冻结井筒大体积混凝土井壁温度场实测研究

营盘壕煤矿副井井筒采用全深冻结法施工。井筒内壁浇筑施工中,通过对3个水平温度的现场实测,分析了井壁温度场变化规律。结果表明:大体积混凝土浇筑后,产生大量水化热,导致内壁温度上升,1.25~1.5d左右,温度达到峰值,最高达到86℃。水化热传递到冻结壁,导致冻结壁温度上升,最高达到21.9℃,升温幅度23.4℃,壁后冻土局部开始融化,最大融化距离达1 920mm,对井壁稳定性造成不利影响。之后,在冻结管盐水循环产生的冷量与水化热共同作用下,内壁及冻结壁温度开始下降。至浇筑后35d左右,内壁稳定在正温状态,对内壁混凝土早期强度发展有利。     

西部侏罗系深基岩立井冻结温度场实测与分析

为掌握西部侏罗系地层深基岩立井冻结温度场发展规律,根据新街矿区红庆河煤矿二号风井井壁厚度及混凝土强度等级的不同,布设各监测水平,对冻结法凿井期间井壁与冻结壁温度进行现场实测,得到了该地区在特定条件下的温度场变化规律。结果表明,壁座大体积C70混凝土浇筑后,30~36h内水化热达到峰值,测到的最高温度为71.32℃,升温速率基本为40℃/d,降温速率为4℃/d左右。外壁温度变化可分为3个阶段,即线性急速上升阶段、非线性快速下降阶段和趋于稳定阶段。混凝土配合比决定了水化热的升温强度,井壁厚度决定了水化反应的时间跨度。     

冻结井壁混凝土温度场本构模型研究及应用

冻结井壁温度场分布情况复杂,并且受到井筒内空气、冻结壁等周围环境等因素的影响。考虑井筒内空气、冻结壁以及井壁厚度等影响因素,通过改进混凝土绝热模型,引进λ,m和n等参数,建立了混凝土井壁温度场本构模型。以营盘壕井壁温度实测数据为例,进行混凝土井壁温度场模型参数反演,并将得到的预测值与实测值进行对比分析,得出冻结井壁温度场分布以及随龄期的变化规律。研究成果对冻结井壁设计与施工有参考价值。     

宁正煤田白垩系岩层冻结温度场实测与数值分析

宁正煤田煤层上覆巨厚白垩系富水岩层,井筒多采用冻结法施工。由于对该岩层冻结温度场扩展特性以及冻结壁受水化热影响范围等缺乏研究,导致冻结设计不合理、冻结壁交圈时间预判不准确等问题。针对上述问题,以宁正煤田新庄煤矿风井为背景,通过现场实测和数值模拟,对该矿井白垩系砂岩地层冻结温度场扩展特性、外井壁混凝土水化热对冻结壁的影响开展了研究。实测结果表明:砂岩地层冻结初期温度快速下降,平均降温速率达0.23℃/d,冻结锋面的发展速率达21.08 mm/d;混凝土水化热对冻结壁温度场的影响大,冻结壁的融化深度范围为440~480mm,距离外井壁50 mm的3#测点温度升高了33.6℃,平均升温速率达到了2.6℃/d。通过对数值模拟与实测结果比较发现:砂岩地层冻结壁扩展速度、井帮温度等参数值基本一致,能很好地预测冻结壁温度场变化规律。     

混凝土水化热对深井冻结壁冻融规律影响的实测研究

 根据冻结井筒大体积混凝土水化热现场实测结果,获得混凝土水化热对冻结壁的影响规律：由于井壁混凝土水化热影响冻结壁融化0.2-0.4m,约为外壁厚度的0.43-0.5倍,重新冻结后产生回冻冻胀力0.45-0.80MPa。结合对实测数据的分析和ADINA有限元程序的数值模拟,得出了冻结壁融化深度与时间的关系曲线,对指导深井冻结壁设计与施工具有重要的指导意义。     

冻结井筒高强混凝土水化热规律研究

为了研究冻结井筒高强混凝土水化热规律,对井壁高强混凝土的水化放热规律作了试验研究,并结合有限元数值模拟分析发现:混凝土水化热对冻结壁的影响范围在0.5 m以内;井壁混凝土在浇筑后25～40d才进入负温养护,深冻结井井壁高强高性能混凝土的水化热最高温升一般发生在20～35h,比水利工程等大体积普通混凝土的最高温升提前了3～4d.     

冻结井筒C100高性能混凝土井壁温度变化分析

赵固二矿西风井采用C100高性能混凝土作为井筒深部井壁材料,通过无线温度监测系统,对冻结壁和C100混凝土外层井壁温度进行监测。结果表明:井帮温度为-11℃左右时,C100混凝土浇筑35 h后,温升最大(可达50℃);浇筑7 d后,外层井壁平均温度维持在22℃左右;27～45 d后,外层井壁温度逐步降至0℃以下。     

高强低热混凝土在赵固二矿主井冻结段的应用

以C40~C80高强低热混凝土在赵固二矿主井冻结段为应用背景,采用水泥、砂子、碎石、粉煤灰、磨细矿渣和化学外加剂根据不同的配比,配制不同强度的低水化热早强防裂密实高性能混凝土,实测强度超过设计强度的5%以上,提高了井壁的强度储备,有效地避免了井壁的破坏。水化热降低15~17℃,较好的控制了内、外层井壁大体积混凝土的温度裂缝的扩展,确保了冻结段的施工安全。     

混凝土水化热对白垩系地层井壁与冻结壁温度影响的实测研究

在西部白垩系地层煤矿立井冻结法凿井施工过程中,通过分析2个代表性水平层位温度的现场监测数据,得到了冻结凿井期间外壁及冻结壁温度变化的基本规律。研究表明:外壁浇筑后即出现温度迅速增长阶段,两监测层位在1.5 d内温度上升幅度最大可达68.4℃,且粗粒砂岩受水化热影响的温度上升速率大于细粒砂岩;大量水化热使两监测水平保持了较长的正温养护时间,对外壁混凝土早期强度增长有利;同时,释放的水化热使冻结壁出现大范围升温以至局部融化(融化深度达305 mm),对冻结壁的强度造成不利影响。通过分析和探讨水化热对井壁及冻结壁的影响规律,对西部白垩系地层井筒冻结工法设计与施工具有重要意义。     

用有限单元法计算井壁断面应力应变和变温应力应变

(一) 我国已施工的冻结井筒,基本上是采用单层或双层钢筋混凝土井壁。在井壁施工过程中产生裂缝,其因甚多,筑壁温度剧变,则是原因之一。冻结井筒,现浇混凝土井壁的养护条件差,井帮温度为0～-10℃,而混凝土入模温度一般为15～20℃。为加快混凝土硬化和防冻,混凝土中加入一定量速凝剂,加快温升,浇注1～2天,温升达到高峰40℃以上。井     

斜井冻结和解冻全过程温度场演化规律研究

针对斜井冻结中存在的井壁浇筑水化热释放、局部冻结方式等问题，采用数值模拟和现场实测方法对袁大滩煤矿副斜井冻结和解冻全过程温度场的发展演化规律进行了研究，对斜井支护方式、停止冻结时间和局部冻结结构形式进行了探讨。结果表明，局部冻结时在非冻结段采用小尺寸冻结管或聚氨酯发泡方式的局部冻结效果并不理想，建议将局部冻结管做成双层套管，两层冻结管之间设置保温层，以维持聚氨酯材料的保温性能、减少冻土体积、减少制冷量的额外消耗|井壁水泥水化热的释放会造成井壁内部温度较高和周围的冻土融化，建议在外层井壁和冻土之间设置木背板或泡沫板等隔热材料，防止井壁内外温差过大而产生温度裂缝|根据井壁强度增长情况，确定合理的停止冻结时机。     

复合胶凝材料井壁高强混凝土的性能与水化机理

对于冻结法施工的高强井壁大体积混凝土,内壁的中心温度可达80 ℃,而井筒外壁内侧的温度在10 ℃左右,这种温度的差异必然导致井壁混凝土开裂,导致耐久性下降。针对这些问题,研究了适于井壁高强混凝土用复合胶凝材料的水化特征及其对C70混凝土性能的影响。结果表明：复合胶凝材料的总水化热是井壁混凝土用常规胶凝材料水化热的一半;从28 d到180 d,复合胶凝材料配制的C70混凝土抗压强度持续增长14.8%,且孔隙率低,有害孔减少,混凝土具有很好的抗裂性;XRD和SEM试验表明,复合胶凝材料配制的C70混凝土水化180 d 后无Ca(OH)2晶体存在,主要水化产物为致密的Ⅲ型C-S-H凝胶。     

深厚表土层冻结井筒高强钢筋混凝土内壁设计优化与实测分析

针对深厚表土层冻结井筒内壁设计厚度较大问题,对高强钢筋混凝土内壁的受力机理、设计优化方法、现场实测结果进行了分析研究。首先,采用相似理论设计出模型井壁并进行加载试验,实测得到高强钢筋混凝土内壁的应力、变形和承载力,研究了该种井壁结构的受力机理,结果表明深厚表土层冻结井筒内壁属于深埋于地下的厚壁圆筒结构物,由于内表面的圆形结构特征,在侧向压力作用下,井壁结构中混凝土由外缘的三向受压过渡到内缘的二向受压应力状态,其混凝土抗压强度提高了1.592～1.765倍,井壁承载能力得到显著提高。建立了混凝土抗压强度提高系数试验值的计算公式,获得了高强钢筋混凝土内壁的应力特性和强度特征。然后,基于我国现行混凝土结构设计规范关于混凝土多轴强度验算要求,根据模型试验结果和内壁受力机理,提出了深厚表土层高强钢筋混凝土内壁设计优化方法,给出了混凝土抗压强度提高系数设计取值。并将设计优化方法应用于潘三煤矿新西风井冻结段内壁控制层位,井壁厚度由原设计的1 150 mm优化为900 mm,厚度减薄达21.74%。最后,通过潘三煤矿新西风井工程现场实测表明,优化设计后的井壁结构中环向钢筋应力值为-125.8～-136.9 MPa、竖向钢筋应力值为-39.5～-53.2 MPa,远小于钢筋强度设计值300 MPa,井壁中混凝土环向应变为-730×10~(-6)～-790×10~(-6)、竖向应变为-380×10~(-6)～-390×10~(-6),远小于C70混凝土的极限压应变值,说明设计优化后的井壁结构不但经济合理,而且安全可靠。     

磁西副立井超千米单层井壁受力变形实测与分析

分析了我国矿山井筒井壁实测的现状和发展。采用振弦式混凝土应变计和钢筋计、有线远程传输、可存储数字采集仪,实施了井壁受力变形传感器埋设和监测,测试深度达到了垂深1 208 m。根据实测数据,对井壁混凝土应变分别进行了内缘与外缘、竖向与环向的对比,钢筋受力应变和混凝土应变之间的对比分析,并通过包神公式进行理论值和实测值的对比分析。对比研究说明了实测结果的正确性、合理性。结果表明,短掘短期单层井壁的内缘环向应力大于竖向和径向应力,符合包神井壁设计公式推导的理论基础,井壁实测期间全过程中出现最大观测值的时间是混凝土井壁砌筑后5~6个月,最大环向应变约为-1 093×10-6,总体平均内缘环向应变为-682×10-6。井壁混凝土环向应变的不均匀系数为2.15,钢筋受力的不均匀系数为1.36。实测结果表明,C60等级,900 mm厚的钢筋混凝土井壁是安全的,可为千米竖井井壁设计提供参考。     

鄂尔多斯深部富水砂岩冻结强度的试验研究

研究冻结条件下深部岩石的力学特征,对西部超深立井冻结壁厚度以及掘进段高的设计具有重要意义。本文以鄂尔多斯某立井冻结工程为背景,以深部富水地层中典型的中砂岩为研究对象,基于细观放大图像分析了岩石的粒径和孔洞分布特征。在-5℃、-10℃、-15℃条件下对冻结中砂岩进行了三轴压缩试验,并在26℃、-10℃和-20℃条件下进行了巴西劈裂试验。试验结果表明:冻结中砂岩的抗压强度随着温度的降低而线性增加,增加幅度最大为27.29%,但随着围压的增加,温度的影响有所减弱;冻结中砂岩内摩擦角φ和黏聚力c也随温度降低而增加,最大增加幅度分别为12.54%和18.69%;温度从26℃降至-10℃,中砂岩抗拉强度从0.73MPa增至1.59MPa,增加118.18%,但当温度继续降低,抗拉强度变化较小。中砂岩强度在冻结后随着温度的降低而增加,但增加幅度有限,此类地层中冻结壁厚度设计以满足封水效果为主,立井中心温度不必过低。     

深厚含水基岩区立井外壁冻结压力的实测与分析

为明确我国西部深厚含水基岩区立井外壁的载荷,在鄂尔多斯市呼吉尔特矿区开展了基岩冻结压力的现场实测研究。结果表明：凿井期基岩冻结压力的变化规律可分为急剧增长、缓慢增长、快速增长、逐步减小4个阶段;基岩冻结压力主要受原岩富水条件、强度等因素的影响,与岩层埋深H关系不大;基岩冻结压力在混凝土浇注后的10~15 d即达到冻结压力最大值P max的76.4%~89.8%,建议采用7 d混凝土强度指标来保证外壁早期质量;基岩冻结压力在混凝土浇注后的80~100 d增长至最大值P max,P max实测值仅为1.08~1.74 MPa,远小于按岩层埋深H换算的静水压力值P 0,更远小于特厚冲积表土中的冻结压力上限值P ω。     

厚表土斜井冻结凿井期井壁混凝土应变实测研究

为了研究斜井冻结法凿井过程中井壁结构的安全性,对哈密大南湖十号煤矿主斜井进行了现场实测,获得了主斜井冻结段井壁混凝土应变和钢筋应力的变化规律。结合混凝土极限拉压应变,分析了井壁结构的安全性,并对斜井冻结施工提出优化建议。研究表明:井壁浇筑后,混凝土应变变化可分为4个阶段,即紊乱期、应变加速增长期、应变缓慢增长期及应变稳定期,井壁真实应变应从紊乱期后开始计算;斜井井壁设计主要受拉应变控制;在大南湖十号煤矿主斜井施工中,井壁底板环向拉应变最大达1 280με,远大于混凝土设计极限拉应变,井壁圆弧段局部位置环向拉应变超过200με,井壁处于破裂危险状态。     

冻结法凿井井壁应用C80～C100混凝土强度设计值等参数取值研究

深井冻结需要设计应用高承载能力的井壁结构，井下现浇高强度混凝土是提高井壁承载能力较为可行的方法。设计应用大于C80混凝土井壁缺少相应规程和规范，缺少对混凝土轴心抗压强度设计值、轴心抗拉强度设计值、弹性模量等物理力学参数的取值规定。通过国内外混凝土结构设计规范、国内有关学者研究成果和为该研究开展的验证试验等综合研究，提出C80～C100轴心抗压强度、轴心抗拉强度设计值和标准值、弹性模量与泊松比等取值建议，为制定冻结法凿井井壁设计应用C80～C100混凝土技术规程和形成技术体系提供依据。