目前煤炭仍是我国的主要能源,随着浅部资源渐趋枯竭,需要开发深部煤炭资源,新建矿井井筒。在我国中东部地区,一些新建井筒将要穿越深厚冲积层,当采用冻结法凿井时,在外壁施工过程中混凝土时常出现环向裂缝,这不但影响外壁的承载力,而且当井筒建成、冻结壁解冻后这些裂缝又成为导水通道,威胁着井筒运营安全。为此,论文以丁集煤矿第二副井为工程背景,开展了深厚冲积地层冻结井筒外壁早期热力耦合分析及开裂机理研究。论文主要研究内容及成果如下:首先,从微观角度出发,引入混凝土等效龄期和最小水化程度,推导出混凝土水化程度、最小水化程度与混凝土强度的关系式。基于现有混凝土龄期与弹性模量关系,建立了考虑水化热导致的变温条件下混凝土弹性模量与水化程度和混凝土温度解析式。其次,开展了冻结井筒外壁混凝土早龄期基本力学性能试验研究,根据试验结果分析了冻结井筒外壁混凝土早期力学性能的演化特征,构建了冻结井筒外壁混凝土弹性模量复合指数时变模型和劈裂抗拉强度-龄期时变模型。再次,开展了冻结井筒外壁混凝土早期水化反应引起竖向约束温度应力和自生温度应力理论分析,获得相应计算公式。根据工程实例参数,计算得到了由于井壁降温以及井壁内外缘温差引起的竖向温度拉应力,从理论分析的角度揭示了深厚冲积层冻结井筒外壁混凝土早期开裂机理。然后,建立了深厚冲积层冻结井筒外壁热力耦合数值计算模型,以丁集煤矿第二副井为工程背景,对外层井壁的早期温度场、应力场和应变场进行模拟分析,结果表明:外壁混凝土早期由于水化升温,此阶段受压;再受冻结壁和井筒内空气影响开始降温,此时在井壁降温和冻结壁约束的共同作用以及井壁内部不同位置温度梯度作用下压应力将逐渐转变为拉应力,拉应力最大值为5.08MPa,极易引起井壁开裂。此计算结果与现场实测数据基本吻合,从而进一步阐明了深厚冲积层冻结井筒外壁混凝土开裂机理。最后,开展了纤维混凝土早龄期劈裂抗拉强度试验,试验结果表明纤维混凝土比普通混凝土的早期抗拉强度显著提高,可显著提高外壁混凝土抗拉性能,并提出采用纤维混凝土代替普通混凝土作为外壁材料的防裂措施。图 57 表 15 参 103