特殊地层条件下井壁破裂灾害防治技术

特殊地层条件下井壁破裂灾害防治技术,中国矿业大学力学与建筑工程学院深部岩土力学与地下工程国家重点实验室二一三年三月十八日,杨维好,提纲,一、相关概念二、破裂情况三、破裂机理四、预防技术五、治理技术六、应用效果,1.深表土2.冻结法凿井3.钻井法凿井4.井壁材料与结构5.特殊地层,一、相关概念,浅表土：厚度100m（万福753m表土）表土层强度低：500kPa，软粘土50kPa含水量大：1260%涌水量大：多达3000m3/h对于厚表土层地压大涌水量大水压大,1.深表土,涌水、流砂、流土！必须用特殊工法凿井！,（冻结法或钻井法）,冻结法：先在井筒周围形成封闭的冻土帷幕冻结壁，然后在冻结壁保护下进行外层井壁和内层井壁的施工。冻结井壁：一般为双层井壁。,2.冻结法凿井,冻结法凿井示意,钻井法：先利用大型钻机钻出井孔，然后在充满泥浆的井孔中，将地面预制好井壁漂浮下沉到底，再进行壁后充填固井。钻井井壁：为单层井壁。,3.钻井法凿井,钻井法凿井示意,外壁是不防水的!外壁混凝土接茬漏水!混凝土内贯穿裂缝漏水!坏处:治理时必须破壁注浆！外壁主要为临时支护好处:可竖向和径向承载,但必要时可将其牺牲!,4.井壁材料与结构,冻结井壁,井壁材料C60C80现浇高强砼对井壁破裂灾害防治的影响在井壁上钻眼困难遇钢筋可能火星四溅!在井壁上开槽困难静力破碎剂效果差取芯钻头难使用控制爆破难度大,成形差井壁脆性大,剧烈破坏,4.井壁材料与结构,特殊地层：凡开采（采矿、采水）或施工活动（如冻结、排水等）能引起地层固结沉降的地层结构。,4.特殊地层,特殊地层条件示意,1.破裂情况2.破裂特征3.破裂危害,二、破裂情况,立井井筒是联接地上、地下的唯一通道，其安全决定着整个矿井、特别是井下人员的生命安全。,1.破裂情况,唯一通道,立井井筒,表土层,国内(1987-):淮北、皖北矿区大屯、徐州矿区兖州、济宁矿区枣庄、永夏矿区鹤壁、东荣矿区103个冻结井壁6个钻井井壁国外(1960-):希腊苏联将还有上百井筒发生破坏!,国内部分已破裂的井壁,1.破裂情况,1987年以来,我国有109个井筒发生了井壁破裂灾害,1.破裂情况,根据文献检索结果,国外未发生过此类灾害。,表土最浅的破裂井壁（80余m厚表土）付村主井小茅山主井小茅山风井表土最深的破裂井壁陈四楼主、副井（374m厚表土，表土疏排水引起）李堂主、副井（427m厚表土，冻结壁融沉引起）破裂最快的井壁（投产不到2年）泗河主、副井（投产不到2年）李堂主、副井（未投产，井筒到底不到2年）破裂最慢的井壁（投产超过20年）芦岭主井芦岭副井,1.破裂情况,2.破裂特征,典型井壁破裂情况照片,2.破裂特征,典型管路弯曲情况照片,2.破裂特征,地层沉降引起井架偏斜情况照片,2.破裂特征,井壁“长”出地面情况照片,2.破裂特征,冻结管“长”出地面情况照片,2.破裂特征,井壁竖向压裂破裂时间集中破裂位置集中地质条件相近地表明显下沉,1-基岩2-含水层3-井壁破坏区4-外凸竖筋5-粘土隔水层6-井壁7-上覆土层,2.破裂特征,井壁破坏位置与地质条件,3.破裂危害,破裂时局部井壁突然压缩，使罐道失稳，引起严重的提升事故！有时剥落的混凝土块重达2t以上，砸坏井内装备，严重威胁井筒内人员升降安全！,井筒装备失稳，造成卡罐示意,3.破裂危害,井壁严重破裂处，抵抗水、土压力的能力大大削弱,随时有失去稳定,引起塌井、淹井事故的危险！,井壁严重破裂处,破裂处失稳，引起塌井示意图,3.破裂危害,井壁破裂处漏水带砂，高水压作用下，水砂可能会将裂缝迅速淘蚀为大洞，进而引起塌井事故！,破裂漏水处,破裂处漏水，引起塌井示意图,1999年,山东某矿，在242m深处，井壁因小孔出水、带砂，很快将井壁淘蚀出大洞，泥砂以5万m3/h流量溃入井内，矿井8h内被淹。,3.破裂危害,井壁漏水带砂,水砂冲蚀使孔洞加大,实例,另外，井壁破裂灾害迫使矿井停产抢险，损失巨大；灾害治理的风险大、难度大、费用高。井壁稳定与安全对矿井的安全极为重要！,破坏井筒装备罐道、管路失稳，罐梁变形破坏提升容器及井底装备破裂下来的大混凝土砸坏罐笼、箕斗、井底装备影响提升安全伤人员、卡罐、断绳涌砂、冒泥可能造成灾难性后果！降低了井壁抵抗地压的能力可能造成井筒垮塌,3.破裂危害,1.破裂机理2.技术路线3.技术现状4.研究思路,三、破裂机理,井壁破裂机理示意,1.破裂机理,井壁破裂机理,中国矿业大学1989年首次提出井壁破裂机理：开采(采煤、采水)导致表土含水层水位下降，含水层的有效应力增大，产生固结压缩，引起上覆土体下沉。土体在沉降过程中施加于井壁外表面一个以往从未认识到的竖直附加力。竖直附加力使井壁竖向受压破裂。进一步研究表明：不管什么原因导致土层沉降，井壁都会受到竖直附加力的作用！,1.破裂机理,竖直附加力的最大值fnmax疏排水含水层的最终水压下降量pmax。fmax1=bpmax土与井壁交界面的长时抗剪强度。fmax2=tan+C=0.003H井壁竖向极限承载力。存在与井壁竖向极限承载力相对应的一种可能的最大竖直附加力fmax3。fnmax=min(fmax1，fmax2，fmax3),1.井壁破裂的机理,竖直附加力分类冻土融沉引起的附加力疏水沉降引起的附加力井内温度变化引起的附加力地下水下渗(水夯)引起的附加力注意:基岩疏水不引起附加力(波兰),1.井壁破裂的机理,获得了冻结壁融沉附加力的变化规律，发现了融沉附加力致裂井壁的新机理,数值计算模型,李堂矿井壁在冻结壁融沉阶段破裂情况,物理模拟试验,1.井壁破裂的机理,竖直附加力主要与以下两组参数有关：井壁结构及其几何、物理、力学参数地层的几何、物理、力学参数相应地，防治井壁破裂的技术路线有：针对井壁采取措施:提高井壁承载力采用能适应竖直附加力的新型井壁结构针对地层采取措施:注浆加固、抬升地层保持井筒周围含水土层水位不变都是为了减小井壁与地层间的相对位移量,2.防治技术路线,冻结井壁(双层)：有8个冻结井筒采用了新型滑动可缩井壁，但其中3个在冻结壁融化期间发生了井壁破裂事故！钻井井壁(单层)：有4个钻井井筒采用加强井壁法硬抗附加力，实测结果表明它们仍面临井壁破裂危险！,3.国内外技术现状,2005年以前已有技术及其存在的问题,已有技术不能预防新建井壁发生破裂灾害！,4.总体思路,1.井壁附加力研究2.井壁结构技术3.施工关键技术,四、预防技术,1)研究融沉过程中土和井壁的相互作用；2)研究钻井井壁与土层交界面的力学特性。,1)冻结壁融沉过程中井壁受力的机理未知；2)在疏水条件下钻井井壁附加力大小未知。,难点,1)冻结壁水、热、力三场耦合分析；2)钻井井壁与土层交界面建模方法、界面参数取值。,1.井壁附加力研究,对策,技术关键,1)获得了冻结井壁融沉附加力变化规律和数值，为井壁设计提供了依据。,融沉附加力变化规律,数值计算模型,物理模拟试验,1.井壁附加力研究,创新成果,创新成果,2)首次发现冻结壁融沉可导致井壁破裂灾害，这一结论已被工程证实；建立了融沉条件下井壁安全评估方法。,某矿井壁在冻结壁融沉阶段破裂,1.井壁附加力研究,某矿井壁可缩装置压缩情况,1.井壁附加力研究,3)获得了疏水附加力的变化规律与数值；证实当土层较厚时，硬抗附加力是不合理的。,创新成果,附加应力分布规律,界面力学特性试验系统,1.井壁附加力研究,综合疏水附加力研究成果，阐明了深厚表土中井壁硬“抗”附加力是不可取的，应轴向可缩,1.井壁附加力研究,1)掌握新型井壁和地层的相互作用规律；2)解决新型井壁防水和失稳问题。,探索封水性能好、适应地层沉降的新型井壁结构形式及其设计计算方法。,1)研究提出新型井壁结构形式；2)研究新型井壁的力学特性。,难点,对策,技术关键,2.井壁结构技术,1)发明了能适应地层沉降的内层可缩冻结井壁技术和单层可缩钻井井壁技术，掌握了新型井壁的竖向承载特性及其与地层相互作用规律,提出了可缩井壁设计方法。,创新成果,2.井壁结构技术,内层可缩井壁示意,大型模拟试验,2.井壁结构技术,井壁可缩装置,2.井壁结构技术,合理的极限承载力；横阻可缩的压缩曲线；良好的抗渗防水性能；可靠的工程稳定性.深度越大，对上述性能的要求越高！(尤其是对于采用单层井壁的钻井井筒）,理想的井壁可缩装置：,2.井壁结构技术,2)研究、发明了一种新型井壁可缩接头，提出了设计方法。该种可缩接头具有压缩率高、全压缩过程中不渗漏、恒阻可缩等优点。,创新成果,可缩接头受力过程示意,模拟试验,2.井壁结构技术,建立了内层可缩井壁设计计算方法和公式,可缩井壁模拟试验,可缩井壁数值分析,2.井壁结构技术,1)冻结井壁可缩接头和混凝土的界面易形成施工缝，可能成为渗水通道。,难点,井壁渗漏水通道,3.施工关键技术,渗水通道,2)钻井井壁漂浮下沉时可缩接头可能失稳,难点,钻井井壁漂浮失稳示意,1)在界面附近增加易施工的过渡层；2)开发阻尼器技术，提高可缩接头的稳定性。,对策,3.施工关键技术,1）解决了可缩接头和混凝土交界面的防水难题。,创新成果,内层井壁可缩接头组焊,焊缝质量液压检测,3.施工关键技术,发明了在全寿命周期内封水的钢质井壁可缩装置,可缩装置截面图,井壁可缩装置受力、变形过程示意,井壁可缩装置模型试验,3.施工关键技术,井壁可缩装置井下组焊,井壁可缩装置运至工地,可缩装置变形让压,效果可靠，井壁造价降低50%以上、施工速度提高1倍以上。,3.施工关键技术,创新成果,2）开发了单层可缩钻井井壁阻尼器法防失稳技术。,井壁上安装好的可缩接头,阻尼器排液阀,3.施工关键技术,可缩装置的加