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随着煤炭开采向深部发展,井筒埋深和直径越来越大,为进一步减小井壁厚度提出了径向可缩井壁,而夹层作为该型井壁的关键组成部分,对井壁的力学特性有着重要影响。本文通过解析分析、数值模拟和物理模拟相结合的方法,研究了夹层参数对径向可缩井壁的力学特性的影响,为径向可缩井壁的设计提供了理论基础。 首先,根据径向可缩井壁的设计理念,提出对夹层的要求,选取合理的夹层材料并对其力学特性进行了研究,得到了根据夹层单轴拉伸、单轴压缩和侧限压缩试验数据计算超弹性夹层材料常数的方法,并进行了相应的数值模拟对比分析。 其次,建立多层筒线弹性模型,并得出了径向可缩井壁的应力解和位移解,结合屈服准则得到了径向可缩井壁的弹性极限承载力和塑性极限承载力。在其他参数一定的情况下,井壁的弹性极限承载力随着夹层弹模比、泊松比、夹层厚度比和井壁分界半径比的增大表现出先增大后减小的规律,且存在一个最优值使得井壁的弹性极限承载力最大。井壁分界半径比在一定范围内对井壁的弹性极限承载力影响较小,这为设计井壁时调整内、外层井壁厚度创造了条件。而夹层弹模、夹层泊松比和井壁分界半径比对塑性极限承载力没有影响,夹层厚度和夹层屈服强度对塑性极限承载力影响很小。 而后,通过数值模拟研究了不同夹层本构模型的夹层参数、井壁参数和井壁轴压对径向可缩井壁力学特性的影响,结果表明井壁的弹性极限承载力随着夹层的压缩量的增加先增大后减小至接近外层井壁的弹性极限承载力。通过将径向可缩井壁与单层井壁进行对比得出,径向可缩井壁相对于单层井壁的弹性极限承载力受厚径比、井壁轴压、井壁混凝土强度等的影响可提高22％以上,且井壁的厚径比越大,其承载力提高系数越大。 最后,通过对夹线橡胶板夹层和微孔硅胶板夹层径向可缩井壁进行物理模拟试验研究,得出径向可缩井壁在弹性阶段和弹塑性阶段的位移和应变规律,并与数值模拟和解析分析结果对比,结果表明解析分析、数值模拟和物理模拟结果比较吻合。 解析分析、数值模拟和物理模拟的研究结果均表明夹层参数对径向可缩井壁的力学特性有很大影响,井壁的弹性极限承载力随夹层压缩量的增大先增大后减小,合理设计夹层可使径向可缩井壁内、外层井壁同时屈服,弹性极限承载力最大。相对于单层井壁而言径向可缩井壁更具有承载优势,且井壁的厚径比越大,承载力提高系数越大。