压模拟试验台。通过室内物理模拟试验,研究了地层为单一材料,以及存在倾斜情况下的井壁受力情况。地层材料为单一的砂土体时,测得砂土体对井筒的水平压力值与竖向压力值之比为0.35。18个测点数据均与其最小值相比,所得比值的均值为1.1382。 测得砂层不同倾角下,井筒侧压力的分布形式和不均匀系数的大小。 之后,把不均匀地压问题分解为3个子问题。在之前的研究基础上,将得出的结论进行总结和融合,把相关结论归结到这3个子问题上。对不均匀水平地压的分布形式,最大值或最小值的确定方法,以及不均匀系数β的取值进行了深入的对比、分析和论证。 最后,经过总结归纳,本文建议: 对于深厚表土下井壁受到的水平不均匀地压均可采用p=p0(1+βcos2θ)的分布形式。其中,p0为永久水土压力; 对于外层冻结井壁,取β=0.05;对解冻后的井壁,取β=0.15。 该论文有图92幅,表63个,参考文献83篇。


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