温度—应力—水力耦合下深冻结井壁涌漏水机理研究

温度—应力—水力耦合下深冻结井壁涌漏水机理研究

论文摘要

随着煤炭资源的不断开发,煤矿新建井筒穿过的表土冲积层越来越厚。如即将开发建设的山东巨野煤田万福矿井、安徽淮北涡西煤田、国投新集杨村矿井和口孜西矿井等穿过的表土冲积层将厚达600-800m。当采用冻结法凿井时,在外围冻结壁解冻后,井壁混凝土将产生涌漏水现象,给矿井安全生产带来隐患。为此,论文进行了温度-应力-水力耦合作用下深冻结井壁涌漏水机理分析研究。首先,基于不稳定温度场的计算原理,分析了混凝土温度应力的影响因素,根据有限元法基本原理,提出了具有内热源的混凝土结构温度场和温度应力的数学表达式。分析了混凝土温度的变化过程及温度应力的影响因素,给出了热力耦合作用的有限元方程。研究混凝土水力劈裂的机理,给出水力劈裂判据,分析冻结壁解冻后高压水作用下深冻结井壁涌漏水原因,提出了主要影响因素。根据相似理论原理,采用方程分析法,得出井壁模型试验相似准则,进行了模型设计,对水荷载直接作用下的钢筋混凝土井壁结构进行了模型试验,并与增加防水层的钢筋混凝土井壁试验结果进行对比,结果表明,在高压水荷载直接作用下,井壁中混凝土损伤加剧,承载力明显降低。采用ANSYS软件分析了井壁浇筑期间温度及其应力的变化规律,并进行热力耦合作用下井壁开裂机理研究。论文研究结果可为解决深冻结井壁涌漏水技术难题提供参考。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • Contents
  • 1 绪论
  • 1.1 课题提出
  • 1.2 国内外研究现状及发展动态分析
  • 1.2.1 深冻结井壁研究现状
  • 1.2.2 温度场研究现状
  • 1.2.3 温度-应力-水力三场耦合研究现状
  • 1.2.4 混凝土水力劈裂研究进展
  • 1.3 研究内容和技术路线
  • 1.3.1 研究内容
  • 1.3.2 技术路线
  • 2 深冻结井壁应力计算模型
  • 2.1 混凝土结构瞬态温度场及温度应力的分析
  • 2.1.1 不稳定温度场计算原理
  • 2.1.2 混凝土温度及应力的变化过程
  • 2.1.3 深冻结井壁混凝土温度应力的影响因素
  • 2.2 自重应力
  • 2.3 冻结压力
  • 2.4 深冻结井壁热力耦合的计算理论
  • 2.4.1 有内热源温度场分析
  • 2.4.2 大体积混凝土温度应力场分析
  • 2.4.3 热力耦合的有限元方程
  • 3 高压水作用下深冻结井壁水力劈裂分析
  • 3.1 水力劈裂的涵义
  • 3.2 水力劈裂的断裂力学原理
  • 3.2.1 混凝土的水力劈裂
  • 3.2.2 混凝土断裂破坏模式
  • 3.2.3 水力劈裂作用下的混凝土裂纹扩展
  • 3.3 水力劈裂的判据
  • 3.3.1 最大周向正应力理论
  • 3.4 高压水作用下冻结井内壁应力分析
  • 4 深冻结井壁渗流场和应力场耦合分析
  • 4.1 渗流场对应力场的影响机理
  • 4.2 应力场对渗流场的影响机理
  • 4.3 渗流场与应力场耦合分析的连续介质模型
  • 4.4 定解条件
  • 4.4.1 渗流场定解条件
  • 4.4.2 应力场定解条件
  • 4.5 耦合分析的有限元算法及步骤
  • 5 深冻结井壁热力耦合的数值模拟
  • 5.1 数值模拟方法概述
  • 5.2 ANSYS软件简介
  • 5.3 计算模型
  • 5.3.1 模型的建立
  • 5.4 深冻结井壁温度场的数值模拟
  • 5.4.1 计算参数选取
  • 5.4.2 模拟结果及分析
  • 5.5 深冻结井壁热力耦合的数值模拟
  • 5.5.1 计算参数
  • 5.5.2 求解步骤
  • 5.5.3 求解结果分析
  • 6 深冻结井壁水力耦合模拟实验
  • 6.1 模型试验相似准则
  • 6.2 井壁试验模型
  • 6.3 试验装置及测量
  • 6.3.1 试验加载装置
  • 6.3.2 试验数据测量
  • 6.4 试验结果及分析
  • 6.4.1 井壁内外表面应力
  • 6.4.2 井壁极限承载力
  • 6.5 小结
  • 7 结论与展望
  • 7.1 结论
  • 7.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者简介及读研期间主要科研成果
  • 相关论文文献

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