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西部煤矿立井钻机基础结构受力特征与优化研究

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西部煤矿立井钻机基础结构受力特征与优化研究

作者：苏妮安徽建筑大学

学位级别：硕士

矿区的煤炭开采都伴随着各种各样的安全问题,如立井井筒损坏、周边围岩破裂、井孔塌陷、井内涌砂等影响立井工程施工稳定与安全的破坏现象就在很多矿区都接连多次发生过。而陕西省西部煤矿处于第四系砂层,具有岩体结构松散、透水性大、... 详细信息

矿区的煤炭开采都伴随着各种各样的安全问题,如立井井筒损坏、周边围岩破裂、井孔塌陷、井内涌砂等影响立井工程施工稳定与安全的破坏现象就在很多矿区都接连多次发生过。而陕西省西部煤矿处于第四系砂层,具有岩体结构松散、透水性大、无粘性等特点,故设置有放置钻头、承受钻机以及维护井口稳定防止井帮坍塌的钻机基础结构。但目前对于西部煤矿立井钻机基础的相关研究很是少见,而钻机基础对于减少井筒受力破坏的程度,保证井筒施工中的工作安全、减少立井建设造价等方面又有着重要作用。因此,将西部煤矿历经钻机基础作为研究对象来研究其结构受力特征与优化就具有其现实意义,可为类似项目提供相关理论价值与参考意义。本文以陕西省榆林市可可盖煤矿钻机基础立井施工为工程依托,采用理论分析、试验与数值模拟相结合的研究手段,展开煤矿立井钻机基础结构受力特征与优化的研究。主要研究如下:(1)通过既有荷载计算原理在分析钻机基础的受力结构下推导出新的荷载计算公式。然后进行实例分析与比较,得出推导公式计算值随井筒深度的变化趋势与原公式土侧压力分布规律一致,且较之原公式的土侧压力值偏大而随着井筒深度的增加二者之间的差值也在加剧。后通过与室内模型试验的土侧压力值数据进行对比可知,在同样的条件下,推导公式计算值与试验数据值更为贴合,从而验证了推导公式的适用性与正确性。最终得到钻机基础立井的荷载计算公式。(2)利用室内模型试验方法对回风立井钻机基础下的施工进行试验方案的设计并通过试验得到工况一(锁口基础下施工)、工况二(立井井壁)、工况三(钻机基础结构)下立井开挖受力与变形的试验结果。然后进行分析比较得出钻机基础立井的受力分布规律与常规立井基本一致都是随着立井深度的增加而增加,类三角型分布。同时在同一水平剖面的受力分布均匀数值一致。比较不同工况下受力的最大值可知,较之工况二,钻机基础结构使得立井受力削减1/4左右。(3)应用MIDAS GTS/NX软件对立井施工过程进行数值模拟的建立,对工况一、二、三的立井施工过程进行有限元数值模拟的数据分析,得出不同工况下的受力变形情况与分布规律。地表沉降与井底隆起的变化趋势在不同工况下都是随着钻井深度增加而逐渐变大,呈抛物线型分布。对比发现工况一的井底隆起值大大超出了工程规定的施工变形量,工况二的井底隆起比起工况一减少了50%左右但依然未满足规范允许值。最后,工况三较之工况一、二使得隆起值大大降低且达到规定允许变形量内。同时,工况二、三的应力分布规律都呈类三角型分布。后与试验结果的应力值进行对比验证,试验模型的应力值要偏小,应力变化规律一致,随深度亦呈现类三角型非线性变化在同一水平剖面分布均匀大小一致。考虑一些误差与影响因素,可认为在误差允许的范围内二者结果是相等的,这也就证明了试验模型与数值模拟的准确性与可靠性,其研究结果可具有参考性。(4)通过数值模拟软件模拟不同壁厚下立井施工的过程,在原钻机基础方案上分析优化措施井壁厚度为0.8m和井壁厚度1.0m的受力变形结果得出井壁应力的大小会随井壁壁厚的减少而增加,与原方案相比,采取咬合桩壁厚1.0m、0.8m的加固可使地表沉降减少,井底隆起减小12%,井壁应力增加16%与46%。最终,综合比较可得本文对钻机基础结构的优化措施采用壁厚1.0m最好,既满足工程的施工安全又减少了工程造价,提升了经济性。图[53]表[10]参[53]

关键词：西部煤矿钻机基础受力变形特征结构优化

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层状地基中锚杆拉拔荷载传递非线性分析

中国公路学报 2019年第1期32卷 12-20,56页

作者：黄明华李嘉成赵明华陈昌富湖南大学岩土工程研究所湖南长沙410082

为了研究层状地基中锚杆拉拔受力的非线性特征,引入锚固界面剪切滑移的双指数曲线模型,基于荷载传递法基本原理,建立层状地基中锚杆荷载传递的非线性微分方程,推导锚杆轴向位移、轴力和界面剪应力的解析解,并给出层状地基中锚杆拉拔受... 详细信息

为了研究层状地基中锚杆拉拔受力的非线性特征,引入锚固界面剪切滑移的双指数曲线模型,基于荷载传递法基本原理,建立层状地基中锚杆荷载传递的非线性微分方程,推导锚杆轴向位移、轴力和界面剪应力的解析解,并给出层状地基中锚杆拉拔受力特性的计算方法与求解步骤。在此基础上,分析拉拔荷载作用下层状地基中锚杆的荷载-位移曲线特征、轴力与界面剪应力分布特征以及锚固体埋入位置对锚杆受力特征的影响,并以工程实例检验该方法的可行性。研究结果表明:作用荷载较小时,层状地基中锚杆的轴力和界面剪应力分布特征与均质地基中锚杆的轴力和界面剪应力分布特征基本一致;作用荷载较大时,地基土层状分布特征对锚杆拉拔受力特性具有显著的影响,锚杆轴力和界面剪应力在土层分界面处具有明显的界面效应,即二者在土层分界面处分别存在明显的转折点和跳跃点;锚固体埋入密实地基层中的范围越大,锚杆的极限抗拔荷载也越大,延性也越好,实际工程中应将锚固体尽可能地埋置于硬土层之中;在锚固界面弹性黏结、塑性变形(局部软化)以及滑移破坏的整个全历程阶段,所提方法的计算结果与工程实测的锚杆荷载-位移曲线均吻合较好,反映了锚固界面剪切滑移与锚杆受力变形的非线性特征。

关键词：道路工程锚杆荷载传递法受力变形特征非线性分析

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开采沉陷区埋地管道变形及力学特征分析

中国安全科学学报 2020年第10期30卷 82-89页

作者：任建东王文董淼高诗松河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454003 中国石油化工集团有限公司华北油气分公司河南郑州450007 西安多维测绘工程有限公司陕西西安710003

为研究气煤重叠区内煤层开采对天然气埋地管道的影响,采用理论分析和数值模拟研究采动影响下埋地管道的受力变形特征,建立不同开采程度埋地管道变形的数学模型,得出竖向应力作用下管道顶部受力状态由受拉转为受压、底部由受压转为受拉;... 详细信息

为研究气煤重叠区内煤层开采对天然气埋地管道的影响,采用理论分析和数值模拟研究采动影响下埋地管道的受力变形特征,建立不同开采程度埋地管道变形的数学模型,得出竖向应力作用下管道顶部受力状态由受拉转为受压、底部由受压转为受拉;水平应力作用下管道顶底部均受拉应力作用,拐点左侧与右侧受力方向相反。研究结果表明:开采沉陷区内埋地管道变形可由高斯函数表示;竖向应力作用下管道顶底部受力状态呈现上下反向对称、关于沉陷中心呈现左右对称;整体受力状态关于沉陷中心呈现左右对称。

关键词：开采沉陷区天然气埋地管道数值模拟受力变形特征下沉曲线

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上部边框柱外移时搭接柱转换结构的试验研究

建筑结构 2006年第2期36卷 25-28页

作者：全学友孔志坚邓凡陈文钦重庆大学土木工程学院 400045

通过一个缩尺比例约为1∶4的搭接柱转换结构模型试验,研究了搭接柱的传力机制、变形特征以及转换搭接柱上、下层梁的受力特点。研究表明,转换搭接柱刚度极大,上部竖向荷载以桁架模型传至下层柱,是良好的竖向荷载转换形式。转换层上层梁... 详细信息

通过一个缩尺比例约为1∶4的搭接柱转换结构模型试验,研究了搭接柱的传力机制、变形特征以及转换搭接柱上、下层梁的受力特点。研究表明,转换搭接柱刚度极大,上部竖向荷载以桁架模型传至下层柱,是良好的竖向荷载转换形式。转换层上层梁偏心受拉,下层梁偏心受压,能有效抵抗上部柱子轴力所形成的偏心弯矩。在总结了搭接柱转换结构各组成部分的受力变形特征后,提出了相应的设计建议。

关键词：搭接柱转换结构传力机制受力变形特征设计建议

链式衬砌节段长度对隧道抗错断效果的影响研究

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筑路机械与施工机械化 2015年第3期32卷 66-70页

作者：谷柏森吴建勋宋磊刘金栋江苏省交通科学研究院股份有限公司江苏南京210000 上海同济建设工程质量检测站上海200092

针对活动断裂带引起的隧道结构安全问题,依托四川棋盘石公路隧道,基于链式衬砌的抗错断设计理念,分析在逆断层错动时不同链式衬砌节段长度下,隧道结构围岩压力、塑形应变及最大主应力的变化规律与分布特征,探讨合理的衬砌节段设计长度,... 详细信息

针对活动断裂带引起的隧道结构安全问题,依托四川棋盘石公路隧道,基于链式衬砌的抗错断设计理念,分析在逆断层错动时不同链式衬砌节段长度下,隧道结构围岩压力、塑形应变及最大主应力的变化规律与分布特征,探讨合理的衬砌节段设计长度,可为同类工程抗错断设计提供参考。

关键词：断层错动抗错断设计链式衬砌受力变形特征

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斜向水泥土桩加固路基室内模型试验研究

铁道标准设计 2013年第9期33卷 22-26页

作者：王铸宋绪国铁道第三勘察设计院集团有限公司天津300251

通过室内模型试验研究斜向水泥土桩加固技术的工作机理是一种比较有效的方法,在国内尚无先例。此次模型试验设计,主要考虑在线路荷载作用下路基本体的沉降变形相似和桩体材料的刚度相似两个方面出发,共设计了8组模型试验,通过模型试验... 详细信息

通过室内模型试验研究斜向水泥土桩加固技术的工作机理是一种比较有效的方法,在国内尚无先例。此次模型试验设计,主要考虑在线路荷载作用下路基本体的沉降变形相似和桩体材料的刚度相似两个方面出发,共设计了8组模型试验,通过模型试验研究了路基顶面沉降变化规律、路基边坡位移变形规律、路基土体内部竖向应力分布规律及水泥土桩体受力变形特征,得到了一系列有价值的结论。

关键词：铁路路基斜向水泥土桩室内模型试验沉降竖向应力受力变形特征

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煤矿沉陷区天然气管道的稳定性分析

煤矿沉陷区天然气管道的稳定性分析

作者：任建东河南理工大学

学位级别：硕士

油气-煤炭重叠区内的煤层开采引起工作面覆岩地表逐渐发生运移变形,使处于沉降区影响范围内的埋地天然气管道发生移动变形,引起管道的变形破断及失效,严重影响油气集输的工程的安全稳定,以及采煤工作面的正常生产。鄂尔多斯盆地大牛地... 详细信息

油气-煤炭重叠区内的煤层开采引起工作面覆岩地表逐渐发生运移变形,使处于沉降区影响范围内的埋地天然气管道发生移动变形,引起管道的变形破断及失效,严重影响油气集输的工程的安全稳定,以及采煤工作面的正常生产。鄂尔多斯盆地大牛地气田为煤及共伴生资源交叉开采的典型区域,根据重叠区内某煤矿工作面地表风积沙岩层内铺设天然气管道的地质概况,通过理论分析、数值模拟和相似模拟等试验手段,明确开采沉陷作用下埋地天然气管道的力学特征及变形演化模式,以及提出风积沙沉陷区内天天然气埋地管道与采煤工作面间的安全距离控制预测方法。取得以下研究成果:(1)采用理论分析和数值模拟研究采动影响下埋地管道的受力变形特征,建立不同开采程度埋地管道变形的数学模型,得出竖向应力作用下管道顶部受力状态由受拉转为受压、底部由受压转为受拉;水平应力作用下管道顶底部均受拉应力作用,拐点左侧与右侧受力方向相反。研究结果表明:开采沉陷区内埋地管道变形可由高斯函数表示;竖向应力作用下管道顶底部受力状态呈现上下反向对称、关于沉陷中心呈现左右对称;整体受力状态关于沉陷中心呈现左右对称。(2)结合埋地天然气管道变形及破坏的主因,设计载荷作用下天然气管道受力变形监测试验装置。对φ48mm天然气管道中间施加均布载荷监测其受力变形特征,结果表明:管道顶、底部应变均随载荷的增大而增大,其中管道顶部均受压、底部均受拉,顶底部受力状态正好相反;相同载荷作用下,管道从端部至中心位置的应变呈现逐渐增大趋势,且管道顶部应变增幅明显大于底部;管道端部承载的拉力随着施加载荷的增大而增大,二者呈二次函数正相关关系;随着均布载荷的增大管道整体变形沿着平底状、漏斗状、三角形状顺序演化,管道变形为三角形状时已发生塑性破坏。(3)以气煤重叠区某煤矿风积沙沉陷区为工程背景,结合地表下沉曲线高斯函数、埋地管道的运动轨迹、极限变形量与地表下沉曲线相关关系,建立沉陷区内油气管道安全距离控制预测方法,认为沉陷区管道运动轨迹沿着地表下沉曲线指向采空区中心,其变形呈现漏斗状;预测方法兼顾油气管道和开采安全的前提下,缩短了采煤工作面与油气管道间的距离留设;为气煤重叠区内管道的布置方式提供新方法,合理调节油气-煤炭资源共采机制下的协调开采,为煤系共伴生资源的协同开发提供新思路。(4)结合现场观测和数值模拟等方法,对管道进行危险性分区。根据管道稳定性与地表变形间关系,将沿工作面推进方向0～360m划分为安全区,360～620m划分为危险区,620～2000m划分为安全区;根据管道的极限变形量,将地表下沉值大于128mm的范围划为管道破坏区,地表下沉值为0～128mm的范围管道划为危险区,地表下沉值为0的范围划为管道安全区。图44幅,表8个,参考文献78篇。

关键词：气煤重叠区埋地天然气管道受力变形特征管道下沉曲线避让距离预测方法危险性分区

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铁路边坡治理中框架梁的数值模拟研究

铁道勘察 2010年第6期36卷 57-60页

作者：刘晓朋中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院山东济南250022

为解决普通分析方法计算框架梁在数学和力学上的局限性,利用模拟软件Ansys对某铁路工程中框架梁加固边坡进行了三维有限元模拟分析,并把模拟成果与原位测试结果进行了对比分析,总结出了框架梁在边坡加固中的受力模式及被加固边坡体的受... 详细信息

为解决普通分析方法计算框架梁在数学和力学上的局限性,利用模拟软件Ansys对某铁路工程中框架梁加固边坡进行了三维有限元模拟分析,并把模拟成果与原位测试结果进行了对比分析,总结出了框架梁在边坡加固中的受力模式及被加固边坡体的受力变形特征,进而提出了实际工程设计中应采取的相应措施。

关键词：铁路工程边坡治理框架梁加固边坡有限元模拟分析受力变形特征受力模式模拟软件工程设计分析方法对比分析测试结果边坡加固局限性边坡体 Ansys 总结原位数学三维

车辆荷载作用下软土地基上双舱矩形综合管廊受力特征分析

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东莞理工学院学报 2017年第5期24卷 50-54页

作者：张缤王幸福黄运峰广州大学土木工程学院广州510006 中天建设集团有限公司城轨分公司广州510315

以广州大学城综合管廊为例,通过建立该段管廊的三维有限元分析模型,分析了车辆荷载作用下软土地基上双舱矩形综合管廊的受力变形特征。分析表明:无论是隔墙位置或者两侧边墙处,管廊水平位移均为底板正、顶板负,但隔墙和两侧边墙的水平... 详细信息

以广州大学城综合管廊为例,通过建立该段管廊的三维有限元分析模型,分析了车辆荷载作用下软土地基上双舱矩形综合管廊的受力变形特征。分析表明:无论是隔墙位置或者两侧边墙处,管廊水平位移均为底板正、顶板负,但隔墙和两侧边墙的水平位移随高度变化的规律及零值点并不相同;管廊顶板和底板的沉降趋势基本一致,沉降量却有所差别,并发现顶板和底板出现不同程度的起拱现象;管廊顶板和底板存在多处水平应力集中的现象;大、小舱室边墙外侧竖向应力曲线相似,但同一高度竖向应力值有所不同。

关键词：综合管廊车辆荷载受力变形特征数值模拟