立井基岩段混凝土井壁温度应力分析.pdf

第 1 5卷第 7期 2 0 0 6 年 7 月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo 1 ． 1 5，No ． 7 J u l y 2 0 0 6 立 井基岩段 混凝 土井壁 温度应 力分析 陆 军 ( 淮 南市政 工程 总公 司 淮 南 2 3 2 0 0 1 ) 摘要 ： 本文 的主要 目的是研究深立井混凝 土井壁 的温度应力 及温度应力对 井壁结构 优化设计 的重 要影响 。本文的研究从物理学 中的热 胀性 原理及 热传递 理论 人手 ，全 面考虑 了固体力学 中的热 弹性理 论 ，平面应变问题的求解方法 ，推论出 了求解温度应力的正确的解析公式 。所得 结果不仅 可用于煤矿立 井井壁稳定性分析 ，对深立井井壁结构的优化设计 同时具有重要的参考价值 。 关键词 ：立井混凝 土井壁基 岩段温度应力 中图分类号 ：T D 2 6 5 文献标识码 ： A 文章编号 ：1 0 0 4 —4 0 5 1( 2 0 0 6 )0 7 —0 0 7 7 —0 3 s I l a0 f 姗、 )I A I J 脚【瑚 L u J u n ( Hu a i n a n Mu n i c i p a l e n g i n e e r i n g Lt d ． Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ) Ab s t r a c t ：Th e ma i n p u r p o s e i s t o r e s e a r c h t e mp e r a t u r e s t r e s s o f t h e c o n c r e t e s h a f t i n r o c k p a r t o f d e e p s h a f t ，a n d t h e i mp o r t a n t i n f l u e n c e o f t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s t o t h e o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f s h a f t c o n s t r u c t i o n ． I n t h i s p a p e r ，a u t h o r ’ S r e s e a r c h s t a r t s f r o m t h e t h e r ma l e x p a n s i v i t y a n d t h e r ma l t r a n s mi s s i o n t h e o r y i n p h y s i c s ，t h e n u t i l i z e s t h e t h e r mo e l a s t i c t h e o r y i n me c h a n i c s o f e l a s t i c b o d i e s a n d t h e s o l u t i o n o f s t a t i c a l l y i n d e t e r mi n a t e s y s t e m i n me c h a n i c s o f ma t e r i a l s a s we l l a s t h e i n t e r a c t i o n p r i n c i p l e b e t we e n s o i l a n d e l a s t i c b o d y，f i n a l l y g e t s t h e c o r r e c t t h e r ma l s t r e s s a n a l y s i s f o r mu l a e o f s h a f t - wa l 1 ．Th e r e s e a r c h r e s u l t i s n o t o n l y u s e d t o t h e s t a b i l i t y a n a l y z e s o f s h a f t i n mi n e ，b u t a l s o u s e d a s t h e r e f e r e n c e o f t h e o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f s h a f t c o n s t r u c t i o n i n r o c k p a r t o f d e e p s h a f t ． Ke y wo r d s ：S h a f t Co n c r e t e s h a f t wa l l Ro c k p a r t Te mp e r a t u r e s t r e s s 1 引言 近年来 ，随着我国千米深井 的不断出现 ，深部 围岩中井壁被压裂的现象时有发生 ，深立井井壁结 构的设计问题作为一个重要课题 ，已经现实的摆在 了我们的面前。长期以来 ，在基岩段井壁结构 的设 计 中，一直将地压作为结构设计 的影响因素 ，实际 上是不完善的；对于煤矿的进风井 ，井壁的温度随 季节而变 ，因此 ，温度因素同样的应该考虑到井壁 结构的设计 中去 ；因此 ，将遗漏的因素补充入传统 的设计理论中 ，是 目前 十分 紧要 的一项研究工作。 本文的研究 ，正是基于这么一种状况展开的。 2 温 度应 力分 析 立井井壁中温度应力的产生，主要有两方面的 因素 ：井筒内、外壁温差产生 的温度应力，温度升 高，井筒径向膨胀受阻产生的温度应力 。 收稿 日期 ：2 0 0 6 一O 4 —2 7 作者简介 ：陆军 ( 1 9 6 4 一 ) 男 安徽淮 南人 安徽理 工大 学土 木工程专业毕业 曾在 《 中国矿业》等重点刊物发表论文多篇主 要研究 方向：立井井壁破裂预测及公路软基处 理现 为淮南市政工 程公 司总经理 2 ． 1 井筒 内、外壁温差产生的温度应力 基岩段井筒和表土段井筒在该方面具有很大的 区别 ，表土段井筒在温度升高的情况下 ，会沿纵向 发生伸长 ，而基岩段井筒因与围岩之间较好的咬合 作用 ，因此外井壁不可能发生纵向的膨胀伸长，即 外井壁在温度的作用下沿纵 向的线应变应为零 。 该问题实际上属固体力学中的静不定问题，因 此可以采用静不定问题 中，温度应力问题特定的求 解 方法 来处 理 。 首先 ，根据温度应力场理论 ，可知井筒 内各 点 的温 度应 力应 为 ： 一 U O [ _l n ] + 一D l n a ] l— d ， ． 一 ， 一 西 一 T o -T ~ E 11 U o l 0一l n ] + +D l n a ] 一 T o 一 琏r 一 --T o -T H E 1 U O一2 h 1 ] + l n a ] l— d r 一 维普资讯 7 8 中 国 矿 业 第1 5 卷 fe 一 去 [ 以 一 ( + ) ] + a ， 丁 I e 一 [ 一 ( 以 + ) ] + ， ． 丁 经 整理 可得 ： 一 [ 1 n b 一 2 a 2 ln 鲁 ] + 丁2 1 n 一 口 式 中 ， T— [ 1 n ( 鱼) ／ l n ( 鱼) ]+ [ 1 n ( 旦) ／ l n ( ) ] 将 e - ， 一6同基岩段井壁长度相乘 ，即可得外 井壁因内外壁温差作用下所发生的伸长量为： △ L 一 H ．E 2一 ： 二 2 1 n [ 1 一 ln 鲁 ] + H( 5 ) 如图 1 所示，△ L 应等于 △ L ，△ L 为保持基 岩段井筒在温度变化时，处于平面应变状态而假定 作用在基岩段井筒上端 的轴 向压力。根据轴 向拉压 虎克定律，△ L 可按下式计算 ： △LN 一 P L ( 6 ) 联立求解 ( 5 ) ， ( 6 )两式 ，从而可得 P值如 下 ： P 一 ln 詈 ]+ 棚‘H } 图 1 基岩段并筒温度应力分析图 进一步可求得基岩段井壁外表面因温度变化而 产生的竖向温度应力为 ： ，H ( T o— Tb ) 2 1 n鱼 口 一 l > I ] + a ， T b H l ( 8 ) 2 ． 2 井筒径 向膨胀受阻产生的温度应力 如图 2所示 ，随着温度升高，立井井壁除了会 发生纵向伸长外 ，同时还会发生径 向位移 ；由于壁 外为坚硬岩石 ，故在径 向位移的过程中，不可必免 的会受到轴对称径 向外压的作用 ；因此处仅考虑温 度影响 ，故不难理解井筒所受的径向外压沿轴向是 近似均匀分布的；此种情况下，井壁中径向及环向 应力均可由弹性理论。 中拉密的解答求出，即： r ， b 2 r z— n0 6 0 二 6 r 。 + 口 。 6 。 ( 9 ) 一 图 2 井壁径 向变形示意 图 因此种问题属平面应变问题 ，故 ，再由广义虎 克定律 即可求 出相应的竖向应力为 ： Z= ( ， + )一一 q 6 ( 1 o ) 式中，q 为井 筒受热膨胀过程 中承受 的来 自于围 岩的压力 它的求解需 考虑静不 定理论 、wi n — k l l e r 地基模型 及轴对称厚壁圆筒的弹性理论 。 如图 2 所示 ，1为井壁变形前 的位置，2代表不考 虑围岩阻碍情况下外井壁受热变形后 的位置，3表 示在温度及围岩共同作 用下外井壁 的最终平衡 位 置 。根据材料学中的静不定理论。 ，三者之间应存 在如下关 系： b e = S+ 6( 1 1 ) 上式 中的 可 由公式( 1 )及公式( 2 ) 中的 第二式求得 ，而 S及 可由 wi n k l l e r 地基模 型和 轴对称厚壁圆筒的弹性理论分别求出如下 ： E～ L — P— A 一 ) 2 维普资讯 第 7 期 陆 军 ：立井基岩段混凝土井壁温度应力分析 f s 一 警 l一 [ + ( 1 6 ] ( 1 2 ) 式中，是为基床系数 ，表示发生单位位移所产 生的反力，是仅与 围岩的性 质有关 ，MN／ m；S为 外井壁在温度及 围岩共 同作 用下产生的位移，m； 为外井壁在压力 q 作用下产生的径向位移，m。 2 ． 3 立井井壁温度应力总值 根据上述理论的分析及公 式 ( 8 )～ ( 1 0 )可 知，立井井壁温度应力总值应为： 一 t t a s~E ‘ Hn + c 5 2 -- 1 ) I n b r 一 n b 二 a s ．E ‘ -n 一 c 笋 + 1 ) ln ， E l 一 1 [ 1 一 2 1 b o n旦 一 n 3应 用举例 某矿副井，基岩段净直径等于 7 m，长度 L一 3 0 0 m，井壁厚度 5 0 0 mm，井壁混凝 土强度等级 一 3 0 MP a ， 一3 ． O MP a ；钢筋混凝 土体积密度 r 一2 5 0 0 k g ／ m。 ，弹性模量 E一2 5 ． 4 8 GP a ，泊松比 一0 ． 1 8 ，热膨胀 系数 a ， 一1 0 1 0 ℃ ，内井壁温 度 3 5 ℃，外井 壁 温度 2 2 ℃ ，基床 系数 是 一 4 0 1 0 ，求井壁温度应力 。 将上述数据分别代入公式 ( 1 1 )～ ( 1 3 ) ，最后 可得该井筒基岩段井筒内井壁处的温度应力如下 ： 李T 一 0 ． { 一 3 ． 8 5 3 9 MP a ． 一 毽 ． 9 6 1 3 MP a 4 结 论 从本文的理论分析和应用举例可看出，温度应 力是一个相当大的数值，这就是很多井筒破裂事故 发生在夏季 的原 因。对 于进风 井，井壁结 构设计 l n_ “ _h i+a s．T~．H r L 2 ／ 一 J b 2 _q 6 时，温度应力是一个必须考虑的因素 ，井壁结构设 计 中，安全系数的设定必须考虑温度应力。 I 参考文献 C 1 3 徐秉业 ， 刘信声．应用弹性力学 [ M] ．北京 ：清华大学出版 社 ，2 0 0 2 ．1 8 8 —1 9 0 ． C 2 3 经来旺．冻结壁融化阶段井壁破裂 因素分析及防破裂措施 研 究 [ J 3 ．工程力学 ，2 0 0 3 ，2 O ( 1 ) ：1 2 1 —1 2 6 ． C 3 3 L ． S ．S r i n a t h ，Ad v a n c e d Me c h a n i c s o f S o li d s[ M] ，Ta t a M c Gr a w- Hi l l Pu bl i s h i n g Co mp a n y Li mi t e d ， Ne w De l h i 。 1 9 8 0。 2 4 0— 3 6 0 ． C 4 3 刘鸿文．材料力学 [ M] ．北京 ：高 等教育 出版社 ，1 9 8 3 ，1 0 — 4 0．2 02 — 2 4 7 ． C 5 3 Ro b e r t M．Ke o r n e r ，Co n s t r u c t i o n a n d Ge o t e c h n i c a l Me t h o d s i n F o u n d a t i o n E n g i n e e r i n g[ M] ．Ne w Yo r k ：Mc Gr a w--Hi l l Bo o k Co mp a ny 。1 9 8 4 ．1 7 5—1 8 0 ． C 6 3 徐芝纶．弹性力学简明教程 ( 第三 版) [ M] ．北 京：高等教 育出版社 ， 2 0 0 2 ．3 5 —5 6 ． 加拿大顶级金融机构来华推介矿业融资 近 日，由中国矿业联合会和加拿大多伦多证券交易所联合举办的 “ 中国矿业企业赴加拿大上市融 资推介会”在北京举行 。包括多伦多证券交易所 、加拿大皇家银行、德勤加拿大公司等在 内的加拿大 投融资及服务机构登陆中国，为中国的广大矿业企业介绍在加上市的要求及策略，得到了矿业企业的 欢迎 。多伦多证券交易所副总裁 k e v a n c o wa n先生介绍说 ，多交所是世界领先的矿业交易集团，拥有 世界上最大的矿业投融资群体，全世界超过 6 O 的上市矿业公司被吸引到这里。其拥有涵盖勘探和 开采业务的大规模分析师团队，同时拥有世界上最佳 的勘探项 目融资渠道。特别是在石油天然气行 业 ，多交所具有国际竞争的优势。他表示 ，多伦多证券交易所尤其欢迎中国有关石油 、天然气 、矿 业 、化工等方面的中小型企业在该所上市融资 。 维普资讯