基于短掘长套施工工艺的高水压基岩段冻结立井支护力学理论研究

发布时间：2020-08-25 18:08

【摘要】：我国西部地区煤炭资源埋藏较深,虽然上覆的冲积层浅,但基岩含水层多,埋深大,加之基岩软弱,孔隙含水,可注性差,为冻结法凿井技术应用带来新的机遇和新的挑战。按现有设计规范或工程经验,西部高水压基岩段冻结壁和井壁往往设计过厚,井壁混凝土的标号甚至超过C75。如此又厚又高强度的井壁却并未给井筒带来应有的防水和承载效果,井壁仍需反复进行壁间和壁后注浆,既增加了建井工程造价,又延缓了建井施工进度。西部冻结法凿井的“两壁”设计越来越远离工程师在大量实践中的“经验所得”,对于这种照搬东部表土冻结的设计理论存在诸多质疑。针对西部高水压基岩的特点,以内蒙古营盘壕煤矿副井井筒工程为背景,基于现代岩土多场耦合理论和先进的数值计算工具,开展了基于围岩、高水压和井壁的相互作用,冻结井筒特殊温度环境条件下的支护理论研究,为短段掘砌外壁长套内壁施工工艺下的井壁设计和施工安全,提供可靠的力学理论基础。主要研究工作如下:1.考虑围岩与冻结壁的相互作用,进行了平面弹塑性、空间有限段高冻结壁力学分析,研究了其应力场、位移场分布及影响规律,得到了临塑状态相关判别式,并从力学角度解答了作为临时支护的冻结壁和外壁设计及安全评价问题;2.针对冻结立井特殊施工环境,建立了计算结果与实测误差较小的温度场有限元反演方法,掌握了施工期间井壁温度场分布及发展规律;3.进行了施工期间井壁温度应力的产生机理分析和力学模型构建,获得了温度应力、应变解析表达式,并进行了算例应用,分析了井壁薄弱点位置;4.建立了温度场和应力场耦合作用的井壁永久支护力学模型,获得了应力场和位移场分布表达式,基于第三强度理论推导了新的高水压基岩段井壁设计公式,得到了允许的井壁最大降温值计算式和极限设计深度计算式;5.基于施工期间实测数据分析和有限元数值计算,掌握了施工期间井壁应力、应变分布和变化规律,并与实测进行了对比分析;最后从温度应力的产生机理和施工工艺的角度提出了深冻结立井井壁温度应力的防治应对措施。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD265.3;TD352
【图文】：

图２－１本文技术路线图逡逑

３．１冻结法凿井施工工艺逡逑冻结法凿井，借助于冻结壁的临时支护，一般可采用三种施工凿井施工逡逑工艺流程，如图３－２。逡逑Ｉ并２邋：东穸ＳＩ邋Ｉ邋外严邋：东，壁邋Ｉ邋外}\邋：东芦５１邋Ｉ邋外壁邋：东傜ＩＩ逡逑：｜邋＊邋ｌｌｒｉ逡逑＿邋＿邋＾逡逑工艺一，短段掘砌井壁邋工艺二Ｉ短段掘砌外壁，中段套内壁逦工艺三，短段掘砌外壁次长套内壁逡逑图３－１冻结井筒凿井三种主要施工工艺流程示意图逡逑第一种是“短掘短砌”施工工艺（图３－１工艺一），即依靠冻结壁临时支逡逑护的保护，进行井筒开挖，每开挖一定段高后进行永久井壁支护，由于冻结逡逑壁温度的不稳定性，随着凿井深度的增加，施工段高逐渐缩小到２？５ｍ。短掘逡逑短砌工艺简单，井壁一次成型，但井壁接茬较多，防水性能差。逡逑第二种是“短掘中套”施工工艺（图３－１工艺二）

逡逑第三种是“短掘长套”施工工艺（图３－１工艺三），井筒施工过程中，逡逑井壁同样分解成内外两层，外层井壁随着井筒短段掘砌完成，施工段高一般逡逑为２？５ｍ；内层井壁一般自下而上一次浇筑完成，但也有少数井筒分两次浇筑逡逑完成。短掘长套工艺的特点，内壁自下而上一次浇筑，减少了接茬，井壁抗逡逑渗性好，同时施工作业连续性好，加快了施工进度。逡逑目前西部井筒建设广泛采用短掘长套施工工艺，本文正是针对这一施工逡逑工艺开展高水压基岩段支护力学理论分析。短掘长套施工工艺下，内壁是在逡逑外壁掘砌到井底后一次浇筑成型，因此作为永久支护的内壁设计，出于井筒逡逑长期运营安全考虑

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 周晓敏;管华栋;张磊;;基于冻结壁地层相变环境下大体积混凝土温度场研究[J];应用基础与工程科学学报;2017年02期

2 朱杰;徐颖;李栋伟;陈军浩;;泊江海子矿白垩纪地层冻结软岩力学特性试验[J];吉林大学学报(地球科学版);2016年03期

3 张涛;杨维好;陈国华;黄家会;韩涛;张驰;;大体积高性能混凝土冻结井壁水化热温度场实测与分析[J];采矿与安全工程学报;2016年02期

4 何满潮;朱国龙;;“十三五”矿业工程发展战略研究[J];煤炭工程;2016年01期

5 周晓敏;管华栋;;由包神衬砌设计公式谈“两壁”设计[J];建井技术;2015年05期

6 王建涛;张建平;;超深冻结立井井壁结构设计[J];煤炭工程;2015年07期

7 李宁;;已成型井壁保护技术在核桃峪副井中的应用[J];煤炭技术;2015年06期

8 孙钦帅;徐兵壮;李昆;刘晓敏;;冻结立井外壁竖向钢筋应力受温度影响规律研究[J];煤炭科学技术;2015年04期

9 尹楠;陈军浩;;不同地区冻结岩土物理力学性能试验及冻结方案选择[J];煤炭工程;2014年10期

10 单仁亮;赵文峰;宋立伟;黄博;魏龙飞;吕进阳;肖禹航;;冻结红砂岩力学特性试验研究[J];煤矿开采;2014年02期

相关会议论文 前6条

1 宁方波;;关于西部软岩地层井筒冻结设计的几点认识[A];中国煤炭学会成立五十周年系列文集2012年全国矿山建设学术会议专刊（上）[C];2012年

2 郭永富;;东西部地区冻结工程特点的认识[A];中国煤炭学会成立五十周年系列文集2012年全国矿山建设学术会议专刊（上）[C];2012年

3 周晓敏;纪洪广;邓斌;;高水压基岩井壁厚度设计方法[A];2011年中国矿业科技大会论文集[C];2011年

4 程桦;姚直书;荣传新;;我国西部地区冻结法凿井关键技术问题[A];矿山建设工程技术新进展——2009全国矿山建设学术会议文集（上册）[C];2009年

5 彭承;;人工冻结工程中冻结壁设计探讨[A];矿山建设工程技术新进展——2009全国矿山建设学术会议文集（上册）[C];2009年

6 庞荣庆;王宗金;;深井冻结壁的设计、发展与控制[A];矿山建设工程新进展——2007全国矿山建设学术会议文集[C];2007年

相关博士学位论文 前2条

1 张红亚;冻结深立井钢筋混凝土井壁温度场与温度应力研究[D];合肥工业大学;2013年

2 韩涛;富水基岩单层冻结井壁受力规律及设计理论研究[D];中国矿业大学;2011年

相关硕士学位论文 前2条

1 张涛;冻结内层井壁早期温度应力数值计算研究[D];辽宁工业大学;2016年

2 李慧军;冻结条件下岩石力学特性的实验研究[D];西安科技大学;2009年

本文编号：2804020