（地质工程专业论文）立井井壁温度应力三维数值模拟分析.pdf

立井井壁温度应力三维数值模拟分析 摘要 自1 9 8 7 年以来，我国南黄淮地区的矿区，共有8 0 多个井筒发生井壁破裂。 近2 0 多年来研究者对井筒破裂机理进行了诸多研究，产生了许多观点和认识， 然而温度应力在井简破裂方面的研究比较少。甚至被忽略。应该加强温度应力 的研究，进一步明确温度应力在井壁破裂中所起的作用，这在理论和实践上均 具有一定的意义。 首先，论文结合热量传递的三种基本方式分析了井筒温度场。详细介绍了 强迫对流换热模型和热一应力耦合理论。接着，根据临涣矿区的地质环境和矿 区井筒破裂情况，以临涣矿副井为原型建立地质模型，分析并给出了矿区井壁 和地层物理力学参数、热力学参数以及矿区气温资料。在此基础上，综合考虑 井壁温度季节性变化、大气与并壁之间的对流换热和井壁与围岩之间的热传导 等因素，以临涣矿副井为原型，采用f l a c 3 d 软件，运用强迫对流一热传导模型 和m o h r c o u l o m b 本构模型，耦合模拟了立井井壁温度与季节性气温变化的对应 关系，进而分析了温度应力场分布的动态变化规律， 结果表明：( 1 ) 受气温季节性变化影响，井壁和壁后地层中温度和应力随 季节呈周期性变化，温度变化滞后效应明显，应力变化滞后约1 0 天。( 2 ) 基岩 风化带以上缝层井壁中由温度引起的附加应力以竖向应力为主，环向应力较小， 径向应力很小。最大主应力约等于竖向应力，与井筒轴向夹角为1 1 9 。1 4 2 5 0 。 进入基岩后环向应力逐渐增大，竖向应力略微回落；最大主应力受竖、环向 应力共同控制。与井筒轴向夹角增大至4 3 8 。4 9 5 。，( 3 ) 4 1 0 局在底含，风化 带与基岩交界面附近井壁中最大主应力相对集中，保持在一4 0 m p a 以上，其中6 8 月更是达到一7 0 m p a 以上。 关键词：临涣矿；立井井壁；f l a c 3 d ；数值模拟；温度应力；滞后效应 t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no f s h a f t w a l lt e m p e r a t u r es t r e s s a b s t r a c t s i n c e19 8 7 ，t h e r eh a sb e e nm o r et h a n8 0s h a f tw a l lr u p t u r e si nm i n i n ga r e ao f h u a n g h u a i ，s o u t hc h i n a d u r i n gt h i sn e a r l y2 0y e a r sm a n yr e s e a r c h e r sh a v eb e e n s t u d y i n go nt h es h a f tw a l lr u p t u r em e c h a n i s ma n dl o t so fp e r s p e c t i v e sa n d u n d e r s t a n d i n g sh a v ec o m ei n t ob e i n g h o w e v e rt e m p e r a t u r es t r e s ss t u d i e so ns h a f t w a l lw e r ev e r yl i m i t e d ，e v e ni g n o r e d w es h o u l ds t r e n g t h e n t e m p e r a t u r es t r e s s s t u d i e s 。a n dd e f i n ei t sr o l ei nt h es h a f tw a l lr u p t u r e t h e r ea r ec e r t a i ns i g n i f i c a n c e s i nb o t ht h e o r ya n dp r a c t i e e f i r s t ，s h a f tt e m p e r a t u r ef i e l di sa n a l y z e dc o m b i n i n gt h et h r e eb a s i cw a y so f h e a tt r a n s f a ra n dd e t a i l so nt h em o d e lo ff o r e e dc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ra n d t h e r m a l - s t r e s sc o u p l i n gt h e o r ya r eg i v e n w i t hl i n h u a na u x i l i a r ym i n es h a f t 勰t h e p r o t o t y p e ，ag e o l o g i c a lm o d e li sb u i l tb a s e do nt h eg e o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n d s h a f tw a l lr u p t u r e s t h e nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，t h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e r sa n dt e m p e r a t u r ed a t ao ft h es h a rw a l la n ds t r a t aa r ea n a l y z e da n dg i v e n c o n s i d e r i n gm a n yf a c t o r si n c l u d i n gs e a s o n a lt e m p e r a t u r ec h a n g e so ft h ea i r , c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f a rb e t w e e ns h a f tw a l la n da i ra n dh e a tc o n d u c t i o nb e t w e e n s h a f tw a l ia n dr o c k ，t h ef o r c e dc o n v e c t i o n - h e a tc o n d u c t i o nm o d e la n dt h e m o h r c o u l o m bc o n s t i t u t i v em o d e la r eu s a di nf l a c 3 dt os i m u l a t et h e c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n sb e t w e e nt h et e m p e r a t u r eo fs h a f tw a l la n dt h es e a s o n a l t e m p e r a t u r ec h a n g e sw h i c hr e a c h e dt h ed y n a m i cl a wo ft e m p e r a t u r e s t r e s s d i s t r i b u t i o ni ns h a f tw a l l t h ea b o v ew o r ks h o w st h a t ：( 1 ) t h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s si nt h es h a f tw a l l a n ds t r a t ac y c l i c a l l yc h a n g ew i t ht h es e a s o n sa f f c c , e db yt h es e a s o n a lt e m p e r a t u r e c h a n g e s h y s t e r e s i se f f e c to ft e m p e r a t u r ei sr e m a r k a b l ea n dt e m p e r a t u r es t r e s s d e l a y sa b o u t10d a y s ，( 2 ) a b o v et h em a n t l e r o c k ，t h ev e r t i c a lt e m p e r a t u r es t r e s si n t h es h a f ti sd o m i n a t i n g ，a n dt h et a n g e n t i a ls t r e s si sl e s s ，a n dt h er a d i a ls t r e s si s r e l a t i v e l yn e g l i g i b l e t h em a x i m u mp r i n c i p a l s t r e s s e q u a lt o v e r t i c a ls t r e s s a p p r o x i m a t e l y , w h i c hm a k e sa na n g l eo fa b o u t11 9 0t o1 4 2 5 。w i t ht h es h a f ta x i s u n d e rt h em a n t l e r o c k ，t h et a n g e n t i a ls t r e s si n c r e a s e sg r a d u a l l ya n dt h ev e r t i c a l s t r e s sg o e ss l i g h t l yd o w n t h e r e f o r et h em a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s sc o m e st ob e c o n t r o l l e db yt h ev e r t i c a la n dt a n g e n t i a ls t r e s st o g e t h e r , w h i c hm a k e st h ea n g l e i n e r e a s et oa b o u t4 3 8 。t o4 9 5 。w i t ht h es h a ra x i s ( 3 ) f r o ma p rt o0 c tt h e m a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s si nt h es h a f ti sr e l a t i v e l yc o n c e n t r a t e d m a i n t a i n e da b o v e 4 。o m p a ，w h i c hi sn e a rt h eb o t t o ma q u i f e ra n dt h ei n t e r f a c ew i 也t h em a n t l e r o c k a n dt h eb e d r o c k i ti sa b o v e 一7 0m p af r o mj u nt oa u g k e y w o r d s ：l i n h u a nm i n e ；s h a f tw a l l ；f l a c 3 d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； t e m p e r a t u r es t r e s s ：h y s t e r e s i se f f e c t 插图清单 图l l 海孜矿副井加固段压缩曲线5 图3 1 矿区交通图l l 图3 2 矿区地质构造图1 2 图3 3 临涣矿地层图1 4 图3 - 4 临涣矿区地层含水量随深度变化规律图1 5 图3 5 临涣矿多年平均气温分布图1 7 图4 1 三维计算模型1 8 图4 2 监测点布置示意图1 9 图4 3 模型初始化温度分布云图2 0 图4 5 冬、夏季温度分布云图2 1 图4 5 冬、夏季竖向应力云图2 l 图5 1 井壁和地层温度分布随时问变化图2 4 图5 - 2 井壁和地层竖向温度附加应力随时间变化图2 6 图5 - 3 井壁和地层环向温度附加应力随时间变化图2 8 图5 - 4 井壁和地层径向温度附加应力随时间变化图3 0 图5 5 并壁竖、环和径向温度应力比较图3 0 图5 - 6 夏季展大主应力分布云图3 1 图5 7 主应力张量图3 2 图5 8 并壁和地层最大主应力分布随时间变化图3 3 表格清单 表1 1 南黄淮地区部分破裂井壁破裂情况2 表3 1 临涣矿区地层工程地质层组1 3 表3 2 井壁和地层物理力学参数表t 4 表3 - 4 地层及井壁热力学参数1 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。 也不包含为获得 金蟹王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 瘴差 签字日期：1 肋7 年7 2 月) 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定有权保留井向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阅。本人授权金蟹王些盔芏可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 秕象 导师签名： 尚劬 签字日期：2 加7 年j 工, q 1 2 - 日签字日期：动d 1 年i z , 9 ) z 日 学位论文作者毕业后去向 1 作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 首先衷心感谢我的导师葛晓光教授在思想、学习、科研、生活等诸多方面 给我的莫大关心与帮助。在这几年来，葛老师渊博的知识、严谨的治学态度和 敬业的精神。使我受益匪浅，这都是我今后学习工作的永恒动力。本论文从选 题到收集资料、论文成稿都倾注了葛老师的心血；在此，谨向葛晓光老师表 示最诚挚的敬意! 感谢我的家人在糖神上和物质上给予我最坚强的支持，他们的爱我无法用 语言表达! 感谢所有曾经给予本人关心、支持和帮助的老师，感谢所有我的朋友和同 学们! 最后，忠心感谢各位专家在百忙之中对本论文的评阅l 由于作者水平有限 和时间的限制，文中难免有不足、疏漏甚至错误，恳请各位专家给予批评指正， 以便作者在今后的学习工作中进一步修正、完善。 作者：程鑫 2 0 0 7 年1 2 月2 日 第一章绪论 1 1 研究问题的提出 在目前中国的能源结构中，煤炭仍然占最主要部分，中国一次能源生产和 消费结构中，煤炭比重分别高达7 6 和6 8 9 ，是世界上煤炭比重最高的国家 ”j 。由于国家对煤炭资源的大量需求，使得煤矿的开采量仍然很大，而煤矿在 开采中会出现一系列的问题，其中立井变形破坏问题一直是威胁矿井正常生产 的问题。 我国南黄淮地区的淮北、大屯、徐州、兖州、济宁、永夏、淮南等矿区是 我国重要的煤炭基地，位于苏、鲁、豫、皖边界区域，北起鲁南，与江苏西北 和鲁南煤田相连，西从安徽萧县、砀山延入河南境内，东界限于郯庐断裂，南 至淮南与淮南矿区。此地区的第四系、第三系松散含水土层覆盖深厚，一般为 2 0 0 4 0 0 m 。据国内外煤矿建井及生产实践经验表明，在这种深厚土层覆盖矿 区进行建井及采矿活动时，常会发生如井筒冻结管断裂、地面采动沉陷、井下 突水等工程地质、水文地质灾害问题【2 】。然而自2 0 世纪8 0 年代中期以来，我 国黄淮地区连续出现了一种新的矿井地质灾害一井筒非采动破裂，即煤矿立井 在不受地下采动影响的条件下，井壁发生严重变形和破裂的现象。 南黄淮地区井壁破裂具有明显的几大特点： ( 1 ) 范围广：区域上，破裂井壁分布在南黄淮平原新生界松散层覆盖区。 包括皖北、苏北、鲁西南的两淮、大屯( 徐州) 、兖媵、永夏地区，呈南北向展 布p j ，且仍在继续发展：时间上，从1 9 8 7 年以后不断出现井筒破裂事故。 ( 2 ) 量多，损失大：迄今为止。已经发现井壁破裂变形的立井井筒达8 0 个 以上，对矿井的正常生产和安全提升运输危害极大，不少矿井( 如张双楼、海孜、 临涣等矿) 停产2 8 个月不等，各种停产、抢修所致的经济损失估计已达人民 币2 0 亿以上p j 。 ( 3 ) 再现性：一些井壁破裂后，虽经治理，但经过一段时问以后仍会出现 破裂现象，如临涣矿副井先后于1 9 8 7 年7 月和1 9 9 0 年8 1 0 月经历了2 次加 固【4 1 。 总之，煤矿井简破裂严重地威胁了矿井的安全和生产，给国家造成了重大 的损失，所以弄清井筒破裂的原因以及如何有效的防止和治理井壁破裂问题是 国家和煤炭部门共同关心的问题，也是值得继续研究的问题。 1 2 国内外研究现状 南黄淮地区井筒非采动破裂是一种新的地质灾害。国外只有对因采动造成 井筒破裂的情况，未有类似南黄淮矿区并筒非采动破裂的先例。 1 2 1 南黄淮地区井筒破裂概况 表l l南黄淮地区部分破裂井壁破裂情况 矿 井简 蝗t 时间 施工 井壁 蒿豢( ) 破裂状况 区 名称 破辜；! 时同 方式类型 张双楼8 3 6 冻结双层 2 4 2 9 5 井壁压裂r 局部摔块，渗水 主井 8 7 8 1 72 4 0 2 4 4 张双楼8 2 1 2 3 1 冻结预制 2 4 3 1 5井壁压裂掉块，钢筋弯曲，罐道粱扭 副井 8 7 7 2 92 2 9 3 2 3 0 6 曲，涌水量6 0 5 t h 徐 2 5 2 剥落区2 m x l 8 m x 8 0 m m ，管道扭曲移选 张双楼7 9 ，l l 钻井预制 南风井9 2 6 42 4 5 2 4 73 0 0 m m 州 张集主 7 3 6 冻结双层 1 0 5 3 内缩约l o o m m 铡筋弯曲 井1 9 8 il o l 1 0 2 6 张集刷 7 3 1 2 冻结双层 j 0 5 2 5 内缩约l o o m m 钢筋弯曲 井 1 9 8 l1 0 4 1 0 5 龙东主 8 3 3 冻结双层 2 1 2 混凝土剥落，原注紫孔出水( 井壁质量不 井 8 7 8 11 6 0 一2 4 6 9 好) 大 孔庄副7 5 2 冻结双层 1 5 6混凝土剥落，群化出水，梯子同壁扳 井 8 7 3 21 4 2 一1 4 5 弯曲 屯 孔庄风 7 5 7 冻结 双层 1 6 0 4多处破裂。掉块，环筋竖筋外露向井 井 8 7 81 5 l - 7 一1 5 5 8 壁内凸曲，梯子问壁扳弯曲 临涣删 7 9 3 2 5 冻结取层 2 3 9 1 环状片落，高2 m 潍2 5 0 r a m 钢筋凸曲 井 8 7 7 1 22 3 9 2 4 l 破裂处涌水l 曲井塔错位 临涣西 7 9 4 8 冻结双层 2 4 4 | 4 混凝土环状片落，深度2 0 0 m m 风井 9 3 72 2 7 2 5 0 r a m ，钢筋外露凸曲 海孜主 8 2 8 1 5 冻结复合 2 4 7 2 混凝土剥落，钢筋弯曲，多处淋水。出 井 8 8 1 0 62 1 1 7 2 1 9 7 现卡罐现象 海孜副 8 3 4 1 6 冻结 复台 2 4 7 2 4多处破裂瑷长裂缝7 5 m ，环筋嘬筋外 井8 7 9 ，2 l2 3 2 8 2 3 7 5露向并内凸曲，卡罐 海孜中 8 0 6 1 5 冻结 复合 2 4 5 混凝土呈圆状剥落，钢筋外露反弯剥 风井 8 8 6 22 2 6 8 2 3 6 5落段高3 m ，深2 5 0 r a m 淮 海孜西8 0 1 1 1 5 冻结复合 2 4 0 混凝土剥落深度2 ，o m m ，钢筋外露反弯 风井 8 9 5 92 3 1 - 5 2 3 7 5 且扭转。破裂处涌水钉t i l 北 2 3 0 4 童亭主 8 6 9 2 7 钻井 预制 井壁有掉皮 井 9 l _ 42 3 0 4 童亭副 8 3 1 2 9 钻并预制 2 3 0 5 井壁1 8 5 8 2 4 5 ，3 段破裂剥落严重。曩 井9 1 4 1 5 1 6 0 一2 7 0 大块为6 0 0 x 8 0 0 l o o m m 童亭风 8 2 3 2 6 冻结双层 2 2 5 3 裂缝 井9 1 42 4 0 芦岭主6 4 ，4 冻结 双层 2 0 3 4 深2 0 2 8 m 与2 0 9 5 处强大鞘落块度 井 盯8 2 82 0 2 5 2 0 9 53 0 0 0 1 1 5 0 1 5 0 r a m ，白两面出水点 芦峙 6 4 3 1 7 冻结双层 2 3 0 6 破裂高度达2 0 m 摊度2 0 0 n u n 3 2 0 m m ， 副井 8 7 6 3 02 1 2 1连续破裂强大弧长8 m 2 续表1 1 井筒 竣工时同 施工井壁类 纛豢( m ) 破裂状况 区矿 名称破裂时同方式型 淮 前岭北7 8 1 2 冻结双层 ! 皇：三 剥落高度约i m ，深度8 0 r a m 钢 北 风井 8 7 1 01 1 2 6 一1 1 3 9 筋露出内弯 潘三西 8 4 1 1 6 钻井预制 4 4 0 8 2 井壁钢板出现鼓包，鼓出高 风井 8 8 8 74 4 4 4 4 4 1 9| 8 0 m m 淮 潘一东 9 1 1 11 4 冻结复合 2 9 2 4 6 井壁面炸皮最大开裂宽1 3 m 南 风井9 2 ，7 2 7 2 9 2 4 6 深1 0 0 m m 露筋，局部有渗水 孔集风7 57 ! ! 鱼：1 不规则、不连续块状脱落 井8 7 ，s1 5 1 o 一1 5 5 ，s 鲍店剐 7 9 1 1 2 6 冻结双层 1 4 8 6楔形剥落最大面积2 m ：罐遭 井 9 5 6 51 2 6 9 扭曲水管、风管成s 形 鲍店主 7 9 5 1 4 冻结双层 ! ! ! ：塑 环状开裂剥落詹大深度1 5 0 m ， 井9 5 7 1 2 1 3 6 一j 4 4 罐道扭曲变形 鲍店北7 9 1 0 2 l 冻结双层 2 0 2 5 6 环状开裂，s e 向屉严重，破坏带 高i s i n 深0 7 m l m ，钢筋裸 风井 9 6 8 21 6 8 4 ，1 8 0 2 0 4 露 鲍店南7 9 8 ，i 冻结双层 ! ! ! ：丝 环状开裂，破坏带高i s m ，深 风井 9 6 8 91 5 8 i 1 5 9 35 0 m m 7 0 m m 有渗水 兴隆庄 7 6 8 冻结双层 1 8 3 9 环状开裂，剥落深度i o o m m 西风井 9 5 1 0面i 丽2 0 0 m m ，钢筋外露。涌水量3 7 一，h 兴隆庄 7 7 5 _ 3 0 ! ! ! ：箜 近水平环状开裂，片状剥落偶 冻结双层 兖 1 5 7 1 8 0 见钢筋外露裂缝涌水量2 8 m 3 1 1 东风井 9 7 6 7 兴隆庄 7 7 8 ，1 3 冻结双层 1 8 9 3 l 罐道扭曲变形。在1 5 0 r e 、l 明m 深度各肯撵皮面积2 5 0 主井 9 7 6 2 31 5 0 , 1 纠 2 5 0 r a m 2 州 1 9 0 4 1兴隆庄 7 8 9 冻结双层罐道被压实 副) f 9 7 6 2 6 1 5 4 , 2 0 0 杨村主 8 4 ，1 2 冻结 双层 1 8 5 4 2水平环状开裂，钢筋锞蓐，裂缝 井 9 7 2 2 91 7 & 1 9 6涌水量0 2 m h 杨村北8 4 1 0 3 l 冻结双层 1 7 3 4水平环状开裂，混凝士剥落，钢 风井 9 7 2 41 7 9 6 ，1 5 0 ，1 5 6 6筋裸露，有涌水量 w n 部剥落涌水1 4 m h ；1 9 9 6 横河主 冻结双层 ! 兰! ：! 1 1 9 9 7 年加嗣段以下又破涌水1 4 井 9 3 5 1 2 5 ，1 3 9 ，1 2 7 m ；加周后1 9 9 8 年4 月在1 2 7 m 处环形破坏。涌水l o m h 横河 冻结双层 1 4 4 1 3 环状开裂，破坏带高1 ，m 2 m 剥落深度i o o m m 2 0 0 m m ，钢筋 附井 9 3 5 1 3 7 。1 4 0 弯曲；并再次破裂 据葛晓光( 2 0 0 2 ) 南黄淮地区从1 9 8 7 年开始不断发现井筒破裂现象，迄今为止已有8 0 多个 井筒出现破裂。许多人对井筒破裂作过了大量调查，现将南黄淮地区部分破裂 井壁破裂情况列于表1 1 【3 1 。 破裂井简的主要特点可概括如下： ( 1 ) 破裂位置相同：均位于厚表土层中，破裂处多在表土层与基岩交界面 附近，距地面1 0 0 2 5 0 m 。 ( 2 ) 水位有下降：破裂处井壁的表土层底部含水层直接覆盖在煤系地层之 上，。与煤系地层水力联系明显，含水层含水丰富但补剂不足，矿区自建井后。 水位均有明显下降，一般在3 0 9 0 m 5 】： ( 3 ) 井筒内装备变化异常：罐道梁弯曲。罐道、排水管等弯曲甚至扭曲变形 造成卡罐事故，井筒内壁的混凝土剥落，内侧纵向钢筋向井内弯曲，井壁出现 横向或近水平的裂隙，裂隙带高度为1 l o r e 。 ( 4 ) 破裂时段集中p j ：井壁破裂多发生在1 9 8 7 年夏季及以后的每年4 1 0 月。 1 2 2 井筒破裂机理研究进展 我国自南黄淮地区发生大范围的井壁破裂事故后，众多学者对井壁破裂的 机理进行了多年的研究。产生了诸多学说，归纳起来主要有如下几种： ( 1 ) 并壁竖直附加应力说【6 4 l ： 众多学者将失水沉降与井筒破裂联系起来，认为南黄淮地区的深部土体在 失水变形后产生的沉降机理有别于潜部土层失水变形机理。南黄淮地区深部土 体是指基岩风化带的厚表土底部含水层( 常称底含) 和其上的隔水层( 常称三隔 或中隔) ，埋深一般在2 0 0 m 以下。这种深部土体在底含失水以后，其变形机理 与上海等地潜部抽水引起的土体变形机理是不同的。产生压缩的土体主要是底 含本身，而不是底含上的第三隔水粘土层。通常的认识是：底部含水层的水位 因开采或取水活动而下降，底含失水产生固结压缩从而引起上覆土体相对井壁 向下位移，从而对井壁外表面产生向下的竖直附加力。导致井壁纵向应力的增 加，在超过井壁承受的极限数值时导致井壁破裂。 ( 2 ) 新构造运动说： 由于井壁破裂灾害发生的时间和地区相对集中，文献 1 5 】认为黄淮地区新 构造运动确有表现，并与断层、地震和地应力有生成关系。显示了地应力变化 与井壁损坏发生时间的同步性、影响地点的对应性、受力方向的一致性和破坏 部位的相关性，并支持井壁破裂的主要是水平力所致。但是，这种观点在具体 分析时，还缺乏有力的证据。 ( 3 ) 覆盖层底部机械潜蚀： 文献 1 6 】研究了一些破裂井筒的水文地质条件和开采涌水情况，认为由于 采煤使厚松散覆盖层底含水泄入矿井，在底含及基岩风化带内产生较强的动水 4 压力和渗流变形。渗流变形特别是机械潜蚀改变了井筒的工程地质环境，产生 不均匀地压，进而造成井壁破坏。 ( 4 ) 井壁施工质量说 3 , 17 】： 该观点认为施工质量差是造成井壁破损的主要原因。在相同应力作用下， 施工质量差的井壁，其强度也低，井壁易发生破裂，如大屯的龙东主井就是一 例。不过也发现许多强度高、质量优的井壁都发生了破坏，还发现个别质量不 高的井壁迄今无恙的例子，说明施工治理的优劣与井壁破裂与否并不直接对应， 尤其许多井筒经多次加固仍产生重复破裂，说明另有原因。而且，若突出这一 观点，会得到我国质量低劣井壁统统集中在南黄淮地区的荒唐推论，与事实不 符。因此，近年来，一般不再单纯提旌工质量观点，只是在分析具体案伊j 时作 为一项考察因素。 ( 5 ) 矿山振动说： 煤矿的开掘活动离不开矿山爆破、煤岩运输、机械运转等采矿活动，可以 认为整个采矿活动都伴随着大量地震波的产生，矿山振动是立井结构振动的扰 力【1 引。 ( 6 】温度附加应力说【3 , 1 9 - 2 3 】 从破裂井筒的统计资科可以看出，各矿井井筒破裂多发于每年的4 1 0 月 份，以7 8 月份居多，井筒的变形或应力变化也发现了年度周期性( 见图卜1 ) 3 , 1 9 j ，因此不少研究者开始从温度因素着手来进一步解释井壁破裂的原因 7 , 2 0 】。 对于煤矿的进风井，井壁温度随季节性气温而变化，从而产生温度附加应力， 温度在矿井立井变形和破裂中具有特殊作用。 图i - i海孜矿副井加固段压缩曲线i l f i g 1 1c o m p r e s s i o nc u r v eo fr e i n f o r c e m e n ts e g m e n to fh a i z is h a f t l 3 j 5 影响井筒温度场的因素很多，如大气温度、地层( 或地下水) 的温度，空气、 井壁材料及围岩的传热参数，通过井筒的风速，井壁内部结构和尺寸等1 2 1 。由 于井筒较深，阳光通过辐射传递给井壁的热量可忽略，那么大气与井筒和围岩 之间的传熟过程主要是由大气与井壁之间的对流换热过程和井壁内部以及井壁 与围岩之间的导热过程组成。 对于井壁中的温度应力，目前的研究并不是很多，主要的有： 研究1 ：李炜( 1 9 9 8 ) 根据弹性力学理论，分析了井壁结构中的温度应力，给 出了算例【2 ”。计算出当内外壁温差t = 2 0 c 时，井壁内缘温度应力为0 0 = 心= 3 5 7 m p a 。分析中有如下假设条件： 1 ) 将整个井壁外围地层视为均质体，取相同的弹性模量和泊松比。 2 ) 假设立井内壁和外壁的温差为2 0 。 以上两条假设与实际情况是有较大偏差的。这是因为：1 ) 井壁外围地层的 参数各不相同，各个地层的弹模、泊松比、含水量、比热等参数的不同会给井 壁中温度应力的分布产生很大的影响。2 ) 立井内壁和外壁的温度是随着季节动 态变化的，不同季节的内外壁温差不同实际情况是，立井内壁的温度是由立 井内大气与井壁之间的对流换热决定的，而立井外壁的温度是由井壁与围岩之 间的热传导决定的，且受地热梯度的影响。 研究2 ：陆军( 2 0 0 6 ) 根据固体力学的热弹性理论，用平面应变问题的求解方 法，推论出了井壁温度应力的解析公式1 2 2 1 。给出内外壁温差t = 3 5 c 时，立井 内壁处的温度应力为：0 7 = 0 ，o 0 = 3 8 5 3 9 m p a ，0 2 = 8 9 6 1 3 m p a 。 分析中所用假设条件与李炜分析一样，存在一些与实际不符的假定，如将 整个井壁外围地层视为均质体，取相同的弹性模量和泊松比和直接假设立井内 壁和外壁的温差为3 5 等，因而得出的解有较大的局限性。 综上所述，现有的对井壁温度应力的研究存在如下不足的地方： 1 ) 没有反映不同地层参数的不同； 2 ) 直接假定立井内壁和外壁的温度，没有考虑立井内壁和外壁的温度是随 着季节性动态变化的： 3 ) 没有考虑立井内壁的温度是由立井内大气与井壁之间的强迫对流换热 决定的； 4 ) 没有考虑立井外壁的湿度是由井壁与围岩之同的热传导决定的，且受地 热梯度的影响； 5 ) 推导出的解析公式，只能计算出一个井壁总体温度应力值，无法具体分 析温度应力在井壁中的分布情况。 1 3 研究的目的和意义 南黄淮地区煤矿井简的破裂，严重地威胁了矿井的安全和生产。给国家造 6 成了重大的损失，弄清井筒破裂的原因以及如何有效的防止和治理井壁破裂问 题是国家和煤炭部门共同关心的问题，也是非常值得研究的问题。 鉴于目前温度应力与井壁破裂的关系研究不足，而且至今为止还没有研究 者考虑过气温的季节性交化对井壁温度应力的动态影响。本文采用岩土工程专 业大型非线性计算软件f l a c 加，模拟立井井壁温度的季节变化，分析井壁内 温度附加应力场分布的动态变化规律。所得结果不仅可用于煤矿立井井壁稳定 性分析，对深井立井井壁结构的优化设计同时具有重要的参考价值。由此可见， 选取本课题进行研究。既具有一定的理论意思，又具有实际应用价值。 1 4 研究的方法和内容 本论文以临涣矿副井为原型，依据矿区实测气象资料，采用f l a c 3 d 软件， 运用强迫对流热传导模型和m o h r c o u l o m b 本构模型。模拟立井井壁温度与季 节性气温变化的对应关系，进而分析了温度应力场分布的动念变化规律。 本文研究的主要内容有： ( 1 ) 结合热量传递的三种基本方式分析了井筒温度场，详细介绍了强迫对 流换热模型和热一应力耦合理论。 ( 2 ) 根据临涣矿区的地质环境和矿区井筒破裂情况，以临涣矿副井为原型 建立地质模型，分析并给出了矿区井壁和地层物理力学参数、热力学参数以及 矿区气温资料。 ( 3 ) 综合考虑井壁温度季节性变化，大气与井壁之间的对流换热和井壁与 围岩之间的热传导等因素，采用f l a c 加软件，运用强迫对流热一传导模型和 m o h r c o u l o m b 本构模型，耦合模拟立井井壁温度与季节性气温变化的对应关 系。 ( 4 ) 分析模拟结果，得出井壁与地层中温度和温度应力具有滞后性等结论。 7 第二章温度场分析理论 本次模拟计算考虑了井壁与围岩之间的热传导和大气与井壁之间的对流换 热，耦合计算井壁和地层的温度应力。因此，下文结合热量传递的三种基本方 式分析了井筒温度场，详细介绍了强迫对流换热模型和热一应力耦合理论。 2 1 传热与井筒温度场 只要有温差，热量就会自发地从高温物体传到低温。传热的基本形式只有 三种，即：热传导、热对流和热辐射。现根据这三种基本方式对井筒温度场分 析如下： 2 1 1 热传导 热传导是指当物体内具有温差或者不同温度的物体相互接触时，通过物质 微观分子的热运动而进行的热量传递【5 4 l 。井壁和地层中及井壁与地层之间的热 量传递就是以热传导的方式进行的。根据对地温地质的研究【7 1 ，地壳浅部的地 温分带，由上而下分为变温带、恒温带、增温带。变温带是指地壳最上部，主 要受太阳辐射影响，温度发生周期性变化的层带；日变温带深度仅l 2 m ，年 变温带可达1 5 2 0 m 。恒温带是指在变温带之下，太阳辐射热与地球内热相互 作用达到平衡，温度常年不变的层带；徐淮地区的恒温带一般在2 0 3 0 m ，温 度在1 6 1 7 。增温带是指恒温带之下，主要受地球内热控制，温度随深度 增加而增高的层带；华北地区平均地温梯度在2 一3 1 0 0 m 。 根据文献 2 6 1 热传导平衡方程的微分表达式的形式为： a 声 一g + 叮，= = ( 2 - 1 ) 研 式中：q i 为热流矢量，w m 2 ；g ，为单位体积热源密度。w ，m 3 ；白为单元体积内 的储备热能；w m 3 。而且温度与热流间满足能量平衡方程： a 个 一玑+ q ，= p c , i i , , g ( 2 2 ) 研 式中：p 为材料密度，k g m 3 ；g 为比热，j k g c ；t 为温度，。还假定热流 矢量和温度梯度符合f o u r i e r 定律： q ，= - k g r a d t( 2 - 3 ) 式中：k 为导热系数，g r a d t 为温度梯度。 2 1 2 热对流 固体表面与在其上通过的流体间的能量传递过程被称为对流换热。按照流 体的流动的原因，对流换热可分为自然对流和强迫对流。凡由流体各部分冷热 不同，致使各部分密度不同而引起的流动称为自然对流；凡受外力( 风力、泵或 风机的作用力) 影响而引起的流体流动称为强迫对流【4 5 】。本文所讨论的流体即 为空气，而大气与并壁之间的对流换热即为强迫对流换热。 8 根据文献 5 1 】，对流换热的基本计算公式为牛顿冷却公式： q = 柚，( 2 - 4 ) 式中：q 为对流换热热量，w m 2 ；矗为对流换热系数，w m 2 ；a 为与空气相接 触的壁面换热面积，m 2 ；a t 为空气与壁面之间的温差，。 2 1 3 热辐射 热辐射是指物体内的内能转化为电磁波的形式向外发射的热量传递过程。 它是不接触的传热方式，不依赖于中间介质的媒介作用l 。热辐射满足黑体辐 射基本定律，温度越高，辐射能量越强。因为井筒较深，阳光通过辐射传递给 井壁的热量可忽略不计，所以本次模拟中没有用到热辐射模型。 大气和地表之间的热传导很复杂，受风速和太阳辐射的影响很大。根据文 献 4 7 】，本次模拟假定地表温度等于大气温度，取地表以下2 0 m 为恒温带，温 度在1 6 5 。增温带地热梯度取2 5 1 1 0 0 m 。 2 2 强迫对流换热 根据文献 4 8 】可知临涣矿副井为进风井且风速稳定，所以本次模拟计算中 选取强迫对流换热模型来模拟大气与井壁之间的对流换热。依据混凝土受迫对 流换热系数的实验结果1 4 郛，求出强迫对流换热系数h 2 2 1 对流换热系数 前面介绍基本传热方式时，已经给出了牛顿冷却公式。它的实质是把影响 对流换热的一切复杂因素和困难都归结到对流换热系数h 上来，因此解决对流换 热问题归根结底在于确定对流换热系数h 。影响流换热系数的因素很多，它不仅 取决于流体的物性以及换热表面的形状、大小和布置方法，而且还受流速的影 响1 5 1 1 。 研究表明，影响对流换热系数的诸多因素都是建立在壁面上的边界层所决 定的。边界层是指贴近固壁附近的一部分流动区域，在这部分区域中，速度由 固壁处的零速度发展到接近来流的速度，一般定义为在边界处的流速达到来流 流速的9 9 。在这部分区域中，由于厚度很小，故速度急剧变化速度梯度很 大，流体的粘性效应也主要体现在这一区域中【5 ”。 目前，确定对流换热系数h 的途径有两个：理论解法和实验解法。由于理论 解法只能解决一些简单的对流换热问题，而实验解法目前仍然作为一种主要和 可靠的方法。本次模拟时所用井壁混凝土表面对流换熟系数，就是根据混凝土 强迫对流换热系数的实验结果得来的【4 卯。 2 2 2 强迫对流换热 空气流入立井井筒内，在井壁周围形成边界层，并且边界层逐渐增厚，最 后在井筒的中心处汇合。由于临涣矿副井为进风井，风流速度是1 5 m s 【4 ”，空 9 气平均流速下的雷诺数较小，流动为层流，可以判定立井井筒内空气流动符合 强迫对流换热条件。根据混凝土强迫对流换熟系数的实验结果【4 甜，立井内混凝 土表面的对流换热系数可取常数8 7 w m 2 本次模拟计算中。设置井口处风温等于大气温度，使空气与井壁之间进行 强迫对流换热。根据后文中具体模拟时对立井内壁温度的监测可知，并筒内风 温和立井内壁的温度呈现从井口到井底逐渐增大趋势，井筒每延伸1 0 0 m ，立井 内壁温度增高约0 6 0 8 ，这跟文献【4 8 】中实测井筒风流温度变化是相符合 的。 2 3 热一应力耦合 2 3 1 温度应力的概念 众所周知：温度的变化能够引起材料变形，称为热变形热胀冷缩是人们 所共知的自然现象，是热变形的例子。但是单有温度的变化，不一定在物体内 产生应力，只有当温度变化所引起的膨胀或收缩受到约束时，才会在物体内产 生应力，称为热应力或温度应力。这是一种非外力作用所引起的应力，导致热 应力的根本原因是温度变化与约束作用【27 1 。 2 3 2 热一应力耦合 在解决热一应力问题中，需要重新计算应力应变总量的关系，这是因为总 的应变总量中有一部分是由于温度的改变而引起的。温度场变化在各向同性材 料中不产生剪切应变增量，只产生体积应变增量。温度增量a t 与体积应变增量 彳之间关系为【2 5 】： 厶e ，= q z 玩 ( 2 5 ) 式中：a ，为线性热膨胀系数，l ；j j ，为克罗内克尔( k r o n e c k e r ) 符号。 2 3 3 边界条件和初始状态 本次计算就是采用f l a c 3 d 运用强迫对流热传导模型耦合模拟气温的季节 性变化对井壁和地层湿度应力的影响。根据文献【2 6 】，初始条件对应于已知的 温度场，而边界条件通常由温度和边界上法线热通量来说明。这里共考虑四种 边界条件，分别是：( 1 ) 已知温度；( 2 ) 已知边界法线热通量矢量；( 3 ) 对流边 界；( 4 ) 绝热边界。 对于对流边界，可以表示为： q n = p z ) ( 2 - 6 ) 式中：“为边界上外法线方向上的边界法向热通量矢量，w m 2 ： 为对流热传 导系数，w m