發(fā)布時間：2017-09-30 11:33

  本文關(guān)鍵詞：深厚沖積層立井井筒凍結(jié)壓力分布規(guī)律研究

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【摘要】：進入21世紀以來,隨著我國中東部淺層煤炭資源的枯竭,煤炭開發(fā)深度多達800m以深,新建礦井具有井型大、穿越?jīng)_積地層深厚(450m及以下)等特點。凍結(jié)壓力是凍結(jié)法鑿井的重要設(shè)計參數(shù),決定凍結(jié)壁和井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計是否科學(xué)合理,事關(guān)施工安全。由于國內(nèi)、外對450m以下深厚沖積層立井凍結(jié)壓力研究較少,現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范已無法滿足凍結(jié)法鑿井設(shè)計與施工要求,亟待研究解決。本文以我國黃淮地區(qū)新建煤礦深立井為工程背景,采用理論、試驗和現(xiàn)場實測及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,系統(tǒng)研究影響深厚沖積層凍結(jié)法鑿井的凍結(jié)壓力諸多因素,探討深埋人工凍土本構(gòu)關(guān)系,推導(dǎo)凍結(jié)壓力計算公式。將數(shù)值分析、理論分析與現(xiàn)場實測結(jié)果分析相互驗證,揭示深井凍結(jié)壓力分布規(guī)律。首先,對取自深立井工程的土體進行常規(guī)土工、凍土熱物理參數(shù)、凍土物理力學(xué)性能試驗,分析土體各參數(shù)變化規(guī)律,揭示凍土物理力學(xué)特性。研究表明：凍土的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度降低而增大,而比熱反之；粘土試樣凍脹率范圍在1-5%之間,并且隨著凍結(jié)時間的增加,分別經(jīng)歷急劇增長、緩慢增長和相對穩(wěn)定階段；深埋凍土與淺埋凍土的不同之處在于深埋凍土存在蠕變的加速階段等。其次,基于凍土蠕變試驗結(jié)果,選擇能較好地反映深埋凍土加速蠕變階段的改進的西原模型來表征深部凍土粘彈塑性流變特性。利用用戶子程序UMAT實現(xiàn)ABAQUS軟件的二次開發(fā),把改進西原模型補充進ABAQUS軟件的材料模型以適應(yīng)深土凍結(jié)過程的模擬,所編制的子程序得到三軸壓縮試驗的驗證。對蠕變參數(shù)進行了敏感性分析,結(jié)果表明凍土的蠕變發(fā)展與偏差應(yīng)力、粘彈性粘滯系數(shù)和粘塑性粘滯系數(shù)有密切關(guān)系�；贏BAQUS軟件的二次開發(fā)對深井凍結(jié)法鑿井過程進行模擬,揭示土體凍結(jié)過程中凍脹應(yīng)力及外井壁凍結(jié)壓力發(fā)展變化規(guī)律。數(shù)值計算表明,土體凍結(jié)產(chǎn)生凍脹應(yīng)力使凍結(jié)壁內(nèi)應(yīng)力遠遠大于初始地應(yīng)力。凍結(jié)壓力值隨土體埋深、土體凍脹率的增加而增大,降低凍結(jié)壁溫度則有利于凍結(jié)壁的穩(wěn)定。依據(jù)周圍土體、凍結(jié)壁、井壁相互作用機理,運用粘彈塑性理論分析得到考慮凍脹效應(yīng)的凍結(jié)壓力解析解。理論計算公式能較好描述凍結(jié)壓力的增長規(guī)律,并且得到的凍結(jié)壓力與各影響因素之間的關(guān)系與數(shù)值計算結(jié)果一致,同時得到了凍結(jié)壁應(yīng)力場的時空分布規(guī)律。最后,針對不同土性分析研究實測凍結(jié)壓力變化規(guī)律,運用灰色理論量化凍結(jié)壓力影響因素的影響,在無量綱化基礎(chǔ)上建立凍結(jié)壓力數(shù)學(xué)模型,回歸出凍結(jié)壓力和時間、土體埋深、凍結(jié)壁平均溫度、凍結(jié)壁平均厚度及凍融半徑的關(guān)系式。將經(jīng)驗公式、數(shù)值計算和理論公式的計算結(jié)果與實測結(jié)果進行分析比較,驗證了理論公式、數(shù)值模擬結(jié)果和經(jīng)驗公式的合理性,可為類似深井外井壁設(shè)計提供參考。
【關(guān)鍵詞】：深凍結(jié)井 凍土蠕變 凍脹 改進西原模型 凍結(jié)壓力 灰關(guān)聯(lián)分析
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD265.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 1 緒論17-32
• 1.1 研究意義17-22
• 1.1.1 人工凍結(jié)法的原理和應(yīng)用17-19
• 1.1.2 人工凍結(jié)法在深厚沖積層中的應(yīng)用19-20
• 1.1.3 人工凍結(jié)法應(yīng)用中產(chǎn)生的問題及原因20-21
• 1.1.4 深井井壁凍結(jié)壓力21-22
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀22-29
• 1.2.1 凍土蠕變22-25
• 1.2.2 水分遷移和凍脹研究25-27
• 1.2.3 凍結(jié)壁設(shè)計及凍結(jié)壓力研究現(xiàn)狀27-29
• 1.3 需進一步解決的問題29
• 1.4 主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線29-32
• 2 深埋凍土物理力學(xué)性能試驗研究32-44
• 2.1 常規(guī)土工試驗32-33
• 2.1.1 試驗內(nèi)容和方法32
• 2.1.2 試驗結(jié)果32-33
• 2.2 凍土熱物理參數(shù)試驗33-36
• 2.2.1 導(dǎo)熱系數(shù)試驗33-34
• 2.2.2 比熱試驗34-36
• 2.3 凍土物理性能試驗36-39
• 2.3.1 凍結(jié)溫度試驗36-37
• 2.3.2 凍土的凍脹率、凍脹力試驗37-39
• 2.4 凍土力學(xué)性能試驗39-42
• 2.4.1 凍土三軸剪切強度試驗39-41
• 2.4.2 三軸蠕變試驗41-42
• 2.5 小結(jié)42-44
• 3 凍土流變模型及其在ABAQUS中的實現(xiàn)44-66
• 3.1 凍土流變模型研究44-49
• 3.1.1 一維凍土流變模型44-47
• 3.1.2 三維凍土流變模型47-49
• 3.2 流變模型參數(shù)確定49-53
• 3.2.1 數(shù)據(jù)擬合49-52
• 3.2.2 參數(shù)確定52-53
• 3.3 ABAQUS有限元軟件及其UMAT53-55
• 3.3.1 ABAQUS軟件53-54
• 3.3.2 ABAQUS用戶材料子程序(UMAT)54-55
• 3.4 程序結(jié)構(gòu)及編程55-62
• 3.4.1 子程序結(jié)構(gòu)55-56
• 3.4.2 子程序編程56-62
• 3.5 子程序UMAT的驗證62-64
• 3.5.1 三軸蠕變試驗62-63
• 3.5.2 參數(shù)敏感性分析63-64
• 3.6 小結(jié)64-66
• 4 凍結(jié)法鑿井井壁凍結(jié)壓力有限元模擬66-79
• 4.1 井筒基本情況66-67
• 4.2 凍結(jié)溫度場模擬67-70
• 4.2.1 模型建立67-69
• 4.2.2 計算結(jié)果69-70
• 4.3 井筒開挖模擬70-72
• 4.3.1 凍結(jié)壁初始應(yīng)力場70-72
• 4.3.2 井筒開挖過程模擬72
• 4.4 井壁砌筑模擬72-77
• 4.4.1 基本假設(shè)72-73
• 4.4.2 材料及其參數(shù)73
• 4.4.3 凍結(jié)壓力模擬及結(jié)果分析73-77
• 4.5 本章小結(jié)77-79
• 5 凍結(jié)法鑿井井壁凍結(jié)壓力解析解求解79-97
• 5.1 凍脹機制研究79-81
• 5.1.1 冰透鏡體的形成79-80
• 5.1.2 水分遷移80-81
• 5.2 凍結(jié)壓力求解81-91
• 5.2.1 計算假設(shè)81
• 5.2.2 凍結(jié)壁應(yīng)力場和位移場計算81-87
• 5.2.3 凍結(jié)壓力計算87-91
• 5.3 工程實例分析91-95
• 5.3.1 凍結(jié)壓力分布規(guī)律探討91-94
• 5.3.2 凍結(jié)壁應(yīng)力場和位移場的時空分布規(guī)律分析94-95
• 5.4 小結(jié)95-97
• 6 凍結(jié)法鑿井井壁凍結(jié)壓力實測研究97-119
• 6.1 監(jiān)測水平和元件布置97-100
• 6.1.1 監(jiān)測方法97
• 6.1.2 元件布置97-98
• 6.1.3 監(jiān)測水平98-100
• 6.2 凍結(jié)壓力實測結(jié)果及其分析100-110
• 6.2.1 凍結(jié)壓力現(xiàn)場實測曲線100-103
• 6.2.2 凍結(jié)壓力不均勻性分析103-106
• 6.2.3 凍結(jié)壓力影響因素分析106-110
• 6.3 凍結(jié)壓力影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析110-111
• 6.3.1 關(guān)聯(lián)系數(shù)計算110
• 6.3.2 優(yōu)勢因素分析110-111
• 6.4 凍結(jié)壓力數(shù)學(xué)計算模型研究111-116
• 6.4.1 無量綱化法原理111-112
• 6.4.2 數(shù)學(xué)計算模型建立112-113
• 6.4.3 凍結(jié)壓力計算113-116
• 6.5 計算結(jié)果比較分析116-117
• 6.6 小結(jié)117-119
• 7 結(jié)論及創(chuàng)新點119-122
• 7.1 主要結(jié)論119-120
• 7.2 主要創(chuàng)新點120-121
• 7.3 進一步工作設(shè)想121-122
• 參考文獻122-130
• 附錄A 灰關(guān)聯(lián)系數(shù)表(粘土)130-141
• 附錄B 灰關(guān)聯(lián)系數(shù)表(鈣質(zhì)粘土)141-148
• 致謝148-150
• 作者簡介及讀博期間主要科研成果150

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：947996