横向均布荷载下煤矿井壁结构模型试验研究

为解决600 m以上巨厚表土冲积层中冻结法凿井所面临的井壁结构安全性问题,根据前期井壁受力监测与分析结果,提出高强高性能钢筋混凝土复合井壁技术。设计并完成9组正交模型试验,采用横向均布油压逐级加载的方式模拟水平地压作用,研究响应条件下井壁应力特性、强度特征及破坏机理,给出井壁极限承载力经验公式和强度准则。结果表明,复合井壁结构的安全系数高,横向均布荷载作用下承载力大,混凝土强度等级每提高10 MPa,井壁承载力响应提高20.19%。同时计算表明,井壁强度准则比同类准则更精确,误差范围不超过6.5%。     

地面注浆控制井壁破裂变形的理论与实践

阐述地面注浆控制井壁破裂变形的机理,并就具体工程进行分析。根据对井壁混凝土应变、地表变形、注浆帷幕测试结果,注浆前、第一阶段注浆、第二阶段注浆、注浆后的4个阶段内,井壁竖向附加应变分别经历了增加100με、缓释200με、再缓释200με、最终缓释200με的变化过程。与此同时,工业广场地表经历了抬升(对应与第一阶段注浆)、稳定(对应于间歇期)、再抬升(对应于第二阶段注浆)和稍降(对应于注浆后)的过程,地面最终抬升约稳定在70~80mm之间。利用高频应力波检测注浆体,笔者认为注浆帷幕交圈闭合较好,平均厚度近7.6m。研究表明,地面注浆加固能有效地改善井壁的受力状态,对井壁既有应变有显著缓释作用,对矿井疏排水造成的井壁附加应变的增长有明显抑制作用,从而起到维护井筒安全的作用。     

用于预应力筋长期实时应力监测的光纤传感测试技术研究

预应力筋是预应力混凝土结构中的关键受力构件,对其应力状态的监测具有重大意义。针对传统测试方法难以有效解决其应力分布测试问题的现状,提出基于光纤布拉格光栅传感测试技术的预应力筋长期实时应力监测方法。设计模拟张拉装置,并构建预应力钢筋的光纤光栅应变测试系统,进行模拟试验研究,其试验结果表明,该测试系统适合于预应力筋的工作环境,具有线性度高、重复性好,且不影响基体性能的特点。此外,针对预应力钢绞线的特殊结构和工作特点,提出具有温度补偿能力的锚端光纤布拉格光栅应力传感测试方案,并进行理论分析。研究结果验证了光纤光栅传感技术用于预应力筋应力测试的可行性,并为其实际工程应用奠定了基础。     

轴压水压下井壁混凝土强度准则与承载力研究

为解决含水基岩段井壁结构设计安全性问题,基于相似模型理论,将混凝土强度等级、厚径比、配筋率作为井壁承载力的影响因素,设计并完成9组模型试验。采用轴压水压逐级加载方式,研究相应条件下井壁混凝土应力应变特性、破坏特征与机制,建立井壁混凝土强度准则及其结构承载力计算公式。结果表明:井壁大致呈压剪破坏状态,井壁混凝土应力内侧大外侧小;获得的强度准则与现行矿井设计准则相比验算精度更高,偏差范围为-6. 00%～6. 94%;随着混凝土强度等级提高,井壁承载力呈线性增加趋势,平均每提高10 MPa,承载力增加11. 04%,而提高配筋率对井壁承载力影响极其微弱,且不利于控制造价。     

井筒安全监测报警系统

由山东科技大学研制的井筒安全监测报警系统具有井壁、罐道病态报警的功能，可以对立井井筒实施全深度、多水平、多测点、多参数的长期连续监测，已在徐州、兖州矿区4个井筒的安全监控和破裂井壁治理中发挥了重要的作用，取得了明显的经济效益和安全效益。     

立井井壁破坏应力研究

应用利用弹性理论、温度应力场理论、热胀冷缩原理 ,对立井井壁破坏应力进行了较为精确的受力分析 ,给出了立井井壁应力分布规律的解析式。在整个理论的分析过程中 ,笔者着重分析了井壁应力中负摩擦力的影响 ,对负摩擦力引起的井壁应力进行了较为细致的计算 ,并通过具体算例进行了说明。笔者研究的结果 ,为井壁设计的理论提供了新的依据 ,同时对煤矿设计及煤矿工程应用有重要实用价值。     

黏土地层联络通道冻结壁厚度优化设计及应用研究*

为解决传统冻结壁设计方法不能真实、合理地反映黏土地层中联络通道冻结壁实际受力情况，进而导致冻结壁厚度设计过于保守的问题，结合黏土地层直墙拱形冻结壁实际受力特点，基于对冻结壁支护压力的合理计算，提出1种适用于黏土地层冻结壁厚度设计的优化方法。结果表明:与传统设计方法相比，该方法所确定冻结壁支护压力与实际施工环境中冻结壁受力状态吻合效果更好，并且能够提供合理的安全储备；经数值计算和现场应用验证，计算所得冻结壁设计方案可以满足施工环境中的承载力及变形稳定性要求；且相较传统设计方案，所得方案兼具安全性与经济性，可有效规避因设计过于保守和冻结周期过长引起的冻胀、融沉变形过大等工程灾害的风险；该方法高效、易行，可为传统冻结壁设计方法提供必要补充，亦可为类似工程的施工设计提供有益参考。     

严寒地区某斜拉桥冬季混凝土箱梁温度梯度试验研究

为了揭示严寒地区冬季温度梯度对混凝土箱梁的影响,笔者对绥芬河斜拉桥箱梁的初期运营阶段进行了全天候的温度测试。从理论和试验两个方面,验证并揭示温度是如何传递并影响箱形梁的,进而明确热传导、热对流、热辐射分别对箱梁的影响程度。为严寒地区混凝土斜拉桥设计时温度荷载的确定提供参考,也为以后箱梁温度梯度监测时间的确定建立科学依据。试验发现负温度梯度明显存在、实测温度梯度较小,满足中美两国规范的要求、冬季的温度梯度值远远小于夏季。建议今后对严寒地区斜拉桥的设计,主要应考虑辐射热大的夏天温度应力对箱梁混凝土的影响。     

海上超高温高压钻井井筒温度压力场耦合研究*

为研究海上超高温高压钻井井筒温度压力的变化规律,基于流体力学和传热学理论,考虑超高温高压井筒环境对钻井液密度以及钻井液流变参数的影响,建立海上超高温高压钻井井筒温度压力耦合预测模型,并利用实例井现场随钻数据进行模型验证,分析正常钻进期间井筒温度压力的变化规律。研究结果表明:对井筒温度而言,钻井液流变性变化的影响大于钻井液密度变化的影响,耦合计算温度结果要大于不耦合计算的温度值,且两者之间的温差随井深的增加越来越大;对井筒压力而言,钻井液密度变化对当量循环密度ECD（equivalent criculating density）的影响要大于流变性对ECD的影响,且耦合计算的ECD要小于不耦合计算的ECD值。该耦合模型可以提高井筒温度压力的预测与控制精度,并降低超高温高压地层窄密度窗口中的安全钻进风险,研究结果对超高温高压钻井精准的井筒温度压力预测及控制具有重要意义。     

法布里-珀罗光纤传感器在桥梁健康监测中的应用

对桥梁实施监测 ,是诊断桥梁健康状况的主要手段 ,现代传感技术和计算机技术的发展 ,使桥梁健康状态的实时监测变为可能。笔者分析了法布里 -珀罗光纤传感器的基本原理和特性 ,设计了一种法布里 -珀罗应变测试系统 ,并在预应力混凝土连续桥梁上与电阻式应变传感器进行了应变对比测试试验。试验结果表明 ,法布里 -珀罗光纤传感器对环境温度不敏感 ,易与钢筋、混凝土复合 ,适用于桥梁结构的应变测试 ,可用于桥梁健康状态的在线监测     

压力管道薄弱部位的光纤Bragg 光栅应变监测技术研究

为预防压力管道泄漏或者恶性爆管事故的发生,采用光纤Bragg光栅传感器对压力管道薄弱部位进行表面应变监测,实现对压力管道爆管事故的安全监控。采用一段定制加工的实验压力管道,首先采用ANSYS 软件对压力管道进行了应变建模和有限元分析,得到压力管道的 L 型、U 型和 T 型接头等薄弱部位的应力分布,然后在应力集中区贴装光纤 Bragg 光栅传感器,对表面应变进行实时测试,测试结果经过应变传递误差修正之后,与理论值和电阻应变片结果进行比对,证实了光纤 Bragg 光栅传感器对压力管道薄弱部位安全监测的可行性。     

有约束应力高温全过程后混凝土轴压力学性能试验研究

采用高温抗压试验炉进行了有约束应力作用下混凝土在经历升温、降温及冷却全过程作用后的轴压力学性能试验研究,主要研究约束应力水平和温度等级对升降温及冷却全过程中的混凝土高温变形特性与高温后混凝土强度、弹性模量和应力-应变关系等性能的影响规律。结果表明:约束应力使混凝土产生明显的残余压缩变形,且对高温后混凝土抗压强度和弹性模量有显著影响;无约束应力高温后混凝土的抗压强度随着温度的升高经历低温衰退、强度恢复、高温衰退3个阶段,n≤0.4时有约束应力混凝土也表现出相同的规律;约束应力可提高高温后混凝土的弹性模量,但其值仍明显低于常温弹性模量;有约束应力高温全过程后混凝土破坏突然,明显变脆。     

气体钻井突发性井壁失稳动力演化机理及试验研究

从致密砂岩损伤破坏的角度出发,综合考虑致密砂岩的物理力学性质、地应力、裂缝圈闭高压等因素,在分析孔隙压力、地应力、裂缝圈闭高压在突发性井壁失稳过程中所起的作用基础上,将气体钻井突发性井壁失稳具有强烈时间效应的动态力学过程分为孕育、突变、井筒运移和终止4个阶段。对裂缝圈闭高压、地应力作用下致密砂岩的加速损伤演化引起的突发性井壁失稳机理进行了阐述,裂缝圈闭高压是突发性井壁失稳的主要动力源,地应力对突发性井壁失稳起辅助作用。通过模拟实验表明,受地应力破坏后的致密砂岩岩体在有裂缝情况下,卸压初始时刻释放的能量是无裂缝时的5~10倍,且该能量与动力学失稳密切相关。     

岩石各向异性对井周应力分布及破裂压力影响

岩石力学参数的各向异性不仅影响井周应力分布,还对井壁破裂压力及位置有至关重要的影响。基于页岩储层水平井井周应力分布模型,研究井壁破裂压力的大小及破裂位置受岩石力学参数各向异性的影响。研究结果表明:岩石力学参数各向异性度严重制约井壁稳定性,井周受力状态明显恶化,加剧了井漏事故的发生。高弹性模量各向异性和低泊松比各向异性时,岩石在水平方向刚性较强,井壁更容易起裂;弹性模量各向异性小和泊松比各向异性较大时,岩石在垂直方向刚性较强,岩石不易起裂。起裂压力对弹性模量各向异性度较敏感,受泊松比各向异性度影响较小。因此,实施页岩水平井压裂,应考虑层理页岩力学参数各向异性,从而对裂缝起裂压力进行合理的预测。     

共用连续墙结构的现场测试与安全性评价

为分析相邻基坑开挖过程中共用连续墙的受力变化规律,以深圳地铁车公庙枢纽共用地下连续墙为研究对象,选择一个典型断面进行监测。通过在共用连续墙D内埋置混凝土应变计,得到现场测试2基坑施工全过程的受力情况,并以此评价共用连续墙D的安全性。结果表明:共用地下连续墙D处于安全状态;随着基坑的开挖深度增加,大多数测点的应变值呈增长趋势,轴力和弯矩变化越来越大;共用连续墙D受紧邻基坑开挖影响明显,内力变化较大。     

超深竖井掘进岩爆特征及防治措施

由于会泽矿3#超深竖井（施工深度达1 526 m）的工程地质条件,在竖井开挖到一定深度后有不同程度的岩爆现象显现,其中两次比较严重的岩爆发生的位置埋深较深,井筒深度达到1 400 m以上。为此建立了井壁地应力监测系统,对岩爆的发生进行预测。根据井壁周边不同深度布置的4个点处的应力变化曲线分析,总结了地应力分布规律,4#位置（东偏南70°）井壁受测压力最大,最大水平主应力可以达到120 MPa以上,其方位与最大主应力方向相符。结合3#竖井工程岩爆现象的分析,以及岩爆发生的特征,给出了预防岩爆所采取的工程措施,为此类工程施工制定岩爆防治措施提供了科学依据。     

深水钻井热交换作用下的井壁稳定性分析北大核心CSCD

为了研究深水钻井过程中热交换作用对井壁稳定性的影响规律,建立了钻井液、钻柱、海水和地层各介质热交换作用下温度控制方程,根据热弹性理论计算温度变化对井周应力的影响,结合地层强度准则与拉伸破坏准则确定深水井壁坍塌压力与破裂压力。结果表明,钻井液循环对地层产生的冷却作用能够降低井壁坍塌压力与破裂压力,但破裂压力降低幅度比坍塌压力的降低幅度稍大。因此,尽管钻井液的冷却效果能够抑制井壁坍塌,但应注意低温度的井壁更易形成诱导缝,甚至引发地层漏失。计算结果对深水钻井作业具有指导意义。     

深水钻井热交换作用下的井壁稳定性分析

为了研究深水钻井过程中热交换作用对井壁稳定性的影响规律,建立了钻井液、钻柱、海水和地层各介质热交换作用下温度控制方程,根据热弹性理论计算温度变化对井周应力的影响,结合地层强度准则与拉伸破坏准则确定深水井壁坍塌压力与破裂压力。结果表明,钻井液循环对地层产生的冷却作用能够降低井壁坍塌压力与破裂压力,但破裂压力降低幅度比坍塌压力的降低幅度稍大。因此,尽管钻井液的冷却效果能够抑制井壁坍塌,但应注意低温度的井壁更易形成诱导缝,甚至引发地层漏失。计算结果对深水钻井作业具有指导意义。     

矿井主、副井罐道缝自动监测报警系统

兖州矿业（集团）公司杨村煤矿研制的主、副井井筒内罐道缝自动监测报警系统，主要是对矿山井筒内安装在罐道梁上的每2根罐道之间的缝隙进行实时长期连续监测，具有2根罐道缝隙将要闭合或者突发闭合报警的功能，是保证罐笼或者箕斗正常提升安全的1个重要环节，又可以为预测井壁的安全性提供重要的数据。     

混凝土箱形截面考虑二阶效应的配筋图算法

箱形和工字形截面是工程中常用的截面形式,但按《混凝土结构设计规范》计算此类截面的配筋公式繁多,还需事先判断,然后选择相应的计算公式,比如拉弯时,要判断拉力合力点是否在大小两侧钢筋之间,区分小偏拉或大偏拉;压弯时,要判断大小偏心,除此之外,还需判断中性轴是否在翼缘或在腹板内等。为了方便快速计算,本文不采用规范中的等效矩形应力换算,直接由混凝土和钢筋的应变求应力,进而计算内力。确定其可能的应变范围,由此应变可变成已知量,并将最终的计算结果绘制成了计算配筋的诺模图,该图为无量纲形式,可用于任意宽度和高度的截面尺寸和C50及以下混凝土强度等级。