矿山竖井井壁与围岩热-固耦合作用分析

为研究竖井井筒运行期间受季节性温度变化影响时井壁的受力情况,对井壁和围岩应用弹性力学原理和热传导原理进行公式推导,在分析井壁温度场和应力场时结合围岩一起建立,数学力学模型,按"接触面问题"处理。公式推导结果表明,井筒运行期间井壁和围岩温度场随井筒内气流温度呈现周期性变化,井壁及围岩的温度场始终为不均匀分布状态;围岩随着径向距离的增大,温度影响逐渐消失;运行期间井壁切向总应力和环向总应力随井筒内气流温度呈现周期性变化,井壁内缘处环向总应力取得最大值,径向总应力取得最小值;无穷远处水平地应力值对运行期井壁总应力影响较大,通风时井壁内通常处于压应力状态;围岩的温度变化是影响井壁的受力状态的重要因素,井壁设计时需将井壁内缘变温最大时的应力差|σ_θ-σ_γ|作为选择井壁混凝土强度的参考最低值,还需要结合井壁温度应力的早期应力和中期应力进行分析。     

温度场控制在多年冻土隧道施工中的作用

多年冻土隧道工程首先遇到的问题是如何解决开挖与衬砌的矛盾,因为开挖作业与衬砌施工所需的温度场不同,隧道开挖需要较低的温度场以利于无支护毛洞的稳定,而衬砌施工需要较高的温度场以利于混凝土强度的增长。通过数值模拟分析,提出多年冻土隧道施工温度场的控制参数,并将多年冻土隧道的开挖施工划分为4个阶段：安全施工阶段、相对安全阶段、安全预警阶段和安全隐患阶段。根据这4个阶段的特征,提出各个阶段应采取的相应工程措施,尽可能降低施工风险。通过全方位监测隧道洞内温度场的变化,指导开挖和衬砌的施工。     

洞室和围岩温度对泄洪洞衬砌混凝土温度和温度应力影响研究

以溪洛渡无压泄洪洞为研究对象,采用三维有限单元方法对不同洞室环境温度和围岩温度情况下的施工过程进行仿真模拟,通过比较底板、边墙和顶拱不同衬砌部位的最高温度、最大内表温差、最低温度、早期和冬季最大拉应力等,对洞室环境温度和围岩温度的变化对泄洪洞衬砌混凝土温度和温度应力,以及温度裂缝发生、发展与控制的影响进行分析。结果表明,洞室气温和围岩温度对衬砌混凝土的温度场和应力场均有明显的影响。在冬季施工衬砌混凝土更容易产生早期裂缝,夏季施工时既要防止早期裂缝,也要注意防止冬季裂缝。围岩温度低时,衬砌围岩侧混凝土拉应力明显增大,但对表面和中心的应力影响很小,因而对温度裂缝的发生影响很小。研究成果为隧洞工程衬砌混凝土的设计和施工提供有价值的参考。     

深厚表土层中高强复合井壁结构的试验研究

针对煤矿立井井筒深厚表土层的支护,提出了采用双层钢板高强混凝土复合井壁结构。通过模型试验,得到了这种井壁结构的应力特性和强度特征,通过理论分析和试验结果给出了双层钢板高强混凝土复合井壁承载力的计算公式,从而,为该种井壁结构的实际应用提供了设计依据。其研究成果已在4个井筒中得到了成功地应用。     

大跨暗涵衬砌混凝土温度数值分析与裂缝控制

以南水北调中线石京段古运河枢纽工程暗涵段为工程背景,采用理论分析和数值计算,提出了南水北调暗涵衬砌结构施工过程中钢筋混凝土内部温降的控制标准,即按最不利部位考虑,30 d内混凝土内部温降不应超过26.7 ℃,为选取合理的温控措施提供了依据。以衬砌内部温度场数值分析为理论依据,结合下穿段暗涵的地形条件、结构特点,并考虑工程气候特点,优化混凝土配比、降低水泥用量、掺入适量粉煤灰以及采用遮阳棚和地垄等工程措施,有效控制了混凝土结构的内部温度变化,成功解决了大体积混凝土施工温度裂缝问题,保证了结构工程的施工质量。理论计算与现场量测相结合,结果表明,实测值与计算值规律基本一致,说明计算模型和计算参数选取的合理性和计算结果的正确性,可为后续类似工程提供参考。     

地层失水沉降诱发井筒破裂治理效果的三维数值分析

运用三维有限差分软件FLAC3D对破裂井筒的各种治理措施进行了数值模拟,分析评价了钢圈加固和喷射混凝土套壁、壁后注浆、地面注浆、开设卸压槽等各治理措施的工程效果。结果表明,钢圈加固和喷射混凝土套壁强度相对较小,适合紧急的抢险处理和防止破裂混凝土坠落,难以维持井壁的长期稳定;破壁注浆措施在一定程度上控制了井壁与土层相对位移的增大,防治井筒破裂效果良好,且预防性壁后注浆效果更为突出;地面注浆防治效果明显,在注浆孔数量不变的条件下,孔位的合理选择对保证地面注浆防治效果至关重要;卸压槽可以有效吸收纵向变形以抑制破裂井壁的发展,其开设在破裂处上部时,效果最好。分析结果可用于指导破裂井筒治理的设计与施工     

广州某地铁人工冻结法施工热力分析

以广州某地铁采用人工冻结法施工为例,考虑相变和衬砌水泥水化热的生成,根据带相变瞬态温度场的热量控制微分方程,采用伽辽金法推导出的有限元计算公式计算分析了此地铁人工冻结施工过程中的温度场分布规律.并根据温度场的分布特点,确定了开挖时的人工冻结壁厚度.最后,对冻结壁和其周围土体分别应用不同的力学本构模型进行施工过程的力学模拟.结果表明,采用人工冻结法作为一种辅助的施工方法,不但能满足施工过程中结构的强度要求,而且能满足环境沉降量的要求.     

混凝土衬砌渠道基土的冻胀分级及冻害防治措施

近年来,兄弟省根据其自然条件,以混凝土衬砌渠道基土种类、冻前地下水位埋深与冻土深度的最小距离及冻前土壤含水量为依据,进行地基土壤冻胀等级的划分。但直到现在,尚无定量指标可循。近年来,我们结合工程设立观测点,并建立了混凝土衬砌模拟渠道露天测试场,对大、中、小型衬砌渠道进行了调查和对混凝土衬砌渠道在不同土壤地基、不同地下水位补给条件下的冻胀影响试验。提出我区混凝土衬砌渠道的地基土壤冻胀分级方案和相应的防冻措施,以供参考。     

济宁二号煤矿井筒破损井壁修复技术实践

由于受矿井地质和水文地质等因素长期影响以及当时施工工艺的局限性,山东济宁二号煤矿副井井壁出现较大面积质量缺陷、粉化破坏等问题。井壁粉化破坏区域出现的掉块、局部脱落隐患,随时威胁井内设备、电缆和人员安全,对于井壁缺陷区块存在整体垮塌的风险,进而影响井筒正常使用,极可能造成重大安全事故。通过分析井壁破损粉化段所处地层,认为混凝土受硫酸盐侵蚀而使井壁破损粉化。提出采用"锚网喷+壁面硅烷浸渍处理"的方案进行井壁修复加固,消除了井筒安全隐患,取得了较好的效果。     

机械钻井法施工矿山竖井预制井壁漂浮法安放工艺技术

结合河北遵化铁矿Φ5.6 m、深286 m矿山竖井工程,介绍了钻井法施工矿山竖井采用漂浮法安放预制井壁的工艺原理,以及相邻两节井壁连接时的测量方法、工艺控制和井壁安放完成后井筒垂直度的测量技术等。     

基于改进西原模型的深井冻结压力数值计算分析

深厚冲积层冻结压力取值大小是冻结法凿井外层井壁设计计算的重要依据。为此,基于符合深井冻土蠕变特性的改进西原模型,利用ABAQUS软件的用户子程序接口,实现该模型的UMAT开发。考虑土体冻结过程中的热-力耦合作用获得井筒开挖前土体冻胀应力分布规律,在此基础上,计算分析了深部冻结井的掘砌过程,获得了作用于外层井壁的冻结压力发展变化规律。计算结果表明：土体埋深、冻结壁温度、土体冻胀率等因素均影响冻结压力的大小。在其他条件不变的情况下,当埋深由400 m增加到500 m时,冻结压力增加21%;当冻结壁平均温度由-16 ℃降低至-18 ℃时,冻结压力减小10%;当土体冻胀率由2%增加到3%时,冻结压力增加3.8%。冻结压力随层位深度及土体冻胀率的增加而增加,而降低冻结壁温度则有利于冻结壁的稳定。数值计算结果与实测值的误差小于15%,比理论计算更有利于实际工程中深井冻结压力的计算预测。     

煤矿立井非采动破裂工程地质勘察方法

深厚表土中煤矿立井非采动破裂是一种新的矿井地质灾害。以往的煤田地质勘探工作没有涉及该问题。本文建议立井破裂工程地质勘察可划分为初步勘察和详细勘察两阶段，提出了各阶段应包含的具体工作内容和工作方法；特别是提出要进行模拟土与井壁相互作用试验，获得不同埋深土层与井壁相互作用的力学参数；提出在勘探阶段判断厚表土层中煤矿立井非采动破裂的系统工作方法。最后给出了一勘察分析实例。     

双圈管冻结壁温度场形成特性及影响因素

为研究双圈管冻结壁温度场变化规律，以淮南某矿副井为研究对象，根据其相关地质参数，利用FLAC3D软件数值模拟双圈管冻结壁温度场形成过程以及不同因素对冻结壁平均温度的影响。研究结果表明:双圈管内土体温度最低，两侧温度逐渐升高；冻结孔间距越小，交圈时间越早，内外圈管交圈之后形成封闭的未冻承压水仓，对冻结壁不利，冻结锋面向内侧扩展速度大于向外侧扩展速度；双圈管冻结壁平均温度与冻结时间呈对数关系下降，有效厚度在内外圈管交圈后增长十分明显，且与冻结时间呈对数关系上升；双圈管主、界面温度场曲线随冻结时间近似由马鞍形分布逐渐转变为梯形分布，界面温度场扩展速度大于主面温度场；土体初始温度、盐水温度及导热系数对冻结壁平均温度影响均较大，土体初始温度和盐水温度越低、导热系数越大，冻结壁平均温度越低。研究成果为相关冻结工程的设计和施工提供参考。      

四排局部冻结法在上海地铁修复工程中的应用

上海地铁某修复工程,在完好隧道与破坏隧道连接段采用冻结法施工垂直封水挡土止水墙,取得圆满成功。利用现场监测数据,判别了冻结管是否漏盐水以及隧道内是否充填密实,得出了冻土壁温度场形成规律,计算出积极冻结期结束时间。在浦东隧道清淤排水、浇筑混凝土止水墙阶段,分析了各施工工序对冻土墙温度影响。分析结果表明,冻结法施工质量的好坏可由温度反映出来。通过合理布置温度监测点,采用信息化施工,掌握温度变化规律,可确保复杂工程冻结施工安全。     

深冻结井筒温度场成孔弱界面分析

两个孔形成的冻结壁强度弱面通常位于两冻结孔界面上, 但对于深冻结井筒成孔孔位, 冻结壁薄弱界面选择具有一定的复杂性. 针对深冻结井筒温度场成孔弱界面, 应用数值模拟软件ANSYS分析了世界第一深冻结井筒在三个水平位置上冻结孔实际孔位下温度场弱界面参数. 结果表明: 冻结壁弱界面确定不仅要考虑成孔最大孔间距, 同时也要评定成孔孔距到设计圈径上的投影长度、相邻孔的分布特征及成孔内偏值. 首次指出成孔孔距到设计圈径上的投影长度为冻结壁弱界面评定条件之一, 具有重要意义.     

寒区隧道围岩最大冻结深度计算的半解析方法

寒区隧道围岩的最大冻结深度是隧道抗冻胀结构设计、防排水与保温隔热层设计的重要基础参数。基于准稳态假定,采用积分法推导了能够考虑衬砌、保温层及冻结围岩中未冻水含量的寒区隧道围岩最大冻结深度的解析计算公式;利用围岩温度场数值模拟结果反演得出了解析计算公式中的参数影响半径与冻结半径比 的取值,从而得到了围岩最大冻结深度的半解析解。将所得解的计算结果与现场实测数据及数值模拟结果进行了对比,验证了所得解的合理性。利用得到的半解析解分析了工程冻土段围岩冻结深度的影响因素,结果表明：初始地温、年平均气温对冻结深度的影响最为明显,岩体骨架导热系数、岩体孔隙率的影响次之。     

Pressure of thawing soils on the concrete lining of vertical mine shafts

The paper presents data on the theoretical and experimental investigations for revealing characteristic features of the development of pressure of thawing clayey soils on the concrete lining of mine shafts. The concrete shaft lining and frozen soil massif are considered as rigid walls resting on a rigid base (bedrock). While the thawing soil is being consolidated due to gravity, because of friction and cohesion it transmits loads on to the walls. The report shows that the development of the loads on the mine-shaft lining due to soil thawing is divided into two stages. This paper presents the technique of experiments effected on the mine-shaft models. It has been noted that, owing to nonuniform thawing of soils close to the mine shaft, the soil displacement begins on the side with the greater thawing. This may cause nonuniform lateral pressure on the concrete mine-shaft lining, endangering its stability.     

祁南矿东风井冻结温度场时空演化规律分析

以安徽祁南矿东风井冻结法凿井为工程背景,以多圈管冻结的不同土性表土层为研究对象,基于冻结孔实际成孔位置,应用有限元软件COMSOL Multiphysics分别建立埋深218 m钙质黏土层位、埋深225 m细砂层位和埋深259 m砂质黏土层位3个不同土性、不同埋深的冻结温度场数值计算模型,并结合现场实测数据,分层计算分析了其冻结壁温度场时空演化规律,结果表明：在相同冻结条件下,埋深225 m细砂层位冻结壁有效平均温度比埋深259 m砂质黏土层位和埋深218 m钙质黏土层位分别低0.09～0.72℃和0.44～1.95℃,埋深225 m细砂层位平均有效厚度比埋深259 m砂质黏土层位和埋深218 m钙质黏土层位分别厚0.17～0.38 m和0.29～0.47 m;现场实测与数值计算均表明,各个层位冻结壁开挖时,其平均温度均低于–15℃,有效厚度均大于6.2 m,200 m以下深部表土层井帮温度低于–4℃,满足施工要求,冻结壁强度和稳定性均处于安全状态;冻结孔沿径向将冻结温度场划分为3个区域(A区、B区、C区),B区在冻结孔冷量叠加的影响下降温速度最快,A区降温速度适中,C区距离冻结管较远...     

白垩系地层深井冻结壁温度场分布规律

西部地区主要为白垩系软岩地层, 煤炭资源储量大, 成为我国重要产煤区. 白垩系软岩地层冻结壁温度场分布规律尚不清楚, 给白垩系地层冻结法凿井设计与施工带了一定的困难. 通过现场实测、室内试验和数值模拟等手段, 获得了白垩系地层冻结软岩热物理参数分布规律、力学特性及深井冻结壁冻融规律. 测点冻结温度场反演白垩系冻结软岩导热系数值一般介于3.328~3.465 W·m^-1·K^-1之间, 现场实测表明: 白垩系地层融冻时间比一般为1.0~1.2之间. 研究白垩系地层冻融规律, 对指导我国西部地区白垩系地层冻结法凿井设计与施工具有重要的理论参考价值.     

抛物线型屈服面人工冻土蠕变本构模型研究

利用自行研制的W3Z-200型冻土三轴压缩蠕变仪,对淮南地区深表土冻土进行了三轴蠕变试验。根据试验结果,提出以标准黏弹塑性模型为基础,并耦合温度自由度,应用抛物线型屈服准则对模型中的黏塑性项进行改进,建立了新的本构模型来描述高围压复杂应力状态下冻土的蠕变变形特征。基于ADINA有限元软件平台,开发了冻土本构子程序。对淮南某冻结井筒开挖过程进行了数值模拟,计算结果验证了冻土抛物线型黏弹塑本构模型的正确性和合理性。