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摘要
21世纪以来，我国西部地区新建煤矿开采深度不断加大，且多数穿越白垩–侏罗纪深煤系地层。由于该地层多为砂岩、砾岩、砂质泥岩，具有泥质胶结、遇水砂化泥化、可注性差的特点，其含水基岩段立井井筒多采用冻结法施工。鉴于我国对该地区基岩冻结缺乏深入研究，冻结井筒设计仍参考东部地区选取井壁设计外荷载，造成井壁结构形式选取不合理，井壁厚度设计非厚即薄，安全性与经济性矛盾突出。因此，开展西部地区含水基岩段冻结立井外荷载形成机制研究，对科学设计该地区冻结井井壁，实现安全与经济的协调统一，具有重要的理论意义和应用价值。采用西部地区侏罗系直罗组含水层的中–粗砂岩岩样，通过XRD、NMR、SEM、岩石的铸体薄片测试与观察，分析了其矿物成分和微观孔隙结构；使用MTS 816型电液伺服岩石力学试验系统，开展了单轴和三轴压缩试验，获得了其力学特性，并基于三轴压缩试验结果，揭示了弱胶结砂岩变形机制；深入分析了白垩–侏罗系地层水文与工程地质特征，给出了其渗透率、弹性模量和泊松比等参数取值范围。深入分析了含水基岩冻结壁融化前后期间，冻结井内外层井壁受荷特征，基于共同作用原理，建立了井壁外荷载演化模型，得到了冻结立井施工过程中井壁与围岩应力以及井壁外荷载演化理论解，并据此计算分析了含水基岩冻结井外荷载形成过程；建立渗流–应力耦合模型，数值模拟了冻结立井施工过程中井壁与围岩应力以及井壁外荷载演化过程，并得到模型试验的验证。基于广义有效应力原理与渗流理论，构建了围岩与井壁共同作用下的单层井壁外荷载分析模型，给出了井壁外荷载解析解，通过与经典解和工程实测对比，验证了其正确性；结合西北地区富水围岩特性，讨论了实际工程中井壁外荷载的取值范围。研究表明，密贴状态下，井壁外侧水压折减系数β和围岩与井壁渗透率比值Kr/K c密切相关，且成正比关系；Kr/K c=10～100范围，在贴壁状态下，β计算值在0.422～0.879范围，β常见值在0.5～0.9范围；离壁状态下，β的极限值为1.0。贴壁状态下，井壁外荷载折减系数ω取值范围为0.496～0.963，ω常见值为0.5～0.9；离壁状态下，ω取值范围为0.520～1.0，常见值为0.5～1.0。在单层井壁外荷载解析与分析的基础上，建立了双层井壁外荷载解析模型，给出了贴壁式和离壁式井壁受力条件，获得了双层井壁外荷载的解析解，并在解析解的基础上通过影响因素分析，探讨了双层井壁外荷载形成机制。分析结果表明：当内壁渗透率与混凝土材料的渗透率一致时，内壁水压折减系数取值常见范围为0.233～0.6138；当外壁与围岩密贴状态时，其内壁外荷载折减系数取值范围为0.46～0.79；双层井壁内壁外水压和外荷载的常见取值均小于单层井壁。
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