深厚富水软岩井筒冻结壁力学特性及应用研究

【摘要】：近年来，我国煤炭资源开采逐步向深部发展，井筒需要穿越深厚冲积层或富水岩层，解决深厚冲积层或富水岩层立井施工安全问题，成为矿井建设技术的关键。特别是我国内蒙古、甘肃、陕西等西部地区多数井筒需要穿越白垩系、侏罗系等含水量大的软岩地层，过去在冲积层中建设立井的冻结设计参数和经验在软岩层立井冻结设计中不能适应，因此，研究深厚富水软岩井筒冻结壁力学特性具有重要的理论研究价值和工程实际意义。 论文以深度达558m的陕西彬长胡家河煤矿软岩井筒冻结工程为背景，以实验研究为基础，采用理论分析、数值计算及现场实测相结合的方法，对冻结软岩力学特性、深厚富水软岩立井井筒冻结壁计算模型、变形特征以及不同软岩地层冻结壁温度场特性等开展了研究。系统研究了煤岩、砂岩在不同冻结条件下和不同受力条件下的力学特性，并根据试验结果建立了冻结岩石的本构关系；基于冻结壁和周围岩体的共同作用，建立了卸载状态下软岩冻结壁厚度计算模型；对深厚软岩冻结壁变形进行了有限元分析，得出了冻结壁井帮最大径向位移的计算公式；通过现场监测和对监测数据分析，得出了不同软岩冻结壁温度场分布特性。本文研究工作对西北地区深部煤炭资源的安全开采，丰富我国冻结凿井技术、冻结岩土力学理论等方面都具有重要的意义。 从工程现场取两种典型岩石(砂岩和煤岩)，进行常温及不同冻结温度下单轴和三轴压缩试验。分析了煤岩和砂岩试样的破坏过程和破坏形式；得出了冻结岩石的应力-应变曲线，单轴、三轴抗压强度，弹性模量，泊松比，内摩擦角，粘聚力等力学参数随冻结温度的变化规律，并对煤岩和砂岩在冻结条件下力学特性的差异性进行对比分析；以莫尔-库伦准则为基础，建立了考虑温度影响的冻结岩石本构关系。研究结果表明：①温度的降低使试样逐渐向脆性转化，而围压的增大则使试样塑性增强；在条件相同的情况下，砂岩具有更好的塑性，煤岩表现出明显的脆性。②两种岩石单轴和三轴抗压强度均随温度的降低而增大，相对而言，冻结砂岩抗压强度增大更加明显。围压对于冻结岩石三轴抗压强度的作用是非常明显。③随着温度的降低，两种岩石的弹性模量和抗剪强度均有不同程度的增大，泊松比均减小。相对煤岩而言，砂岩的弹性模量、粘聚力增大幅度更为明显，冻结温度对岩石内摩擦角的影响较小。 对国内外传统冻结壁厚度及冻结壁外荷载计算公式进行了总结，分析了公式对深厚软岩冻结壁设计的适应性，讨论了重液公式中K取值对冻结壁厚度计算结果的影响。无限长厚壁圆筒静、动态理论以及适用于表土层的经验公式计算结果均不能适应软岩冻结壁厚度计算。基于冻结壁与周围岩体的共同作用，推导出卸载状态下冻结壁外荷载和冻结壁厚度计算公式。该公式考虑了井筒开挖是冻结壁卸荷的实际情况，避免了采用重液地压公式时人为确定系数对计算结果的影响，同时将掘进段高作为冻结壁厚度计算的重要因素，计算结果更加科学。 运用ANSYS软件对深厚软岩冻结壁变形进行有限元分析，对不同掘进段高、冻结壁厚度、冻结壁平均温度条件下冻结壁的变形进行模拟计算。模拟计算结果表明，冻结壁最大位移随着冻结壁平均温度和开挖段高的增大而增大，随着冻结壁厚度的增大而减小。在此基础上，研究冻结壁变形与冻结壁厚度、冻结壁平均温度、开挖段高和开挖半径的关系，得出了冻结壁井帮最大径向位移的计算公式。通过对实测变形值与计算结果的比较，验证了冻结壁井帮最大径向位移计算公式的合理性。 对胡家河主副井冻结方案进行设计，并在施工过程中开展了盐水温度、主要岩层温度、冻结壁径向温度等实测工作。系统地总结了深厚软岩地层冻结壁的扩展速度、有效厚度及平均温度随冻结时间的变化规律，计算得出了胡家河矿井深厚软岩冻结壁主要冻结特性参数，指导胡家河煤矿冻结凿井工程安全生产，对深厚软岩地层冻结施工有重要的借鉴意义。