西部含水基岩段冻结立井井壁外荷载形成机理研究

发布时间：2020-08-04 14:27

【摘要】：21世纪以来,我国西部地区新建煤矿开采深度不断加大,且多数穿越白垩-侏罗纪深煤系地层。由于该地层多为砂岩、砾岩、砂质泥岩,具有泥质胶结、遇水砂化泥化、可注性差的特点,其含水基岩段立井井筒多采用冻结法施工。鉴于我国对该地区基岩冻结缺乏深入研究,冻结井筒设计仍参考东部地区选取井壁设计外荷载,造成井壁结构形式选取不合理,井壁厚度设计非厚即薄,安全性与经济性矛盾突出。因此,开展西部地区含水基岩段冻结立井外荷载形成机理研究,对科学设计该地区冻结井井壁,实现安全与经济的协调统一,具有重要的理论意义和应用价值。采用西部地区侏罗系直罗组含水层的中-粗砂岩岩样,通过XRD、NMR、SEM、岩石的铸体薄片测试与观察,分析了其矿物成分和微观孔隙结构;使用MTS 816型电液伺服岩石力学试验系统,开展了单轴和三轴压缩试验,获得了其力学特性,并基于三轴压缩试验结果,揭示了弱胶结砂岩变形机理;深入分析了白垩-侏罗系地层水文与工程地质特征,给出了其渗透率、弹性模量和泊松比等参数取值范围。深入分析了含水基岩冻结壁融化前后期间,冻结井内外层井壁受荷特征,基于共同作用原理,建立了井壁外荷载演化模型,得到了冻结立井施工过程中井壁与围岩应力以及井壁外荷载演化理论解,并据此计算分析了含水基岩冻结井外荷载形成过程;建立渗流-应力耦合模型,数值模拟了冻结立井施工过程中井壁与围岩应力以及井壁外荷载演化过程,并得到模型试验的验证。基于广义有效应力原理与渗流理论,构建了围岩与井壁共同作用下的单层井壁外荷载分析模型,给出了井壁外荷载解析解,通过与经典解和工程实测对比,验证了其正确性;结合西北地区富水围岩特性,讨论了实际工程中井壁外荷载的取值范围。研究表明,密贴状态下,井壁外侧水压折减系数β和围岩与井壁渗透率比值Kr/Kc密切相关,且成正比关系;Kr/Kc=10～100范围内,在贴壁状态下,β计算值在0.422～0.879之间,β常见值在0.5～0.9;离壁状态下,β的极限值为1.0。贴壁状态下,井壁外荷载折减系数ω取值范围为0.496～0.963,ω常见值0.5～0.9;离壁状态下,ω取值范围为0.520～1.0,常见值0.5～1.0。在单层井壁外荷载解析与分析的基础上,建立了双层井壁外荷载解析模型,给出了贴壁式和离壁式井壁受力条件,获得了双层井壁外荷载的解析解,并在解析解的基础上通过影响因素分析,探讨了双层井壁外荷载形成机制。分析结果表明:当内壁渗透率与混凝土材料的渗透率一致时,内壁水压折减系数取值常见范围为0.233～0.6138;当外壁与围岩密贴状态时,其内壁外荷载折减系数取值范围为0.46～0.79;双层井壁内壁外水压和外荷载的常见取值均小于单层井壁。图[70]表[18]参[170]
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD265.34
【图文】：

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逦Ｉ逡逑图２－１取样地点照片ａ逦图２－２取样地点照片６逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｓａｍｐｌｉｎｇ邋ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ邋ａ逦Ｆｉｇ．２－２邋Ｓａｍｐｌｉｎｇ邋ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ邋ｂ逡逑陕西榆林巴拉素煤矿立井的建设，为本文的研究提供了契机，本文的岩样主逡逑要以该地区的诛罗系含水砂岩为试验对象。其地质年代为侏罗系直罗组（Ｊ２ｚ）和延逡逑安组第四段（Ｊ２ｙ４）。根据地质勘查报告，在该井筒范围直罗组（Ｊ２ｚ）的含水层主要逡逑为该段的中、粗粒长石砂岩；延安组第四段（Ｊ２ｙ４）的含水层主要为该段的中、粗逡逑粒长石砂岩。由于延安组砂岩夹了杂较多的植物根茎化石或存在较多的交错层理，逡逑为了减小后续力学试验结果的离散性，同时为保证研究的代表性，故本文主要以逡逑１５逡逑

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■Ｒ邋ａ邋ＩＷＭ逡逑Ｐ邋■■１逡逑图２－３现场取回的岩块逡逑Ｆｉｇ．２－３邋Ｒｏｃｋ邋ｒｅｃｏｖｅｒｅｄ邋ｆｒｏｍ邋ｔｈｅ邋ｍｉｎｅ逡逑ＲＰｉ邋１逡逑图２－４岩石试样照片逡逑Ｆｉｇ．２－４邋Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ邋ｏｆ邋ｒｏｃｋ邋ｓａｍｐｌｅｓ逡逑２．２西部典型砂岩基础物理特性逡逑岩石的微细观结构、矿物化学成分及成岩机制均对其强度与变形特性、水理逡逑特性、渗流－应力耦合特性等物理力学性质有着极大的影响。为了细致、客观的认逡逑识岩石的表观特性及细观结构，同时为后续相关物理力学性质的分析和量化提供逡逑依据，需要通过铸体薄片试验、ＸＲＤ试验、ＳＥＭ试验和ＮＭＲ试验，深入观察和逡逑１６逡逑

【参考文献】