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1、西安科技大学 硕士学位论文 深厚软岩冻结壁厚度设计的数值模拟及分析 姓名：李密 申请学位级别：硕士 专业：防灾减灾工程及防护工程 指导教师：杨更社 论文题目：深厚软岩冻结壁厚度设计的数值模拟及分析 专 业：防灾减灾工程及防护工程 硕 士 生：李 密 （签名） 指导教师：杨更社 （签名） 摘 要 随着经济的飞速发展煤炭需求的增加，矿井建设逐步向深井方向发展，在深厚表 土中冻结法凿井应用越来越广泛。且近年来也遇到了全基岩的冻结立井，然而我国在 立井冻结岩石方面的理论研究与实践经验都比较欠缺。开展深厚立井冻结岩石理论研 究，对实际工程有一定的指导意义。 本文以陕西彬长矿区胡家河煤矿立井冻结工程为背景
2、，在课题团队胡家河矿井软 岩冻结力学特性的试验基础上，通过对深厚冻结软岩物理力学特性的研究，获得了不 同冻结温度和不同围压条件下冻结软岩的力学参数。分析和探讨了传统的冻结壁解析 计算的适用性和局限性， 并针对胡家河冻结主井工程计算得到了冻结壁厚度的解析解。 运用数值模拟的方法，考虑深厚冻结壁高围压低温的冻结温度场与应力场特性，考虑 冻结壁实际受载情况，对胡家河立井冻结壁的厚度进行了计算分析，并和解析计算结 果、工程经验值进行了对比分析。考虑冻结温度、掘进段高等对冻结壁厚度的影响， 通过数值计算确定了冻结壁合理的掘进段高和合理的冻结温度控制范围。并用数值模 拟的方法分析了软岩冻结壁按强度计算和按
3、变形计算的合理性。 本文对冻结软岩的力学特性、冻结壁厚度的计算及其厚度影响因素进行了系统的 分析和研究，为冻结软岩冻结壁厚度的优化设计、施工提供了理论依据，具有一定的 研究意义。 关 键 词：冻结软岩；冻结壁厚度；数值模拟 研究类型：应用研究 Subject ：Numerical Computation and Analysis of Thickness Design for the Deep Frozen Wall with Soft Rock Specialty ：Disaster Prevention and Mitigation Engineering Name ：Li Mi (Sig
4、nature) Instructor：Yang Gengshe (Signature) ABSTRACT With the rapid economic development and the increase in coal demand, mine construction develops to deep well direction step by step. However, due to the insufficient depth of deep soil mechanics,the Construction and design of freezing method for s
5、haft sinking are still many problems to be solved.And in recent years faced the freezing of the whole rock shaft , our country are more defective in theoretical research and practical experience of the frozen rock. Launching theoretical research on freezing method for soft slate shaft has some guida
6、nce on the actual project. This paper takes the Hu Jia river coal mine vertical shaft freezing project in Shanxi BingChang mining area as a background,on the basis of the representative test results of mechanical properties of frozen sandstone in the Hu Jia river coal mine area,we get test data abou
7、t temperature,Formation conditions,Moisture content and Lithology.By the research on physical and mechanical properties of deep and thick frezon rock,getting physical- mechanical propertiesphysical- mechanical parameter of soft rocks with different freezing temperature and different confining pressu
8、re.The article does analysis of the traditional calculation of the freeze well and discusses the applicability and limitations of the various formulas. Using Hu Jia river coal mine project we gets analytical solution by theoretical calculation for the frozen wall thickness. At last, considering the
9、characteristics of freezing temperature and the stress field about the deep forzen wall with high pressure, taking into account of the actual loads of the frozen wall, the author analyse the Hu Jia river coal mine thickness of soft rock frozen wall by numerical simulation.And comparing the thickness
10、 of forzen wall results by numerical simulation and formula. Thinking the effect of freezing temperature to frozen wall thickness deep and driving height of frozen rock,we determine a reasonable driving height of frozen rock and make sure the reasonable range of freezing temperature by way of Numeri
11、cal Computation.And we also does analysis frozen wall that calculated by intensity and deformation is reasonable by numerical calculation. This paper systematically study the mechanical properties of freezing- soft rock、 theoretical calculation for the frozen wall thickness and the factors of the fr
12、ozen wall thickness.It provids a theory evidence to the optimal design, construction and thickness of frozen wall and has a great significance . Keywords：Freezing soft rock Frozen wall thickness Numerical simulation Thesis ：Applied research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景、研究目的及意义 能源是国家经济的命脉，富煤、贫油、少气的能源结构使得煤炭成为
13、我国最主要、 最可靠、最安全、最经济的能源，在我国的一次能源生产和消费比例中，煤炭长期占 70%以上。 据预测,到 2020 年,我国煤炭产量将达到 28 亿吨,煤炭生产的缺口依旧很大 1。建设一批新的大型矿井,成为我国经济建设和发展的紧迫任务。 地处我国经济发达地区且地质条件好的煤田,绝大部分已得到充分开发,其中不少 煤田已经枯竭,需要开发深厚表土所覆盖下的煤田。山东、安徽、河南、河北等省以及 东北地区,已经探明深表土覆盖下的煤田储量 983 亿吨。但这些矿井大多都要穿过 400800m 的深厚表土层,在这种复杂的地质条件下,用常规的建井技术已经不可能,须 考虑采用特殊的凿井技术。冻结法凿井
14、是目前我国立井特殊施工的首选技术2。 人工冻冻结法凿井是我国目前开发深厚表土层覆盖下煤炭的首选建井技术。其特 点是在凿井之前， 在井筒周围用人工制冷的方法， 将含水的岩土层冻结成封闭的圆筒- 冻结壁，用以承受土压力并隔绝地下水的流入，使人们在冻结壁的保护下进行凿井工 作，待工程完工后使冻结壁自然解冻23 34。世界主要产煤国家把冻结法作为在深厚 冲积层和特大含水基岩中施工的一种安全、可靠、经济的方法加以推广，我国自1956 年首次在开滦林西风井应用冻结法凿井成功后，利用冻结法开凿的煤矿井筒数己达到 700多个，冻结总长超过150km，冻结深度为702m的郭屯副井的成功实施，标志着我 国已成为世
15、界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之一，已成为世界上应用冻结法 凿井最多的国家。冻结法凿井已经是在理论上和实践上比较成熟的特殊施工方法。特 别是近三十年来，冻结法凿井技术发展很快，除打钻、冻结，掘砌的设备和施工过程 的检测控制手段有较大的改进外，基础理论也得到不断的完善和提高。我国己基本具 备用冻结法建设表土层厚度在400m左右井筒的能力。 但是随着建井速度的加快和冻结深度的增加，在凿井过程中常有事故发生。2002 年，山东梁宝寺矿冻结法凿井，就出现了冻结管偏斜、裂，导致工程停工，并造成很 大的经济损失；2003 和今年 2004 年，在两淮地区张集北区副井在 280m、300m 出现 了
16、7 根冻结管断裂、 界沟煤矿的两个井筒的内排冻结管分别在 180m 和 200m 也发生 4 根冻结管断裂、涡北煤矿风井内排冻结管分别在 210m、280m、350m 深处相继出现了 11 根冻结管断裂。这些矿井的冻结管断裂有可能造成透水淹井事故，给工程带来了重 大的经济损失和延误工期。 事故发生的主要原因是因为在深层冲积层的冻结法施工中， 随着开挖表土层厚度的增大，冻结深度增加，地压加大，冻结壁径向变形量过大冻结 西安科技大学硕士学位论文 2 壁强度不够，而在工程中依然采用浅表层冻结法的设计参数和施工方法导致冻结管不 能承受冻结壁压力而断裂，进而井壁破裂漏水等事故屡屡发生。导致此事故的主要原 因是我们盲目的把浅表层土层的冻结法施工方法和理论直接应用于深厚冲积层冻结法 工程当中，没有考虑到深部土与浅部土的物理力学性质具有显著差异，直接采用浅表 土层设计参数对深厚冲积层冻结壁的设计是不
