深、大直径冷冻水输送井井管计算理论与方法研究

论文摘要

随着煤炭开采深度的增加,地温热害问题日趋严重。如目前已揭露的顾桥煤矿、丁集煤矿和潘一矿深部开采水平工作面温度高达40℃以上,严重危害了矿工的身体健康,影响工作效率。采用地面大直径钻井向井下输送冷冻水是一种有效的降温方案。本论文采用理论分析、模型试验和数值计算的方法首次对深大直径冷冻水输送井的井管设计理论及计算方法进行了系统的研究。在理论分析方面,提出了冷冻水输送井内、外层工作管的计算理论和方法,对于正常工作管段在内、外压作用下的应力分析可以采用无限长厚壁管公式进行计算,结果是足够精确的;对于长度短、荷载复杂的水平或斜向工作支管,可以采用“柱形壳体薄膜理论”的计算方法:对于内层工作管底端,可以采用“柱形壳体弯曲理论”求得近似解;通过数值模拟分析了内层工作管底端开孔处应力集中的影响因素,提出了开孔处补强的技术方案;通过热工分析和计算,优选了绝热保温材料和保温层厚度,并通过模拟试验验证了它们的绝热性能;通过理论分析、试验研究和数值模拟对冷冻水输送井外层工作管在径向压力作用下稳定性进行了研究,证实了理论公式的适用性,提出了增加径向外压稳定性临界力的基本途径,通过理论分析和数值计算对提出的基本途径进行了验证。本论文得到的研究成果,可为今后深、大直径冷冻水输送井井管设计计算提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 结构形式和施工工艺
• 1.3 荷载种类
• 1.4 发展现状
• 1.5 研究内容
• 1.6 研究方法
• 1.7 技术路线
• 2 工作管应力分析和强度理论的选择
• 2.1 竖直工作管荷载作用下的应力分析
• 2.1.1 竖直工作管内压作用下的应力分析
• 2.1.2 竖直工作管外压作用下的应力分析
• 2.1.3 竖直工作管内、外压作用下的应力分析
• 2.2 水平工作管的应力分析方法
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 壳体的薄膜理论
• 2.3 内层工作管底端的应力分析
• 2.3.1 柱形壳体的轴对称变形
• 2.3.2 冷冻水输送井轴对称变形的弯曲解
• 2.4 强度理论的选定
• 2.4.1 基本强度理论
• 2.4.2 强度理论选用
• 2.5 本章小结
• 3 竖直工作管开口处应力分析与加强方法
• 3.1 工作管开孔的应力计算方法
• 3.2 工作管开口处的加强设计方法
• 3.2.1 等面积加强法
• 3.2.2 压力面积加强法
• 3.3 本章小节
• 4 外压作用下工作管稳定性分析
• 4.1 结构稳定性概述
• 4.2 稳定问题的分析方法
• 4.3 弹性失稳的计算方法
• 4.4 均匀外压作用下设有加劲环工作管的稳定性分析
• 4.5 本章小节
• 5 冷冻水输送井工作管外压模拟试验
• 5.1 模拟实验相似准则推导
• 5.2 模型设计
• 5.3 试验加载与测试方法
• 5.4 试件量测内容及方法
• 5.5 试验结果及其分析
• 6 内层工作管保温材料研究
• 6.1 保温材料的选择
• 6.2 内层工作管保温性能模拟试验
• 6.2.1 保温层材料实验配比
• 6.2.2 实验过程
• 6.2.3 试验数据分析
• 6.3 本章小节
• 7 冷冻水输送井井管计算实例
• 7.1 内层工作管壁厚的初取
• 7.2 保温层厚度的设计
• 7.3 内层工作管强度校核
• 7.3.1 内层工作管应力计算及强度校核
• 7.3.2 内层工作管底端的应力计算及强度校核
• 7.4 内层工作管开口处的应力计算与加强措施
• 7.4.1 内层工作管在开口处的应力计算
• 7.4.2 内层工作管开口处的加强措施
• 7.5 外层工作管的强度和稳定性计算
• 7.5.1 外层工作管的强度计算
• 7.5.2 外层工作管的稳定性分析
• 7.6 冷冻水输送井井管设计计算结果
• 8 冷冻水输送井井管力学特性数值模拟
• 8.1 ANSYS软件简介
• 8.2 内层井管开孔处的数值模拟
• 8.2.1 几何模型的建立
• 8.2.2 几何模型的求解
• 8.2.3 优化后的加强方法
• 8.3 外压稳定性模拟
• 8.3.1 失稳分析的有限元方法
• 8.3.2 模型的建立和求解
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果