特厚冲积层冻结壁变形及冻结压力的研究

论文摘要

在我国煤炭是一种重要能源,随着浅部煤炭资源的开采殆尽,深部煤炭资源的开采日益迫切。目前在新建的矿井中,大都需要穿越深厚冲积层。随着冲积层厚度的增加,在采用冻结法凿井工程中经常由于冻结壁变形过大造成冻结管断裂,轻者影响施工进度,重者造成淹井事故。因此在深厚冲积层中采用冻结法凿井,有很多理论和工程技术问题亟待研究,以满足工程设计和施工的需要。论文主要目的是研究万福矿井主井(冲积层厚750m,冻结深度894m)冻结壁变形和冻结压力规律,并对井壁结构进行安全性论证。首先论文综述了冻结法凿井的研究现状,之后采用大型工程软件ANSYS数值模拟实际工程,通过数值计算结果和现场实测结果对比,验证了数值模型的正确性。针对万福矿井主井建立了不同深度、不同开挖段高,共9种模型分析研究冻结壁变形。同时研究了井壁结构的安全性和冻结压力变化规律。本文得出如下主要结论和成果：(1)冻结壁的径向位移在开挖段高内呈不均匀分布,最大径向位移位于开挖段高中部,同时根据计算数据回归出了万福矿井主井的冻结壁最大径向位移公式；(2)根据冻结壁最大径向位移公式换算出在万福矿井主井施工过程中的安全掘进段高计算公式,在实际施工过程中可以根据不同粘土层所处深度计算出安全掘进段高。(3)万福矿井主井按传统方法设计的井壁结构是安全的；(4)得出了万福矿井主井的冻结压力随深度变化公式。本文的研究成果对实际工程具有参考指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 问题的提出
• 1.3 研究的目的和意义
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 国内研究现状
• 1.4.2 国外研究现状
• 1.5 研究方法和内容
• 第二章 冻土特性及其蠕变变形的有限元分析
• 2.1 冻土及冻土的形成
• 2.2 冻土的物理力学性质
• 2.2.1 冻土的冻胀
• 2.2.2 冻土的流变特性
• 2.2.3 深厚冲积层中冻土力学的特点
• 2.3 冻结壁蠕变变形分析方法
• 2.4 有限元法基本原理
• 2.5 蠕变问题的有限元分析理论
• 第三章 冻结壁变形的有限元数值模拟及实例验证
• 3.1 软件介绍及计算原理
• 3.1.1 ANSYS简介
• 3.1.2 ANSYS蠕变分析方法简介
• 3.2 实例有限元计算模型的建立
• 3.2.1 井筒概况
• 3.2.2 基本假设
• 3.2.3 几何模型
• 3.2.4 有限元模型
• 3.3 计算结果对比及分析
• 3.3.1 计算结果对比
• 3.3.2 计算结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 万福矿井主井冻结壁变形的数值模拟
• 4.1 万福矿井工程地质概况
• 4.2 万福矿井主井冻结壁和井壁概况
• 4.3 万福矿井主井有限元模型
• 4.2.1 单元选取
• 4.2.2 荷载及边界条件
• 4.2.3 参数选取
• 4.2.4 模拟过程
• 4.3 深度540m主井冻结壁变形分析
• 4.3.1 开挖段高为2m时计算结果分析
• 4.3.2 其他开挖段高计算结果分析
• 4.4 深度690m主井冻结壁变形分析
• 4.4.1 开挖段高为2m计算结果分析
• 4.4.2 其他开挖段高计算结果分析
• 4.5 深度720m主井冻结壁变形分析
• 4.6 不同深度冻结壁变形对比
• 4.7 冻结壁最大径向位移及安全掘进段高公式
• 4.8 本章小结
• 第五章 万福矿井主井井壁结构的论证及冻结压力的研究
• 5.1 概述
• 5.2 万福矿井主井数值模型
• 5.3 井壁结构的安全论证
• 5.3.1 结果分析
• 5.3.2 井壁结构有限元分析结论
• 5.4 冻结压力研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参与的科研项目