自二十世纪八十年代以来,我国黄淮地区较多采用冻结法施工的煤矿立井井筒相继发生破坏,经研究发现,因地下含水层疏水沉降而作用于立井井壁上的负摩擦力(竖向附加力)是造成冻结井筒破坏的主要原因。为此,安徽理工大学及其合作单位研制了冻结井筒竖向可缩性井壁接头,设置于冻结井筒的内层井壁中,用来衰减竖向附加力和保障立井井筒的安全。冻结井可缩性井壁接头虽已成功应用于多个煤矿立井井筒,但其优化设计方法值得进一步探讨。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法,基于ANSYS有限元程序,分别以祁南矿北风井和杨村矿风井的可缩性井壁接头为研究对象,对冻结井可缩性井壁接头的力学性能和优化设计方法进行了研究。其主要研究内容和成果如下:(1)根据祁南矿北风井和杨村矿风井的井壁结构方案,采用简化设计理论,对祁南矿北风井和杨村矿风井的可缩性井壁接头参数进行了初步设计,祁南矿北风井的井壁接头采用双立板结构形式,设置于-258m和-303m层位;杨村矿风井的井壁接头采用三立板结构形式,设置于-440m和-550m层位。(2)分别以祁南矿北风井-303m层位双立板井壁接头和杨村矿风井-550m层位三立板井壁接头为研究对象,采用ANSYS程序建立轴对称有限元模型,对井壁接头的力学性能进行了分析,双立板井壁接头的竖向、水平承载能力分别为22.4、28MPa;三立板井壁接头的竖向、水平承载能力分别为28、30.8MPa。(3)分别以祁南矿北风井-303m层位双立板井壁接头和杨村矿风井-550m层位三立板井壁接头为研究对象,采用ANSYS有限元程序,以接头的各立板厚度为设计变量,以竖向荷载作用下接头的最大Von Mises等效应力为状态变量,以接头的横截面面积为目标函数,对井壁接头进行了优化设计,从而将双立板井壁接头的外立板厚度减薄了10mm,将三立板井壁接头的外立板厚度也减薄了10mm。