[發(fā)明專利]一種煤礦立井凍結(jié)鑿井過程模擬計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010162598.X
• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN111460703B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊更社;梁博;李剛;魏堯;劉方路;潘振興
• 申請（專利權(quán)）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(chǎn)權(quán)代理有限公司 61221
• 代理人: 方力平

本發(fā)明屬于煤礦凍結(jié)法立井鑿井模擬技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種煤礦立井凍結(jié)鑿井過程模擬計算方法，其包括以下兩個步驟：一、巖石蠕變試驗，對所要模擬的立井凍結(jié)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(tài)下巖樣蠕變應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律，根據(jù)變化規(guī)律計算出不同溫度下巖石蠕變本構(gòu)方程；二、建立立井井筒鑿井模型，將步驟一得到的不同溫度狀態(tài)下蠕變本構(gòu)方程嵌入有限元模擬軟件中，設(shè)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。本方法根據(jù)凍結(jié)壁蠕變變形的實際影響，模擬計算凍結(jié)法鑿井各個施工階段地層圍壓的受力變形情況，計算結(jié)果可以指導實際指導施工。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于煤礦凍結(jié)法立井鑿井模擬技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種煤礦立井凍結(jié)鑿井過程模擬計算方法。

背景技術(shù)

在我國西北地區(qū)如陜西、甘肅、內(nèi)蒙古等省市煤炭開采中，多數(shù)煤礦立井井筒穿越深部白堊系、侏羅系等深厚富水軟巖層，因此采用立井凍結(jié)法進行鑿井是一種安全有效的施工方法。深部軟巖凍結(jié)鑿井中，凍結(jié)軟巖處于復雜的高應(yīng)力狀態(tài)，開挖卸載后，凍結(jié)壁的流變變形是其變形的重要組成部分，采用數(shù)值模擬方法是研究凍結(jié)壁流變變形的重要方法。

現(xiàn)行的凍結(jié)法立井鑿井施工的模擬方法，視凍結(jié)壁和井壁為彈塑性體，通過單元格的生死模擬立井的開挖和井壁支護，殺死開挖單元后，直接激活井壁單元，得到最終的狀態(tài)。僅考慮―簡單強度”，不考慮凍結(jié)壁蠕變變形的影響，忽略了考慮凍土強度隨時間延長而降低的問題。無法模擬從鑿井開挖至外層井壁砌筑前期間井筒的變化，也不能體現(xiàn)凍結(jié)壁與井壁之間的相互共同作用變形這一過程，同時無法模擬內(nèi)層井壁砌筑后，凍結(jié)壁解凍期間以及解凍后井筒的變化，導致最終模擬結(jié)果與實際情況存在一定的差異，影響后期施工。

有鑒于此，本發(fā)明人經(jīng)過多次實際探索研究特提出此發(fā)明，以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供一種煤礦立井凍結(jié)鑿井過程模擬計算方法，本方法主要考慮凍結(jié)法鑿井期間和使用期間溫度引起的變化，并將凍結(jié)法鑿井施工中凍結(jié)壁和井壁視為一種與時間相關(guān)的結(jié)構(gòu)體，因此采用模擬不同溫度下蠕變的方法，模擬不同施工階段下凍結(jié)壁和井壁的動態(tài)變化，從而達到模擬整個立井鑿井過程的目的。

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：巖石蠕變試驗

對所要模擬的立井凍結(jié)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(tài)下巖樣蠕變應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律；

根據(jù)變化規(guī)律計算出不同溫度下巖石蠕變本構(gòu)方程為：

其中：ε_cr為巖石等效蠕變應(yīng)變，t為時間，σ為巖石等效應(yīng)力，e為自然常數(shù)，T為溫度，C₁～C₇為通過實驗擬合得到的巖石參數(shù)；當不考慮溫度效應(yīng)時參數(shù)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(tài)下蠕變本構(gòu)方程嵌入有限元模擬軟件中，設(shè)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。

進一步的，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(jié)壁和未凍地層，并劃分網(wǎng)格。

進一步的，所述步驟二建立的立井井筒鑿井模型尺寸由工程設(shè)計尺寸和現(xiàn)場測溫孔監(jiān)測數(shù)據(jù)決定，即模型半徑取工程設(shè)計井筒開挖半徑的10倍，模型高度取工程設(shè)計開挖段高的10倍，井壁厚度取工程設(shè)計厚度，凍結(jié)壁厚度根據(jù)測溫孔溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)計算得出，具體計算如下：

E——凍結(jié)壁厚度，m；