万福矿巨厚表土层均匀冻结壁设计理论与实践研究

发布时间：2020-08-24 15:40

【摘要】：“两壁一钻”问题是立井井筒冻结法施工的核心技术问题,其中深厚表土中的冻结壁问题,特别是冻结壁的设计又是其中的难点。深厚表土冻结壁设计过程中,冻结壁的温度场和变形场是影响冻结法成败的关键因素。采用传统冻结孔同心圆布置方式的冻结技术,在满足设计和施工要求的条件下,形成的冻结壁存在冷量消耗大、受力不合理等问题。基于此,本文提出了一种冻结孔分圈插花均匀布置技术,能够提高冻结壁均匀性,即“均匀冻结壁”。该技术主要是通过改变传统的同心圆布孔方式,将内圈孔和中圈孔由一圈分成两圈(采用分圈插花状布孔,将传统的冻结孔由三圈变为五圈),这样在内外圈冻结孔之间形成更加均匀的低温条带(核心区)。由于冻结壁核心区温度更加均匀,且平均温度更低,使得核心区冻结壁在外部水土压力作用下井帮位移更小,冻结壁变得更加安全。本文围绕分圈插花布孔冻结技术形成的均匀冻结壁相关问题开展深入研究。通过室内试验、理论分析、数值模拟和现场实测等多种研究手段,以万福煤矿为工程背景和试验基地,研究深厚表土井筒冻结的关键题——均匀冻结壁的设计与实践,分析深厚表土的冻土热力学特性、均匀冻结壁温度场时空演化特征以及均匀冻结壁的变形规律,在此基础上总结归纳提出均匀冻结壁的设计理论与方法。以万福煤矿为基地,开展了原状土和重塑土的单轴压缩试验、三轴抗压强度试验、单轴蠕变试验、冻胀试验以及导热系数、比热试验等,获得了万福矿深厚表土的强度、变形模量、泊松比、蠕变速率、冻胀率等力学参数和比热、导热系数等热物理参数,为后续研究提供基础的力学与热物理特性参数。采用COMSOL Multiphysics软件分别对传统冻结壁与均匀冻结壁温度场的时空演化特征进行模拟,分析发现均匀冻结壁的内圈和外圈冻结孔之间存在相对更加均匀的低温条带,在冻结中前期具有更低的冻结壁平均温度。在此基础上提出了“核心区冻结壁”(内圈和外圈之间的冻结壁)的概念,进而通过单因素分析、正交分析获得了多个参数的对均匀冻结温度场的影响,并确定了显著影响因素。通过多因素回归分析,获得了均匀冻结温度场冻结壁的有效厚度、冻结壁平均温度、核心区冻结壁厚度和核心区平均温度的经验公式。采用ANSYS软件分别对均匀冻结壁、传统冻结壁和均一温度冻结壁进行受力变形特征模拟,分析发现用冻结壁厚度和平均温度进行冻结壁分析的传统方法有一定误差的,同时指出减小冻结壁变形和位移的核心在于提高核心区冻结壁的强度。此外,利用单因素分析、正交分析,揭示了深厚表土均匀冻结开挖过程中冻结壁的变形规律,得到了以核心区冻结壁厚度和核心区冻结壁平均温度为参数的冻结壁最大径向位移回归公式。综合归纳上述理论分析与数值模拟结果,阐述了均匀冻结壁的概念、机理和实现途径,提出了均匀冻结壁的设计方法,并基于MATLAB平台开发了一款深厚表土均匀冻结壁设计软件,实现了均匀冻结壁的高效设计。最后,以采用均匀冻结壁设计和施工的万福煤矿主井和采用传统冻结壁设计和施工的龙固煤矿副井为现场试验基地,对万福煤矿主井及龙固煤矿副井的冻结效果进行现场实时监测与分析。对比分析发现分圈插花均匀布孔和传统同心圆布孔所形成的冻结壁温度场发展演化规律有较大不同。此外,结合冻结壁的受力变形监测数据,证明采用均匀冻结壁设计和施工的万福主井的冻结效果优于采用传统冻结壁设计和施工的龙固煤矿副井冻结效果,验证了均匀冻结壁的适用性和优越性。本论文研究成果丰富了深厚表土井筒冻结理论和技术,提高了深厚表土层中冻结壁的理论与设计水平,可以用来指导深厚表土井筒冻结设计和施工,同时对华东地区未来深厚表土冻结井筒工程建设具有理论和技术指导价值。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD265.3
【图文】：

土样,标签

逑径＾８９）。根据取样深度的要求，在现场钻孔，钻到设计深度，以满足取样的标准逡逑要求。取样后，进行现场检验和处理，并进行密封和贴标，如图２．５和图２．６所示，逡逑包装并运回实验室进行试验。逡逑（２）重塑土样的采集逡逑重塑土样是指原状土经烘干、碾碎，再按照原状土的密度和含水率重新制成逡逑的外形仿原状土的一种试验用土，其物理性质如胶结、强度和结构都发生了变化。逡逑重塑土样按照《人工冻土物理力学性能试验，第１部分：人工冻土试验取样及试逡逑样制备方法》（ＭＴ／Ｔ邋５９３．１）进行采集、包装、运输和加工。当工程开挖到相应土逡逑层时，选择原状土样，用有代表性的土壤样品测定天然含水量和密度，把土样品逡逑剁碎，在１０５－１１０１：温度下烘干并放入干燥器中冷却至室温，用２ｍｍ标准筛孔对逡逑土壤样品进行粉碎和筛选。在试验过程中，按设计要求配制水含量，密封，放入逡逑保湿剂２４小时以上，用于样品制备。逡逑Ｍｉｌ逡逑Ｉ邋ｍ逡逑ＩＨＢＢＩ逡逑图２．５邋土样的简单加工逦图２．６邋土样编号标签逡逑Ｆｉｇ．２．５邋Ｓｉｍｐｌｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ邋ｏｆ邋ｓｏｉｌ邋ｓａｍｐｌｅｓ逦Ｆｉｇ．２．６邋Ｓｏｉｌ邋ｓａｍｐｌｅ邋ｎｕｍｂｅｒ邋ｌａｂｅｌ逡逑（二）主要试验设备逡逑（ｉ）恒温设备逡逑１）邋ＸＴ５４０２系列高低温试验箱逡逑恒温装置采用动态恒温控制系统

示意图,全数字型,液压伺服,试验机

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（２）试验加载设备逡逑１）逦ＭＴＳ邋—８１５全数字型液压伺服试验机逡逑本文部分人工冻土的单轴压缩试验选用了邋ＭＴＳ—８１５全数字型液压伺服试验逡逑机，如图２．８所示。逡逑＾邋——逡逑』＿ｆＬ逡逑

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