特殊地层条件下井壁破裂灾害防治技术20130318

1、中国矿业大学力学与建筑工程学院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深部岩土力学与地下工程国家重点实验室二二一三年三月十八日一三年三月十八日一、相关概念一、相关概念二、破裂情况二、破裂情况三、破裂机理三、破裂机理四、预防技术四、预防技术五、治理技术五、治理技术六、应用效果六、应用效果1.3.4.井壁材料与结构井壁材料与结构5.特殊地层特殊地层n 浅表土：厚度浅表土：厚度 100m（地铁表土地铁表土50m100m（万福（万福753m表土）表土）n 表土层表土层强度低：强度低：500kPa，软粘土，软粘土50kPa含水量大：含水量大：1260%涌水量大：多达涌水量大：多

2、达3000m3/hn 对于厚表土层对于厚表土层地压大地压大涌水量大涌水量大水压大水压大涌水、流砂、流土！必须用特殊工法凿井！涌水、流砂、流土！必须用特殊工法凿井！（冻结法或钻井法）（冻结法或钻井法）n冻结法：先在井冻结法：先在井筒周围形成封闭的筒周围形成封闭的冻土帷幕冻土帷幕冻结冻结壁，然后在冻结壁壁，然后在冻结壁保护下进行外层井保护下进行外层井壁和内层井壁的施壁和内层井壁的施工。工。n冻结井壁：一般冻结井壁：一般为双层井壁。为双层井壁。冻结法凿井示意冻结法凿井示意n钻井法：先利用大钻井法：先利用大型钻机钻出井孔，然型钻机钻出井孔，然后在充满泥浆的井孔后在充满泥浆的井孔中，将地面预制好井中，将

3、地面预制好井壁漂浮下沉到底，再壁漂浮下沉到底，再进行壁后充填固井。进行壁后充填固井。n钻井井壁：为单层钻井井壁：为单层井壁井壁。钻井法凿井示意钻井法凿井示意l外壁是不防水的外壁是不防水的!n外壁混凝土接茬漏水外壁混凝土接茬漏水! !n混凝土内贯穿裂缝漏水混凝土内贯穿裂缝漏水! ! 坏处坏处: :治理时必须破壁注治理时必须破壁注浆！浆！l外壁主要为临时支护外壁主要为临时支护 好处好处: :可竖向和径向承载可竖向和径向承载, ,但必要时可将其牺牲但必要时可将其牺牲! !地层充填层外壁夹层内壁冻结井壁径向结构示意图冻结井壁径向结构示意图冻结井壁冻结井壁地表基岩以下略11123467891051-充填

4、层；2-现浇砼外壁；3-塑料板；4-止水圈；5-钢纤维砼外壁；6-钢骨-钢纤维砼外壁；7-现浇砼内壁；8-可缩接头；9-单钢板砼内壁；10-双钢板砼内壁;11-井筒中心线冻结井壁纵向结构示意图冻结井壁纵向结构示意图n特殊地层：凡特殊地层：凡开采（采矿、采开采（采矿、采水）或施工活动水）或施工活动（如冻结、排水（如冻结、排水等）能引起地层等）能引起地层固结沉降的地层固结沉降的地层结构。结构。特殊地层条件示意特殊地层条件示意1.1.唯一唯一通道通道立井立井井筒井筒表土层表土层1.1.按地域统计按地域统计按类型统计按类型统计破破裂裂井井筒筒数数1.2.典型井壁破裂情况照片2.典型管路弯曲情况照片2.

5、地层沉降引起井架偏斜情况照片2.井壁“长”出地面情况照片2.冻结管“长”出地面情况照片2.2.3.井筒装备失稳，造成卡罐示意井筒装备失稳，造成卡罐示意3.井壁严重井壁严重破裂处破裂处破裂处失稳，引起塌井示意图破裂处失稳，引起塌井示意图3.破裂漏破裂漏水处水处破裂处漏水，引起塌井示意图破裂处漏水，引起塌井示意图1999年年,山东某矿，在山东某矿，在242m深处，井壁因小孔出水、带深处，井壁因小孔出水、带砂，很快将井壁淘蚀出大洞，砂，很快将井壁淘蚀出大洞，泥砂以泥砂以5万万m3/h流量溃入井流量溃入井内，矿井内，矿井8h内被淹。内被淹。3.井壁漏水带砂井壁漏水带砂水砂冲蚀水砂冲蚀使孔洞加大使孔洞加

6、大淹淹井井井壁井壁破坏破坏实例实例 破坏井筒装备破坏井筒装备n罐道、管路失稳，罐梁变形罐道、管路失稳，罐梁变形 破坏提升容器及井底装备破坏提升容器及井底装备n破裂下来的大混凝土砸坏罐笼、箕斗、破裂下来的大混凝土砸坏罐笼、箕斗、井底装备井底装备 影响提升安全影响提升安全n伤人员、卡罐、断绳伤人员、卡罐、断绳 涌砂、冒泥涌砂、冒泥n可能造成灾难性后果！可能造成灾难性后果！ 降低了井壁抵抗地压的能力降低了井壁抵抗地压的能力n可能造成井筒垮塌可能造成井筒垮塌3.1.1.开采活动使表土压缩开采活动使表土压缩土层相对井壁下沉土层相对井壁下沉井壁受附加力作用井壁受附加力作用附加力使井壁破裂附加力使井壁破裂中

7、国矿业大学中国矿业大学1989年首次提出井壁破裂机理年首次提出井壁破裂机理1.1.1.iiCpRBiittVHzAzf00,1.2.u冻结井壁冻结井壁(双层双层)：有：有8个冻结井筒采用了新型滑个冻结井筒采用了新型滑动可缩井壁，但其中动可缩井壁，但其中3个在冻结壁融化期间发生了个在冻结壁融化期间发生了井壁破裂事故！井壁破裂事故！u钻井井壁钻井井壁(单层单层)：有：有4个钻井井筒采用加强井壁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法硬抗附加力，实测结果表明它们仍面临井壁破裂危险！裂危险！n20052005年以前已有技术及其存在的问题年以前已有技术及其存在的问题n 已有技术

8、不能预防新建井壁发生破裂灾害！已有技术不能预防新建井壁发生破裂灾害！防透水技术防透水技术(满足密封要求满足密封要求)防失稳技术防失稳技术(满足刚度要求满足刚度要求)防破裂技术防破裂技术(满足强度要求满足强度要求)施工关施工关键技术键技术井壁结井壁结构技术构技术井壁所井壁所受外载受外载理论解析理论解析数值计算数值计算物理模拟物理模拟工程实测工程实测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1.井壁附加力研究井壁附加力研究2.井壁结构技术井壁结构技术3.施工关键技术施工关键技术1)1)研究融沉过程中土和井壁的相互作用；研究融沉过程中土和井壁的相互作用；2)2)研究钻井井壁

9、与土层交界面的力学特性。研究钻井井壁与土层交界面的力学特性。1)1)冻结壁融沉过程中冻结壁融沉过程中井壁井壁受力的机理未知；受力的机理未知；2)2)在疏水条件下钻井井壁附加力大小未知。在疏水条件下钻井井壁附加力大小未知。1)1)冻结壁水、热、力三场耦合分析；冻结壁水、热、力三场耦合分析；2)2)钻井井壁与土层交界面建模方法、界面参钻井井壁与土层交界面建模方法、界面参数取值。数取值。iiCpRBiittVHzAzf00,1)1)获得了冻结井壁融沉附加力变化规律和数值，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。为井壁设计提供了依据。 融沉附加力变化规律融沉附加力变化规律数值计算

10、模型数值计算模型物理模拟试验物理模拟试验2) 首次发现冻结壁首次发现冻结壁融沉可导致井壁破融沉可导致井壁破裂灾害，这一结论裂灾害，这一结论已被工程证实；建已被工程证实；建立了融沉条件下井立了融沉条件下井壁安全评估方法。壁安全评估方法。某矿井壁在冻结壁融沉阶段破裂某矿井壁在冻结壁融沉阶段破裂某矿井壁可缩某矿井壁可缩装置压缩情况装置压缩情况3)3)获得了疏水附加力的变化规律与数值；证实当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。土层较厚时，硬抗附加力是不合理的。 附加应力分布规律附加应力分布规律界面力学特性试验系统界面力学特性试验系统井壁井壁疏水疏水附加力附加力竖直

11、附加竖直附加压应压应力力-深度曲线深度曲线竖直附加竖直附加压应压应力力-时间曲线时间曲线1)1)掌握新型井壁和地层的相互作用规律；掌握新型井壁和地层的相互作用规律；2)2)解决新型井壁防水和失稳问题。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。型井壁结构形式及其设计计算方法。1)1)研究提出新型井壁结构形式；研究提出新型井壁结构形式；2)2)研究新型井壁的力学特性。研究新型井壁的力学特性。1)1)发明了能适应地层沉降的内层可缩冻结井壁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，掌握了新型井技术

12、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。提出了可缩井壁设计方法。cuhcfpKmaxcuzvfK101rr0.2403 3.55960.24490.4858 1 9.7379hcvvKKK内层可缩井壁示意内层可缩井壁示意大型模拟试验大型模拟试验2)2)研究、发明了一种新型井壁可缩接头，提出研究、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、了设计方法。该种可缩接头具有压缩率高、全全压缩过程中不渗漏压缩过程中不渗漏、恒阻可缩等优点。、恒阻可缩等优点。可缩接头受力过程示意可缩接头受力过程示意模拟试验模拟试验wttprlcr/ )515.310405.242(p3p1p2 inoutinoutFFGGGF其它融沉 inGFin inFF允许1)1)冻结井壁可缩接头冻结井壁可缩接头和混凝土的界面易形和混凝土的界面易形成施工缝，可能成为成施工缝，可能成为渗水通道。渗水通道。井壁渗漏水通道井壁渗漏水通道渗水通道渗水通道2)钻井井壁漂浮下沉钻井井壁漂浮下沉时可缩接头可能失稳时可缩接头可能失稳钻井井壁漂浮失稳示意钻井井壁漂浮失稳示意1)1)在界面附近增加易在界面附近增加易施工的过渡层；施工的过渡层；2)开发阻尼器技术，开发阻尼器技术，提