厚表土立井井壁應力狀態及其演變規律研究

《厚表土立井井壁應力狀態及其演變規律研究》是依託中國礦業大學，由趙光思擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：厚表土立井井壁應力狀態及其演變規律研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：趙光思
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

我國厚表土層中已有100多個井筒發生破裂，經濟損失達數十億元，災害仍在繼續蔓延；未來10年我國東部擬新建約100個礦井，多數需穿越400～700m厚表土層。現有井壁破裂研究成果尚無法有效預測發生破裂的具體時間和位置，進而無法為災害的預測、預警與防治提供可靠的理論基礎和有力的技術支持。課題以處於生產期間的井筒破裂和治理工程為背景，基於雙剪統一強度理論，研究井壁混凝土的塑性極限荷載線；採用理論分析、室內試驗和數值模擬的綜合方法，研究並建立井壁既有應力的原位測試新方法；根據長達10年的井壁受力實測數據，運用R/S分析法研究井壁受力的長時演變規律。在此基礎上，綜合研究井壁破裂災害的穩定預測方法。課題成果對完善井壁與圍土相互作用機理及豎直附加力理論有重要理論與學術意義，對新建礦井井壁設計與施工，現有井筒破裂及再破裂時間、部位的預測預報有重要實際意義。

結題摘要

項目以厚表土立井井筒受力回響及井壁破裂災害預測預警問題為背景，針對井壁當前受力狀態、既有強度特徵和井筒受力演變規律，開展了大量室內試驗、數值模擬及理論分析工作。基於雙剪統一強度理論考慮混凝土材料拉壓異性特性和中主應力影響，建立了井壁塑性極限荷載狀態線。採用無量綱形式分析了井壁塑性極限荷載與混凝土拉壓異性特性之間的關係。獲得了井壁塑性極限荷載與井筒幾何特性之間的關係。隨著井壁厚度的增大，其塑性極限荷載非線性增大。這一規律對分析、判斷、預報井壁是否達到塑性極限有重要意義。分析了井壁的塑性極限荷載與中間主剪應力之間的關係，獲得了分析井壁塑性極限荷載時參數b的合理取值範圍。當0.6≤b≤1.0時，在本課題給定的條件下，對井壁塑性極限荷載基本沒有影響。建立了雙孔部分應力解除法原位測試井壁當前應力狀態的新方法。確定了衰減率57%作為雙孔部分應力解除法測試井壁混凝土既有應力大小的計算標準。進行了大量不同應力狀態條件下混凝土回彈試驗，建立了更加符合井筒工況的專用測強曲線，為現場實測井壁既有強度特徵奠定基礎。研究表明，混凝土處於不同應力狀態時，回彈測試結果不同。其中C10等級的混凝土回彈值在不同應力狀態下的測試結果最大相差達20%左右，而C50混凝土回彈值相差9%左右。基於井壁塑性極限荷載表達式，建立了適用於厚表土層中立井井壁可靠度分析的功能函式，套用數據表法計算分析了大屯礦區某礦立井井壁的可靠度指標β。功能函式中係數b和α對井壁可靠度影響較大，當b值取1時更能反映井壁實際可靠度。採用FLAC 3D 對地層擾動條件下井壁受力回響規律進行了數值模擬分析。採用R/S分析法對井壁附加應變長時演變規律進行研究，結果表明H指數的變化規律對預警井壁破裂具有較明顯的中、短期前兆意義。 課題研究深化了對厚表土井筒受力狀態、強度特徵及其演變規律的認識，為井筒的設計、施工、質量控制以及工程災害的預測預警提供了借鑑與指導，具有重要的理論意義和工程套用價值。