摘要
煤炭一直是我国的主要能源，随着我国浅部矿产资源已濒临枯竭，必然要开发深部。在深厚表土地区开发地下资源，冻结法凿井技术是目前应用最为广泛和成功的技术。然而，在冻结法凿井施工中，冻结壁解冻阶段的井壁变形及破裂问题却长期存在，在新建更深立井的井壁安全稳定问题日益严峻。外荷载的复杂性和不确定性是影响深厚表土层中冻结壁解冻阶段井壁破裂事故的重要根源，其本质是冻结壁解冻过程中深部冻融土（冻土）-井壁结构相互作用，引起井壁结构受力变化而导致的井壁结构损伤。从可查文献来看，相对与矿井生产经营阶段井壁破裂或冻结壁本身强度、冻融过程等的研究相比，至今有关于此方面的研究还十分缺乏。因此，论文以深厚表土冻结法凿井为工程背景，通过实验室试验和数值模拟分析相结合的技术方法开展得到冻结壁解冻融沉对井壁产生竖向附加力的作用规律，主要研究内容与成果如下。 构建了冻融作用下井壁受力试验系统，该系统包括温控系统、测量与采集系统，可获得温度、试样表层纵向位移、井壁所受应力等试验数据，制定了冻融作用下井壁受力试验方法并进行了初步试验检验。 根据试验结果得到了井壁结构应力-冻融时间关系、土体表层位移-冻融时间关系、井壁结构应力-土体温度关系以及土体表层位移-土体温度关系等曲线，通过对试验结果的整合与分析，提出了实验室试验条件下的井壁融沉附加力与土体温度、埋深等因素的线性回归方程。 利用ABAQUS软件建立了与实验室试验相对应的数值计算分析模型，基于土体比热、潜热等热学参数不变的情况下，通过控制温度传导速率实现了土体内部的温度随计算步数的变化与实验室试验温度随时间变化的一致性，通过设定不同低温条件下土体的膨胀系数来模拟冻胀现象。数值模拟计算结果与实验室试验结果对比发现，数值模拟计算中土体表层位移和井壁在土体冻融作用下所受应力随温度的变化规律与实验室试验结果基本一致，这一方法为土体冻融作用井壁受力分析研究提供了依据。 基于某矿井井筒冻结施工条件建立了冻土融沉井壁附加力分析模型，通过开展冻融作用下井壁受力特性的计算分析，得到了深厚表土冻结壁解冻融沉作用产生的井壁附加力与井筒深度的关系，同时对实际工况中不同埋深的立井井壁受到的融沉附加力水平做出了预测。研究结果表明，冻结壁土体融化过程中井壁所受融沉附加力随温度的上升而增加，直到冻土完全融化趋于稳定，井壁所受到的融沉附加力随埋深增加而增大。
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