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。     

冻结壁融化阶段井壁温度应力研究

利用复合井壁的措施，立井井壁在生产经营阶段的破裂问题已基本得到了解决；但是，冻结壁解冻过程中的井壁破裂问题却长期存在着。为了详细分析立井井壁受力因素及过程，找出导致井壁破裂的真正原因，并提出切合实际的防破措施，笔者从物理学中的热胀冷缩原理出发，结合弹性力学中的热弹性理论及土力学中的Winkller地基模型，正确地推论出了冻结壁解冻期立井井壁应力的分布规律，并根据应力成分的分析，得出了温度因素才是导致井壁破裂的根本原因的重要结论。不仅从理论上解释了该阶段井壁破裂的一系列特征，而且为根本解决该阶段深立井的破裂提供了理论依据。     

三轴应力作用下岩盐溶解速率影响因素分析

利用自行研制的三轴岩盐溶解试验机,实现在三轴应力条件下岩盐试样溶解试验。进行三轴应力条件下溶液浓度、温度、流量以及偏应力4个因素相互耦合状态的岩盐溶解速率正交试验,研究各个因素对岩盐溶解速率的影响规律。对任意两个影响因素分别进行二元线性回归,根据其标准回归系数对岩盐溶解速率相对重要性比值构建判断矩阵,运用层次分析法计算各个影响因素的权值。研究结果表明,岩盐溶解速率随着浓度增大迅速降低,随着温度升高而增大,随着流量增大缓慢增加,但变化并不明显;随着偏应力增大先减小,后缓慢增大。极差分析和权值计算结果表明,岩盐溶解速率影响因素主次关系依次为浓度、温度、流量和偏应力。4个因素对岩盐溶解速率影响权值大小依次为0.570、0.384、0.048、0.005,其中浓度和温度两个影响因素权重占到95%。     

兖腾—徐淮矿区地应力与井筒破裂关系研究

煤矿立井非采动破裂是一种矿井地质灾害,但对于立井破裂的原因有着多种认识,兖腾—徐淮矿区井筒发生破裂后,有一种观点认为造成井筒破裂的原因是该区内水平构造应力大所致,根据该矿区地应力与井筒破裂关系进行的分析研究,论证了该矿区的井筒破裂与水平构造应力并不存在着很密切的联系。     

拉-压应力状态下脆性岩石强度及破坏机制颗粒流模拟

高地应力区地下岩体工程开挖常形成围岩拉-压应力状态,发生岩体张性破坏灾害。本文针对传统PFC平行黏结模型不能模拟脆性岩石高单轴压缩与拉伸强度比的问题,建立双抗拉强度参数的平行黏结强度准则,开展岩石拉-压数值模拟试验,得到了与物理试验接近的拉-压强度,实现了岩石高压拉强度比的模拟,并深入分析了破坏机制。研究结果表明随着围压的增加,破裂面倾角逐渐增大,由拉伸破裂转化为拉-剪破裂,发现了拉-压应力状态下破裂面处的雁行裂纹。根据细观颗粒位移场揭示了破裂面力学性质,随着围压的增加(破裂面倾角逐渐增大),破裂面张性逐渐减弱而剪性增强。可将拉-压应力状态下岩石损伤演化过程大致分为弹性变形阶段、稳定破裂发展阶段、不稳定破裂发展阶段和整体破裂阶段(峰后应力跌落及残余阶段)。围压较大时弹性变形和稳定破裂发展阶段相对较短,不稳定破裂发展阶段相对较长较剧烈,峰后残余阶段破裂面摩擦更强、应力波动较大。     

基于COMSOL的铝合金钻杆腐蚀分析

为预测科学超深井钻探工程中铝合金钻杆耐腐蚀性能,运用COMSOL软件,建立多物理场腐蚀分析模型,开展“松科二井”铝合金钻杆“应力-温度-电化学”作用下的腐蚀规律仿真分析。分析结果表明：腐蚀体系达到平衡时,铝合金电极一侧的电解质电位偏高,钢接头电极一侧电解质电位偏低,靠近钢接头电极一侧铝杆体电流密度高;随着钻杆所受应力、温度的增加,腐蚀速率加快,相对于温度的影响,载荷对腐蚀影响较小;腐蚀速率和井下工作时间成正线性相关;离钢接头的电偶腐蚀处越近,铝合金钻杆的界面电流密度越大,并成指数关系,外壁强影响区域大约在距电偶腐蚀处0~200 mm,内壁为0~110 mm。研究成果将为铝合金钻杆的工程防腐提供参考。     

含孔岩石加载过程的热辐射温度场变化特征

选择含圆孔岩石作为试样,利用单轴加载试验系统和红外热像仪,并结合数值模拟分析手段,对模型受力及破裂过程的热辐射时空演化特征进行了试验研究。结果表明：含圆孔岩石在加载过程中压、拉应力呈对称分布,导致热像的升温和降温区对称分布,即压应力区升温,拉应力区降温,应力场与红外辐射温度场之间呈很好的对应关系。试件加载后期发生破裂,破裂的性质与红外辐射温度变化有密切关系,剪性破裂辐射温度升高,而张性破裂辐射温度无明显变化。试件最终呈剪性破裂,而该区域的带状升温是岩石破裂失稳的重要红外前兆。试验结果再次揭示,利用热成像技术可以监测岩石的应力与灾变现象。     

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。     

岩石变形、流体压力与热液成矿关系的研究现状

地壳中岩石的变形模式受构造应力、流体压力和上覆岩层重力共同作用的影响。岩石组成和构造应力的大小、方向决定着岩石的变形过程,同时岩石的破裂还受先存断裂构造的影响。流体压力增大,岩石可以发生水力破裂,而引起水力引张破裂的条件是σ1-σ3<4T和Pf=σ3+T。随着深度的增加,受地温梯度的影响,岩石由脆性变形向韧性变形转变。在无流体超压影响的情况下,脆韧性转换的温度在300~450℃之间,大约在地壳15km处。当流体压力和应变速率增大时,韧性条件下的岩石变形行为由韧性向脆性变化,脆韧性转变的深度随之增大。从构造角度探讨热液成矿作用,热液矿床形成的深度与流体压力、应变速率、裂隙的发育、介质的渗透率、温度变化等相关。岩石断裂的类型和方向影响岩石的渗透率,提供流体运移的通道和聚集场所,控制矿床形成的深度、位置和矿体产状。     

煤矿立井井壁破裂的机制及防治措施

文章在详细调研当前煤矿立井井壁破裂现状和特点的基础上，对当前煤矿立井井壁破裂机理的研究成果，尤其是附加应力说进行了分析总结，并针对兴隆庄煤矿立井井壁破坏的特点和状况，分析研究了其破坏机制，给出了防治方法与技术措施，实践证明效果良好，为井壁破坏的治理提供了参考依据。     

多圈管冻结温度场特征分析及工程应用

多圈管冻结工法已在深厚地层井筒掘砌中广泛应用,但对多圈管冻结温度场需进一步深入研究。以某冻结井筒为原型,对关键层位开展冻结管无偏斜条件下的冻结温度场模型试验、进行冻结管偏斜条件下的温度场数值计算,同时利用温度场信息可视化软件对现场实测结果进行分析。将三种测试手段获得的结果进行比较,得出冻结管偏斜对冻结壁有效厚度影响较小,但对冻结壁平均温度、冻结壁交圈时间影响都很大,且容易在冻结壁内部产生密闭未冻承压水仓,造成冻胀力聚集,对冻结壁整体稳定性及井筒开挖不利。其结果可为多圈管冻结法凿井设计与施工提供参考。     

采动影响下井筒壁后岩体空间附加应力变化规律

本文较为详细地介绍了某矿井筒应力观测情况。得出了井筒壁后岩体空间附加应力随工作面推进的变化规律。观测结果表明 :井筒上部壁后岩体在铅垂方向上受张应力影响 ,而井筒底部壁后岩体应力的大小和性质与工作面的布置方式、开采顺序以及井筒与工作面的相对位置有关。     

深厚膨胀粘土中冻结凿井的温度场测试与分布规律研究

介绍了冻结深度达460多米（其中多数为膨胀粘土层）的立井井筒施工监测方案,通过分析不同埋深的冻土井壁和混凝土衬砌的温度场测试数据,得到了黏土结冰温度与含水率和埋藏深度的函数关系、不同深度冻结壁形成和降温规律、混凝土衬砌井壁结构温度场的阶段性发展规律等研究结果。有效地指导了本测试井筒的施工,为同类井筒的施工和设计提供了新的科学依据。     

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。     

疏水沉降地层竖向可缩性井壁附加力分布规律研究

通过数值分析和模型试验研究,揭示了竖向可缩性井壁附加力分布规律。研究表明,可缩性井壁可有效衰减附加力和井壁截面轴向应力;与单一可缩接头相比,设置两个可缩接头衰减附加力更为有效;提出的可缩接头设置优化原则,对科学、合理地设计竖向可缩性井壁具有重要的指导意义。     

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.     

顶管矩形工作井复合式后背墙反力分布研究

顶管工作井在顶进施工过程中受力复杂,主要表现在：确定千斤顶推力在内部结构、围护结构和后背墙外侧土体之间的作用力是如何传递,土体变形对墙背土体抗力发挥的影响以及其对结构内力计算分析的影响。对现有顶管工作井计算方法进行归纳基础上,通过对工程算例建立数值计算模型,求证了后背墙各部分反力在宽度和深度方向上的分布规律,为探求一种合理简化更加接近实际的顶管复合式后背墙结构计算方法提供参照。     

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。