[發明專利]一種煤礦立井凍結鑿井過程模擬計算方法

有效

• 申請號: 202010162598.X
• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN111460703B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 楊更社;梁博;李剛;魏堯;劉方路;潘振興
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/11;G06F119/14
• 代理公司: 西安智萃知識產權代理有限公司 61221
• 代理人: 方力平

1.一種煤礦立井凍結鑿井過程模擬計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、巖石蠕變試驗：

對所要模擬的立井凍結壁取芯，加工成直徑50mm高100mm的圓柱型巖樣，開展不同溫度下巖石單軸蠕變試驗，獲得不同溫度狀態下巖樣蠕變應變隨時間的變化規律；

根據變化規律計算出不同溫度下巖石蠕變本構方程為：

其中：ε_cr為巖石等效蠕變應變，t為時間，σ為巖石等效應力，e為自然常數，T為溫度，C₁～C₇為通過實驗擬合得到的巖石參數；當不考慮溫度效應時參數C₄和C₇為零，該方程能夠模擬蠕變初始階段和二期蠕變階段；

步驟二、建立立井井筒鑿井模型，將步驟一得到的不同溫度狀態下蠕變本構方程嵌入有限元模擬軟件中，設置溫度的變化，控制時間，通過建立的模型模擬立井井筒鑿井全過程；

所述步驟二建立的立井井筒鑿井模型從中心向外依次包括井壁、凍結壁和未凍地層，并劃分網格；

所述步驟二建立的立井井筒鑿井模型尺寸由工程設計尺寸和現場測溫孔監測數據決定，即模型半徑取工程設計井筒開挖半徑的10倍，模型高度取工程設計開挖段高的10倍，井壁厚度取工程設計厚度，凍結壁厚度根據測溫孔溫度監測數據計算得出，具體計算如下：

E——凍結壁厚度，m；

E₁——凍結壁向測溫孔方向發展的厚度，m；

t——測溫孔實測溫度，℃；

t_c——鹽水溫度，℃；

t_d——巖體凍結溫度，℃；

r₁——凍結管的內半徑，m；

r——測溫孔中心至凍結管中心的距離，m；

巖土中水由液態轉變為固態的相變溫度稱為結冰溫度，在凍結壁周圍巖土的結冰溫度會隨著深度不斷增加和地壓不斷增大而提高，地壓表示為p＝γh，與深度又呈線性關系，因此凍結溫度為：

t_s——無外載條件下含鹽濕土結冰溫度，

η——有荷載作用時，不含鹽濕土結冰溫度隨外載的平均變化率，取-0.07℃/MPa～-0.08℃/MPa；

p——濕土所受外載荷，即MPa；

γ——含水土的容重，g/cm3；

h——凍結壁周圍巖土層深度，m；

根據測溫孔的溫度數據，結合公式(1)、(2)、(3)計算不同時刻各層位的凍結壁厚度。

2.如權利要求1所述的一種煤礦立井凍結鑿井過程模擬計算方法，其特征在于：所述步驟二建立的立井井筒鑿井模型，通過巖石和混凝土不同溫度下壓縮試驗，擬合確定井壁、凍結壁和未凍地層材料的參數。

3.如權利要求1所述的一種煤礦立井凍結鑿井過程模擬計算方法，其特征在于：所述步驟二建立的立井井筒鑿井模型，其模擬立井井筒的位置取實際開挖段高的十倍，然后計算荷載確定邊界條件。

4.如權利要求1所述的一種煤礦立井凍結鑿井過程模擬計算方法，其特征在于：所述步驟二模擬假設條件為：

1)鋼筋混凝土井壁和周圍原狀巖土均為均質，各向為同性的彈塑性材料；

2)下臥基巖為剛性體，不考慮下臥基巖的應力、應變問題；

3)不考慮凍結壁與井壁之間的凍融作用，凍結壁為均勻溫度場。

5.如權利要求1所述的一種煤礦立井凍結鑿井過程模擬計算方法，其特征在于：所述步驟二模擬立井井筒鑿井全過程包括模擬初始地應力狀態下圍巖受力變形、模擬鑿井開挖后，外層井壁砌筑前圍巖受力變形、模擬外層井壁砌筑后，內層井壁砌筑前圍巖受力變形、模擬內層井壁砌筑后，凍結壁解凍中圍巖受力變形以及模擬立井井筒工作期間圍巖受力變形。