發(fā)布時(shí)間：2020-10-09 05:44

　　 因淺部資源開采殆盡,近年來我國不得不開發(fā)深厚復(fù)雜地層下的煤、鐵等資源。凍結(jié)法是深厚復(fù)雜地層中最主要的鑿井方法,井壁和凍結(jié)壁是其技術(shù)關(guān)鍵。在深厚復(fù)雜地層中,大體積、高強(qiáng)混凝土井壁與凍結(jié)壁間存在復(fù)雜、劇烈的熱相互作用,但國內(nèi)外對(duì)其缺乏系統(tǒng)深入的研究。研究掌握凍結(jié)井壁溫度場(chǎng)的演化規(guī)律,對(duì)防止混凝土凍害、開發(fā)井壁溫度裂縫預(yù)防技術(shù)和研究凍脹與融沉致裂井壁的機(jī)理等均具有重要意義。本文針對(duì)厚度為1~2.5m、強(qiáng)度等級(jí)為C60~C80、CF60~CF90的現(xiàn)澆混凝土凍結(jié)井壁,綜合采用理論分析、物理模擬、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法,對(duì)凍結(jié)期、解凍恢復(fù)期和循環(huán)變溫期的井壁溫度場(chǎng)開展系統(tǒng)、深入的研究。首先,通過物理模擬和數(shù)值模擬研究確定了擬合誤差小于5%的高精度水泥水化溫升表達(dá)式——復(fù)合指數(shù)式及其參數(shù)值;分析得出了不同工況時(shí),合理的內(nèi)壁內(nèi)表面和外壁內(nèi)表面換熱系數(shù)的計(jì)算方法與取值范圍;分析得到了井壁溫度場(chǎng)中各材料熱參數(shù)的取值范圍。這為后文研究具有時(shí)變內(nèi)熱源和復(fù)雜換熱邊界條件的凍結(jié)井壁溫度場(chǎng)提供了關(guān)鍵、可靠的依據(jù)。其次,研究掌握了凍結(jié)期和解凍恢復(fù)期井壁溫度場(chǎng)的演化規(guī)律。以實(shí)際工程為背景,針對(duì)2個(gè)強(qiáng)度等級(jí)、4種配合比的大厚度、高強(qiáng)混凝土井壁,通過12次大型物理模擬試驗(yàn),得到了井壁早期溫度場(chǎng)的分布和變化規(guī)律。建立了包含地層凍結(jié)、開挖、外壁(或單層井壁)砌筑、內(nèi)壁砌筑等整個(gè)凍結(jié)法鑿井過程的大型三維數(shù)值計(jì)算模型,從外邊界條件、自身因素、內(nèi)邊界條件和施工工藝四個(gè)方面(共14個(gè)因素),分析掌握了凍結(jié)期和解凍恢復(fù)期外壁(或單層井壁)、內(nèi)壁及圍巖(土)的溫度場(chǎng)演化規(guī)律,得到了各施工階段井壁溫度的變化范圍、最大溫差、升(降)溫速率、水泥水化引起的凍結(jié)壁融化范圍、解凍時(shí)間等重要技術(shù)參數(shù);對(duì)比分析了各因素對(duì)凍結(jié)期和解凍恢復(fù)期井壁溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。在12個(gè)井筒的井壁上開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究,分別得到了水泥水化升溫、快速降溫、緩慢降溫三個(gè)階段井壁溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。這12個(gè)井筒井壁包括:4個(gè)深表土井筒的外壁(表土深度為675.6~754.96m,為世界之最),1個(gè)大直徑、大厚度壁座(內(nèi)直徑10.5m,壁厚2.5m,均為凍結(jié)井壁之最),3個(gè)井筒的內(nèi)壁,4個(gè)富水基巖中的新型單層井壁。最后,研究掌握了循環(huán)變溫期井壁溫度場(chǎng)的演化規(guī)律。導(dǎo)出了循環(huán)變溫期井壁溫度分布的解析關(guān)系式,分析獲得了井內(nèi)日和年氣溫以簡諧波變化時(shí)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。建立了循環(huán)變溫期溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型,獲得了井壁厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、內(nèi)邊界溫度、時(shí)間等參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。通過對(duì)5個(gè)井筒的多年監(jiān)測(cè),掌握了井壁溫度變化規(guī)律。研究成果表明:合理控制井幫溫度和入模溫度,可防止凍結(jié)基巖段井壁混凝土受到凍害;對(duì)于高強(qiáng)度、大厚度外層井壁(或單層壁)和大厚度內(nèi)層井壁,較普遍地存在徑向溫差大、平均溫度變化大的現(xiàn)象,井壁產(chǎn)生溫度裂縫的風(fēng)險(xiǎn)高,應(yīng)采取防裂措施;在日常生產(chǎn)運(yùn)營階段,井壁溫度隨井內(nèi)氣流溫度波動(dòng),進(jìn)風(fēng)井井壁溫度變化可達(dá)20℃以上,是井壁豎直附加力增大的誘因之一,是深厚表土井壁一般在每年4~10月發(fā)生破裂的主要原因。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD265.3
【文章目錄】：
致謝
摘要
abstract
變量注釋表
1 緒論
    1.1 問題的提出
    1.2 凍結(jié)井壁溫度場(chǎng)研究現(xiàn)狀綜述
    1.3 研究的目的、意義與內(nèi)容
    1.4 研究方法和技術(shù)路線
2 混凝土井壁溫度場(chǎng)研究基礎(chǔ)
    2.1 概述
    2.2 凍結(jié)井壁施工工藝簡介與傳熱特點(diǎn)分析
    2.3 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和比熱
    2.4 井壁混凝土水化放熱模型研究
    2.5 井壁內(nèi)表面換熱系數(shù)研究
    2.6 泡沫塑料板與土(巖)的熱參數(shù)
    2.7 本章小結(jié)
3 凍結(jié)期外層與單層井壁溫度場(chǎng)研究
    3.1 數(shù)值模擬研究
    3.2 物理模擬試驗(yàn)研究
    3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究
    3.4 本章小結(jié)
4 凍結(jié)期內(nèi)層井壁溫度場(chǎng)研究
    4.1 內(nèi)壁的邊界及熱參數(shù)分析
    4.2 數(shù)值模擬研究
    4.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究
    4.4 本章小結(jié)
5 解凍恢復(fù)期井壁溫度場(chǎng)研究
    5.1 溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型
    5.2 數(shù)值模擬研究
    5.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究
    5.4 本章小節(jié)
6 循環(huán)變溫期井壁溫度場(chǎng)研究
    6.1 概述
    6.2 循環(huán)變溫期井壁溫度場(chǎng)理論模型的建立與求解
    6.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究
    6.4 數(shù)值模擬研究
    6.5 本章小結(jié)
7 主要?jiǎng)?chuàng)新成果與展望
    7.1 主要結(jié)論
    7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新成果
    7.3 展望
參考文獻(xiàn)
作者簡歷
學(xué)位論文數(shù)據(jù)集


本文編號(hào)：2833302