井筒非采动变形破坏附加应力影响因素分析

立井井筒的非采动变形破坏是出现在华东厚表土层矿区的一种特殊矿山地质灾害,底部含水层失水压缩变形产生的附加应力是造成这一地质灾害的主要原因。在总结井筒发生非采动变形破坏的地质条件和破坏特征基础之上,通过建立三维数值模拟模型,分析了不同影响因素作用下井筒外壁所受附加应力的大小和变化规律,并根据模拟结果,利用弹性力学厚壁圆筒解建立井筒变形破坏应力状态与底部含水层水头降之间的对应关系,得到井筒变形破坏极限状态下对应的底部含水层水头降为89.5 m。      

基于遍布节理模型的竖井工程破坏机理研究

为揭示金川二矿区14行风井的破坏机理,本文首先根据井筒工程地质条件,建立了集1#矿体和14行风井在内的三维数值模型;然后,采用遍布节理模型分析了采动对14行风井稳定性的影响,从井壁位移和应力方面探索了金川二矿区14行风井的破坏位置和破坏时间。结果表明,导致金川二矿区14行风井破坏的直接原因为采动引起竖井围岩沿弱面的滑移,除此之外,复杂的工程地质条件和低强度的支护形式也是造成14行风井破坏的原因,为14行风井返修加固提供依据。     

钢井壁失稳原因浅析及预防

钻井法施工的一些开采年限较短、井深和井径较小的竖井中,有时采用钢井壁作为永久支护,但是相对于钢筋混凝土井壁,钢井壁在使用过程中极易发生屈曲变形,甚至导致井简破坏,使用中应引起高度的重视。结合工程实例,对钢井壁失稳时的临界应力、影响因素进行了分析,并提出了相应的预防措施。     

竖井变形破坏机理与对策研究

在竖井变形破坏工程调查基础上，从徐淮地区地质背景和工程动力特性出发，论述了人类工程活动与地质环境相互作用的关系；提出了该地区竖井非采动变形破坏的区域性、滞后性和层控性三大特点。根据竖井破坏形态、时、空展布特征和动力学过程，并依据不同特征提出了徐淮地区竖井变形破坏“三因素综合破坏”观点，即地质体薄弱部位、负摩擦力和水平荷载的综合作用。还进行了竖井变形破坏动力学过程的物理模拟实验和三维线弹性、弹塑性数值模拟分析，对矿区初始地应力场和竖井与围土（岩）二次应力场，即地层失水沉降作用下，或水平地应力作用下，或失水沉降与水平地应力及重力共同作用下，研究土体浅部和深部变形时土岩与井壁的相互作用，揭示了徐淮地区竖井变形破坏的机理。另外，在系统科学理论指导下，结合徐州张小楼千米竖井工程实例，从六个方面开展了竖井变形破坏规律及对策研究，为防治竖井失稳提出了可靠的途径。     

竖井掘进机撑靴井壁土体极限承载力研究

竖井掘进机在土层中掘进时,如果撑靴井壁土体无法提供足够的承载力,会产生撑靴推进反力不足、掘进机姿态难以控制等问题,严重时甚至导致井壁失稳,因此需要研究撑靴作用下井壁土体的极限承载力。以国内研制的首台矿山型竖井掘进机为依托,采用数值模拟方法对掘进过程中撑靴侧壁土体的受力和变形进行分析,确定撑靴作用下井壁土体的破坏模式为剪切滑移破坏。基于井壁土体破坏模式,假定破坏面为对数螺旋线和直线旋转曲面的组合,分析破坏面上的应力分布。采用土体塑性极限平衡法,推导竖井掘进机撑靴作用下井壁土体的极限承载力公式。将理论分析结果与数值模拟结果进行对比和分析,表明该公式的合理性。研究结果对于土层中竖井掘进机撑靴的设计及井壁稳定性的评估有重要的指导意义。     

新疆下坂地导流泄洪底洞进口及竖井段抗震安全分析

水利枢纽工程泄洪洞进口结构的安全关系到整个工程的安全和效益。新疆下坂地导流泄洪底洞进口及竖井工程规模大,其体型和边界受力情况都较为复杂,属于高地震区。通过三维有限元对泄洪底洞进口及竖井段开展分析研究,计算分析竖井结构在水平向地震作用下竖井结构的动力响应,包括动位移、动应力和加速度分布,论证其抗震安全性。计算结果表明,在地震力作用下,竖井结构的变形与强度均能满足要求,但在抗震薄弱部位应力较大,在结构设计时需采取特殊措施,以确保竖井体结构的安全。     

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。     

基于统计损伤的井壁坍塌压力模型

目前在计算油气井壁坍塌压力时,通常采用摩尔-库仑准则,该准则没有考虑中间应力对岩石破坏过程的影响,计算结果比较保守,限制了低密度钻井液发展。针对这一情况,考虑岩石破坏过程中的损伤,基于统计损伤原理,对统一强度准则进行了修正,并利用修正后的强度准则建立了新的井壁坍塌压力模型。结果表明,修正后的统一强度准则能更好地模拟岩石强度,利用该准则建立的井壁坍塌模型计算出的坍塌压力比传统的摩尔-库仑准则低,准确率更高     

秦岭公路隧道2号竖井地应力与岩爆分析

秦岭公路隧道2号竖井主要位于混合片麻岩地层中,高地应力和岩爆是该竖井的主要工程技术难题。根据竖井的工程地质资料和邻近工程水压致裂法地应力测试结果,采用三维有限元法对竖井工程区域内的初始应力场进行反演回归分析研究:竖井地应力存在较大的水平地质构造应力,地应力分区分布,水平地应力最高达到28.7MPa,垂直地应力基本受岩体自重控制。在地应力场分析的基础上,利用陶振宇岩爆判据对竖井进行岩爆预测,竖井岩爆为轻微或中等类型;并采用脆性岩体的常偏应力准则,模拟分析竖井岩爆破坏区的深度,岩爆区最大深度为0.6m。通过与竖井开挖后岩爆状况进行比较,结果表明反演得到的竖井地应力和岩爆分析是合理的。     

基于应变软化的岩土工程单元安全度评价方法研究

针对大多已有岩土工程局部安全评价方法未考虑拉伸破坏和屈服、破坏阶段的问题,对围岩的局部安全评价方法进行了相应的改进。基于Mohr-Coulomb屈服准则和应变软化模型建立了单元安全度的评价方法和新的定义,综合考虑剪切和拉伸破坏模式,定义一个统一的变量ZSD来表征和量化岩土体单元从弹性、屈服到破坏的安全程度,实现复杂应力状态下岩土体渐进破坏过程的局部安全性定量评价。推导了ZSD的各阶段表达公式,利用FISH语言在FLAC3D平台编写程序。通过相应的实例和工程进行了ZSD计算,验证了该方法的正确性与有效性。该方法具有参数表达简单,易于在程序中实现,可通过ZSD所在值域判断单元所处的状态,可直观揭示岩土体渐进破坏过程等诸多优点。该方法为分析和预测岩土工程中危险区域的演化和描述渐进破坏过程提供了有效的手段。      

黑龙江省荣华立井壁后空洞破坏及注浆有限元分析

井壁溃沙、壁后空洞对立井的影响一直威胁着煤矿安全生产,对破坏的立井稳定性规律研究分析及处理方法备受关注。本文应用大型有限元分析软件ADINA,采用莫尔-库仑准则和拉伸破坏准则的组合并结合现场仪器原位检测模拟井壁后空洞破坏以及注浆,对荣华立井壁溃沙、壁后空洞对立井稳定性的影响和壁后注浆治理时不同注浆压力对井壁稳定性影响的基本规律进行研究,并依据分析结果制定了注浆方案。数值仿真分析表明:溃沙、空洞对井筒稳定有不利影响,并造成地表沉降;注浆压力对井筒稳定性有直接影响,当注浆压力达到一定值时,井壁竖向应力可出现拉压力,水平应力增大易导致井壁破裂。     

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。     

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     

考虑温度效应的井壁竖向附加力反演分析

为了分析考虑温度应力后作用于深厚表土层立井井壁竖向附加力,建立了由于立井内、外壁温度差产生的温度自应力和径向膨胀受阻产生的温度应力解析式。基于井壁是由于竖向应力超过钢筋混凝土井壁极限抗压强度而发生破裂的事实,对作用于井壁上的温度荷载、自重、水平侧压力和竖向附加力在井壁内产生的竖向应力分量进行了分析,结果表明,竖向附加力是导致井壁破裂的最主要因素,温度应力也是诱发井壁破裂的重要因素。同时在考虑井壁温度应力和井壁破裂特征的基础上,利用井壁结构设计理论通过反演分析得到了地层疏水沉降时井壁承受的最大竖向附加力的数值,为新建井壁设计和已建成投产井壁的安全性评估提供重要参考依据。     

桩（墙）单位侧摩阻力与轴向应变关系的解析解及其应用

根据弹性力学原理,提出了模型筒桩（闭合墙）的简化力学模型。采用半逆解法先求出桩左右侧受均布摩阻力、桩顶受均布荷载两种情况下的应力分量,根据叠加原理得出桩两侧均受相同摩阻力、桩顶受均布荷载情况下的应力分量。据此推导了普通桩基的轴力和侧摩阻力计算式,分析结果表明,该计算式与传统计算方法是一致的。当桩壁两侧受不同大小的侧摩阻力、桩顶受均布荷载时,仍采用叠加原理求得各应力分量,进而求得桩表面处的轴向应变与单位侧摩阻力关系的解析解。通过矩形闭合墙基础模型试验实例,对该解析解的应用方法加以说明。该解析解的求出,为竖向载荷试验中模型筒桩（闭合墙）所量测的内外侧应变进行数据处理提供了理论依据,进而为基础-土相互作用研究提供了真实、准确的试验结果。     

深井高倾角微裂隙围岩防渗化学注浆治理

晋城煤业集团赵庄矿副立井高倾角微裂隙渗漏严重,采用工作面水泥预注浆和壁后注水泥浆方法收效甚微。采用壁后化学注浆新工艺进行治理后,水量降至2.5m3/h,减渗率达到97%,施工结束至今历经11个月未出现反渗现象,表明化学注浆是治理深井高倾角微裂隙渗漏的有效技术。      

高频振锤薄壁板墙技术处理砂砾石堤基试验研究

高频振锤薄壁板墙技术在砂层堤基的垂直防渗施工中得到了广泛应用。为探索一种适用于洞庭湖区砂砾石堤基的垂直防渗施工方法,对高频振锤薄壁板墙技术的施工工艺、流程等进行了一些改进,实现了施工全过程的计算机控制。将改进后的工法应用到周家湾堤段试验工程中,并采用围井检测、钻孔取芯、测压管监测等手段检验了超薄防渗墙的成墙效果。结果表明,改进后的高频振锤薄壁板墙技术具有成墙连续、完整,防渗效果好、工效高、造价低等特点,是一种适用于处理砂砾石堤基的垂直防渗技术,可用于处理洞庭湖区及其他具有类似地质特征的堤防防渗工程。     

兖滕矿区立井井壁损坏的原因分析及防治方法

在分析总结当前煤矿立井井壁损坏机理研究成果的基础上,研究了兖滕矿区立井井壁损坏的特征,分析了兖滕矿区立井井壁损坏的原因,并以兴隆庄煤矿立井井壁损坏为例,论述了其防治方法与技术措施以及需进一步研究的问题,为井壁损坏的治理提供了参考依据。     

破裂井筒侧摩阻力分析

根据有效应力原理,对破裂井筒详细调查,建立由多个含、隔水层组成的厚表土底部固结沉降井壁侧摩阻力的概化模型。指出这类井壁不仅有负阻力,同时还有正阻力及零阻力井段,它们的分布决定了井壁挤压破裂及拉伸的部位。从有效应力的变化阐明了井壁破坏与降水季节的关系      

A Combined Analytical and Numerical Approach for the Evaluation of Radial Loads on the Lining of Vertical Shafts

The evaluation of the load acting on a shaft support is of fundamental importance for the correct dimensioning of the structure. The load acting on the support can appear somewhat complex. One approach to define the load on the lining may be to use the convergence-confinement method (CCM) normally used in the tunneling design. This process involves intersecting the convergence-confinement (CC) curve with the support reaction line. However, in order to be able to adopt this technique, it is necessary to know the radial displacement of the shaft wall at the point in which the support is to be installed. Using the equations of Vlachopoulos and Diederichs (Rock Mech Rock Eng 42:131–146, 2009) the reaction line of the support can be calculated. Numerical models developed with Flac 2D v.6.0 considering the Mohr–Coulomb criterion and an ideal elasto-plastic behavior simulating stepwise excavation and support installation were developed. The relation between applied internal stress and radial displacement of the wall shaft, obtained by the numerical simulation was compared with the CC curve obtained by the CCM and it showed a good match between the two methods. However, an iterative procedure has also been used to insert the reaction line in the CC graph. The result shows lower initial displacements (and therefore greater radial stress) when compared with the values obtained by numerical calculation with the axisymmetric model. It is therefore recommended the combined use of the CCM (analytical method) and the axisymmetric numerical model (step by step simulation) to obtain the values of the final load on the lining and the final plastic radius, necessary for the correct design of supporting structures on the shaft wall.