摘要：分析了“深部化”和“大型化”趋势对中国深井井筒的设计、施工与运维带来的严峻挑战。总结经验教训,指出冻结法是复杂条件下深井井筒施工最主要的地层堵水与加固工法。回顾了2002年以前国内外冻结井壁技术的状况。概述了2002年以来我国在400~800 m深厚土层中和在500~1000 m深厚富水岩层中冻结井壁技术取得的重大突破及其应用情况,包括:冻结井筒C60~C100、CF80~CF110高承载力混凝土井壁设计与施工技术,深厚土层中冻结井壁破裂灾害防治技术,深厚富水岩层中低渗漏单层井壁技术等。针对2002年以来中国冻结井壁技术的发展,总结了井壁材料的进步;介绍了横截面、纵剖面井壁结构的发展;归纳了对土层的初始水平水土压力、内层井壁承受的水压、冻结压力、富水岩层中孔隙水引起的井壁水力荷载、井壁竖直附加力等的新认识;简述了井壁力学模型,高径向承载力井壁和内层可缩井壁的力学特性,双层复合井壁之内、外壁厚度的设计理论,含水岩层中单层井壁厚度的设计理论和内层可缩井壁的设计理论等的新进展;介绍了大厚度井壁裂漏机理及防裂技术、井壁腐蚀破坏及防治技术、信息化施工技术,以及内层可缩井壁和低渗漏单层井壁的施工工艺。针对我国在1500 m超深土层中以及3000 m深厚富水岩层中冻结井壁技术将面临的挑战,指出应重点研究:深厚土层中冻结井筒掘进期间浅部外壁破裂新机理,超深土的力学特性,高强、高性能筑壁材料与构件,超高承载力井壁结构及其力学特性,超深冻结井壁设计理论与施工技术等。

摘要：冻结壁对井壁的作用力构成了深厚表土中冻结井外层井壁的外载;其增长规律与冻结壁与井壁之间的聚苯乙烯泡沫板压缩性能密切相关。为研究深厚表土中冻结井外壁外载的取值方法,以华东某冻结凿井工程为背景,基于冻土的弹塑性及蠕变本构方程,开展了冻结凿井过程中冻结壁与井壁相互作用的数值分析。结果表明:冻结壁对井壁的流变作用力极为显著;泡沫板的存在及其压缩性,可显著降低冻结壁作用力,尤其是弹塑性及流变作用力Pepc的数值,并影响其增长速度及增长规律;随着泡沫板压缩性降低直至泡沫板取消,冻结壁作用力由低速、近似线性增长,变为高速、非线性增长,从而易对井壁的早期安全构成威胁。因此,冻结凿井工程设计与施工中,应针对冻结壁的流变变形特性,审慎地研究确定泡沫板的材质及厚度。

摘要：针对现有竖井掘进机排渣方式的不足,借鉴大直径竖井钻机的流体洗井排渣方式,提出了一种适用于井筒全断面掘进的流体洗井系统。基于部分假定并结合实际工况,分析确定了流体洗井系统的基本参数和典型参数取值。主要采用FLUENT流体仿真软件,开展了空气洗井流场与排渣效率的数值模拟。首先,对空气洗井系统的基本参数进行了优化:通过单因素数值分析,以排渣管内径向、切向和竖直方向速度分量以及井底流场涡流情况等为评价指标,得到了1组在一定程度上最优的洗井系统参数;通过正交试验分析得到了排渣管内径、射流口角度等参数对井底流场的影响规律:对井底流场影响最大的为排渣管内径,影响最小的为射流口角度和刀盘与井底夹角。其次,进行了气固两相流的洗井排渣数值模拟:把岩屑假定为均匀的球体颗粒,并将其设置为离散相,以累计排出岩屑质量、排出岩屑的质量速率、清渣率和携渣率为评价指标,得到了岩屑粒径、排渣高度和入口空气流量对洗井排渣效果的影响规律:洗井排渣效果与岩屑颗粒粒径呈负相关、与入射口空气流量大致呈正相关,而排渣高度对洗井排渣效果基本没有较大的影响。最后,简要介绍了相似模型试验的验证情况,基于所推导出的相似准则,开展了相似模化设计;利用自行设计加工的模型实验台,完成了几何相似比为1∶20的模型实验。模型实验和数值模拟获得的规律基本相同,表明数值计算结果具有一定的准确性,为后续开展大尺寸模型实验或现场试验研究,提供了理论依据和基础参数。

摘要：静止土压力系数K_0是决定着深部水平地压、影响地下结构设计及安全分析的关键参数。深部土体在高地压下具有很强的流变性,导致固结应力、固结龄期等因素均显著影响土体的固结过程及其K_0值。采用巨野矿区深部典型黏土制备的重塑黏土试样,分别在固结应力8,10,12,14,16 MPa下,开展了固结时间为1,3,7,14,28 d条件下的K_0固结试验,获得了重塑黏土高压固结过程的K_0值,并分析了K_0值随固结应力、固结时间的变化规律。试验结果表明:深部重塑黏土的K_0并非一个常数,而是一个区间值,随固结时间和应力变化。黏土试样在固结前期K_0值较大,随着固结时间延长至14 d,土体K_0值迅速减小之后逐步趋于稳定,8~16 MPa下固结28 d时K_0值为0.466~0.636。

摘要：在多圈管冻结条件下冻结管受力变形规律的课题研究过程中,首先针对未开挖时冻结管的各向应力应变变化规律,以相似理论为基础开展物理模拟试验,得出结论：未开挖阶段的冻结管变形在冻结前期基本完成;黏土层中冻结管应变量比砂土层大;黏土层中冻结管最大拉应力为97.7MPa,最大压应力为161.5MPa,弯曲应力为轴向应力的1.7倍,最大弯曲应力达到冻结管屈服荷载的0.62倍,而砂土层中均很小。为改善冻结管的受力性能,减少开挖前冻结管储存的应变能,降低后期开挖时候冻结管的破坏率提供了实验依据。

摘要：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。

摘要：为深入研究冻结井外层井壁的外载,在巨野矿区特厚冲积层冻结法凿井过程中,开展了竖井井壁冻结压力的现场实测研究。实测表明:最大冻结压力Pmax普遍接近甚至超过按重液公式计算的永久水平地压P0;Pmax/P0的平均值为1.08。外壁浇筑后15d内,冻结压力增长迅速,超过57%～68%的地层中,7,10,14d冻结压力P(t)分别达到最大值Pmax的72%,77%,81%。分析认为,冻结壁内外部冻胀力的积聚,是冻结压力超过重液水平地压的根本原因。外壁设计荷载(冻结压力)的标准值应按重液水平地压取值;并应采取适当措施,减缓冻胀力积聚,减小冻结压力。此外,应确保外壁混凝土的7,10,14d立方块抗压强度分别达到其设计值的80%,85%,90%,以保证外壁的早期安全。

摘要：冻结井外壁浇筑后,受力状态逐渐由平面应力向广义平面应力转变,并承受急剧增长的冻结压力作用,因而确保早期水平承载力是外壁设计的关键.针对冻结井外壁的受力特点,分别基于两种混凝土强度准则,推导出了平面应力、广义平面应力、平面应变状态下外壁水平极限承载力的计算公式.研究表明:外壁水平极限承载力取决于井壁断面特征系数、混凝土应力状态、混凝土的单轴抗压强度;与平面应力状态相比,平面应变状态下外壁水平极限承载力显著提高.为确保冻结凿井工程的安全,外壁应尽量按平面应力模型或广义平面应力(如能确定值)模型而非平面应变模型开展设计,否则水平极限承载力将被显著高估.

摘要：介绍龙固副井冻结井外壁钢筋应力的测试方案,分析温度及约束作用对钢筋计测值的影响和不同方向配筋的应力测值变化规律.结果表明:受水化热高温的影响,外壁钢筋首先经历压应力急剧增长阶段,而后竖向及径向钢筋压应力随着井壁降温而逐渐减小,最终处于拉应力或低水平的压应力状态,而环向钢筋则始终处于压应力状态;环向钢筋的应力主要受冻结压力控制,而竖向及径向钢筋的应力主要受温度影响;鉴于深厚冲积层冻结压力增长迅速,外壁竖向钢筋可按承担3 d内施工的井壁段自重,取15 m高度的井壁段进行设计,从而有效地减少竖向钢筋的配筋率;而环向钢筋应尽量靠近井壁内侧配置,以提高井壁的水平承载力.

摘要：准确的地应力实测资料是确定地下岩体力学性质，进行工程结构设计施工、围岩安全稳定性分析和科学化决策的必要前提和基础。然而，应力解除法求解地应力无法考虑非理想岩性问题，工程应用中采用的忽略或修正的处理方法必将造成较大的误差。根据有限单元法的原理，针对正交各向异性岩体，分别采用理想模型和正交各向异性模型开展了地应力求解研究。结果表明：岩体弹模会造成应力分量误差最大可达56％，第一主应力大小误差为15％～26％，方位角误差为30％～37％，倾角误差为23％～57％。