中国凿井技术进展与挑战冻结与钻井

1概述1.1600~800m冲积层的特点1.2通过600~800m冲积层建井的方法1.3冻结法凿井的现状1.4钻井法凿井的现状1.5小结返回当前1页，总共57页。1.1600~800m冲积层的特点山东巨野、单县，安徽砀山，河南周口，河北廊坊等地，煤层上有>600~800m厚的冲积层。冲积层的主要特点为：厚度大：>570m(龙固),>571m(世界)第三系地层厚:500m～650m,其中粘土层含水量低,具强膨胀性地温高：37℃~39℃,冷量需求大，冻结壁发展慢多具有特殊的工程地质和水文地质条件：冲积的水位会因采煤而下降,地层会发生沉降。返回当前2页，总共57页。1.2通过600~800m冲积层建井的方法可靠的方法：冻结法钻井法值得开发的新方法：中心岛式钻井法中心岛式冻结法帷幕-冻结复合方法返回当前3页，总共57页。1.3冻结法凿井的现状——国外1883年德国工程师波茨舒发明冻结法。前苏联创造冻结冲积层厚度世界纪录:571m。英国创造冻结深度世界纪录:930m最大掘进直径:10.5m最大井壁厚度:2.25m主要使用冻结法凿井国家的最大冻结深度国名英国加拿大波兰苏联比利时德国法国中国荷兰最大冻结深度,m930915860800638628550650338其中冲积层厚度,m<100<100<350<350<200<350<300570<300当前4页，总共57页。1.3冻结法凿井的现状——国外序号国别井筒名净径/m冲积层厚度/m1苏联雅可夫列夫铁矿箕斗井6.05712苏联雅可夫列夫铁矿罐笼井5713苏联雅可夫列夫铁矿风井5714比利时候泰灵井4.995405德国维尔德风井6.05406德国索菲亚·雅可巴8号井4.0543.5

7德国莱茵贝格井7.5<510国外冲积层深度超过500m的冻结井筒

当前5页，总共57页。1.3冻结法凿井的现状——国内国内：1955年在开滦林西风井首次采用已施工立井550多个,总延米达120km以上最大冻结深度:777m最大冲积层厚度:587.5m最低盐水温度:-38℃设计最低冻结壁平均温度:-25℃冻结孔圈数最多4圈,120根冻结左右最大冻结井壁厚度:2.4m最大冻结壁厚度:12m井壁混凝土设计最高强度:C80(郭屯副井)井壁混凝土实际达到最高强度:C100(龙固副井)采用内层可缩井壁结构预防生产期间井壁破裂当前6页，总共57页。1.4钻井法凿井的现状——国外1854年德国人钦德采用冲击钻机成功钻井1871年德国人霍尼曼发明了旋转式钻机国外最大钻井直径为8.8m美国核试验井最深达1829m（φ1.8m）。当前7页，总共57页。1.4钻井法凿井的现状——国内1969年淮北朔里煤矿南风井首次钻井已施工80个井筒最大钻井直径为10.8m煤矿最大钻井深度为584.1m在其它方面，钻深约1000m（φ3m）当前8页，总共57页。1.4钻井法凿井的现状——国内AS9/700竖井钻机

L40/1000竖井钻机

当前9页，总共57页。新立井钻井机性能大幅提高2.钻井机1.4钻井法凿井的现状——国内当前10页，总共57页。2.钻井机1.4钻井法凿井的现状——国内当前11页，总共57页。2.钻井机1.4钻井法凿井的现状——国内当前12页，总共57页。2.钻井机1.4钻井法凿井的现状——国内当前13页，总共57页。1.5小结对我国冻结法凿井技术的评价：已基本掌握过600m表土层冻结法凿井技术基础研究严重滞后于工程，“基础不牢，底子不厚”事故频发：冻结管断裂井壁开裂对我国钻井法凿井技术的评价：已接近全面掌握钻600m深大直径井筒的钻井法凿井技术钻机制造技术已有长足进步钻机钻表土效率仍要提高,钻岩石能力仍较差返回当前14页，总共57页。2800m冲积层冻结法凿井技术前瞻2.1冻结法凿井面临的技术难度2.2冻结法凿井的技术问题2.3冻结孔钻进问题2.4制冷与冻结问题2.5冻结井壁问题2.6冻结壁问题2.7小结返回当前15页，总共57页。2.1冻结法凿井面临的技术难度面临的建井技术的难度:表土深度:超过世界纪录229m;表土地质条件的复杂性:世界第一表土地温:世界第一冻结掘进直径:世界第一，12.5m无合适的理论公式可用国内外均无经验可供借鉴返回当前16页，总共57页。2.2冻结法凿井的技术问题“二壁一钻一机”问题:“一钻”是指冻结孔(竖直孔,定向孔)钻进技术与设备.已突破 郭屯煤矿,国产钻机,靶域半径0.7m，702m深冻结孔,平均效率约2400m/台月“一机”是指大容量制冷技术与设备。螺杆机制冷量>100万大卡/h,盐水温度已达-40

℃,更低温度大容量制冷技术与设备待突破.“二壁”是指冻结壁理论与技术和井壁理论与技术,涉及深部土的力学特性、人工冻土力学特性等基础理论问题和介质与结构相互作用等基础理论问题，也涉及材料、荷载、结构、设计、施工等等问题,待突破。返回当前17页，总共57页。2.3冻结孔钻进问题不管是竖直孔还是定向孔,钻进技术与设备均已突破.石油:竖孔7000m深,水平孔11000m,靶域半径0.5m煤矿冻结:竖孔702m深,靶域半径0.8m煤矿注浆:竖孔1000m深,“S”形定向孔常用深1000m冻结孔钻进技术已突破!

返回当前18页，总共57页。2.4制冷与冻结问题—-20℃冻结粘土强度当前19页，总共57页。2.4制冷与冻结问题—-20~-40℃冻结粘土强度随温度下降强度线性增大!增长率:0.38/℃800m处水平地压:10.40MPa竖直地压:16.80MPa>-25℃时冻结壁全部处于塑性状态当前20页，总共57页。2.4制冷与冻结问题—冻土强度与冻结壁厚度当前21页，总共57页。2.4制冷与冻结问题—降低盐水温度是合理选择要提高原位人工冻土的强度→降低盐水温度盐水:-35℃，冻结壁平均温度只达到-24℃,显然不能满足要求。盐水温度宜低于-42℃,冻结壁的平均温度可达到-30℃。冻土单轴抗压强度可达12MPa以上,可合理地减小冻结壁的厚度，从而减小冻结费用。800m冲积层冻结法凿井必然面临低温冻结问题制冷机冷媒剂冻结管材当前22页，总共57页。制冷现用制冷机改造高效板式换热器复迭式制冷机短时采用干冰或液氮冷却冷媒剂析冰,析盐问题加乙二醇冻结管材现管材(20号钢)专用管材(Dr09,A333GR1和A333GR6低温管)开展“-45℃低温冻结及配套技术的研究”

返回2.4制冷与冻结问题—小结当前23页，总共57页。2.5冻结井壁问题2.5.1简述2.5.2外载2.5.3结构2.5.4材料2.5.5小结返回当前24页，总共57页。2.5冻结井壁问题—简述井壁:安全、密封、耐久井壁受力认识:受水平地压、冻结压力→温度应力→约束应力→开采引起表土层沉降→开采引起的不均匀地层变形作用井壁结构发展四个阶段:单层井壁→双层井壁→带夹层的复合井壁→滑动井壁、滑动可缩井壁、可缩井壁。涉及:荷载、材料、结构、工艺返回当前25页，总共57页。2.5冻结井壁问题—冻结压力570m深度内已初步掌握超过570m深度，对冻结压力变化规律的研究在国内外均是空白。冻结压力如何取值?p=0.012H?p=0.011H?p=0.013H?据龙固副井实测,建议取p=0.0115H当前26页，总共57页。2.5冻结井壁问题—融沉附加压力确定融沉附加力：概念：冻结壁融沉时土施加于井壁的竖直附加力大小：据矿大研究,300m深处达20~80kPa影响：对井壁的安全可能构成危害350m深度内已初步掌握最大20~80kPa超过350m深度对融沉附加力变化规律的研究在国内外均是空白。融沉是否会导致井壁破坏?如何防止?当前27页，总共57页。2.5冻结井壁问题—国内出现的井壁破裂灾害国内(1987-):淮北矿区宿县矿区大屯矿区徐州矿区兖州矿区济宁矿区永夏矿区东荣矿区枣庄-腾州矿区91个(冻结78个钻井13)井壁(估计要坏200个以上)当前28页，总共57页。2.5冻结井壁问题—疏水附加压力?疏水竖直附加力变化规律研究（土与井壁的相互作用）概念：土层疏水沉降时施加于井壁上的力大小：据矿大研究,300m深处可达100kPa以上影响：对井壁的安全构成危害，

91个井壁破裂，损失惨重！！疏水附加力是井壁破裂的祸首350m以内，已研究350m以上?疏水附加力“宜让不宜抗”——采用竖向可缩井壁结构，限制其增长立足于“防”，“修”很难应用可缩井壁结构，如何设计、施工？返回当前29页，总共57页。2.5冻结井壁问题—现行冻结井壁的平面结构现行冻结井壁平面结构要求:安全、密封、耐久组成:内壁,(夹层),外壁,(充填层)材料:单一或复合,如内壁=钢板+砼原则:适应工况与荷载合理的平面结构与材料研究外壁结构=弧板+混凝土+充填层？内壁结构=（钢板、弧板）+混凝土？内外层间材料？地层充填层外壁夹层内壁冻结井壁平面结构示意图当前30页，总共57页。2.5冻结井壁问题—冻结井壁竖向结构合理井壁的竖向结构研究井壁材料必沿深度变化!井壁沿深度如何合理分段?井壁必受附加力作用!采用何种结构适应附加力?夹层不处理必导水！如何阻断夹层的导水通竖向可缩井壁研究：可缩装置的形式、布置位置可缩装置的力学特性可缩装置的耐久性地表基岩以下略11123467891051-充填层；2-现浇砼外壁；3-塑料板；4-止水圈；5-弧板外壁；6-高强弧板外壁；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当前31页，总共57页。2.5冻结井壁问题—冻结井壁结构创新井壁夹层材料创新原来用塑料板，要壁间注浆现在要不用塑料板并免无去壁间注浆井壁结构创新原来为双层复合井壁现在要研究防水的单层井壁返回当前32页，总共57页。2.5冻结井壁问题—井壁材料-钢筋混凝土双层钢筋砼井壁厚度估算假设：1)内壁受1倍深度水压和自重作用，按双向受压计算；结构重要性系数为1.2，荷载分项系数为1.35。2)外壁受等于1.2倍深度水压的冻结压力作用，按单向受力计算；结构重要性系数为1.00，荷载分项系数为1.05。3)环向配筋率为0.6%，三级钢筋。当前33页，总共57页。2.5冻结井壁问题—井壁材料-钢筋混凝土当前34页，总共57页。2.5冻结井壁问题—井壁材料-钢板混凝土双层内钢板素混凝土冻结井壁，假设：1)内壁受1倍深度水压和自重作用，按双向受力计算；结构重要性系数为1.2，荷载分项系数为1.35。2)外壁受等于1.2倍深度水压的冻结压力作用，按单向受力计算；结构重要性系数为1.0，荷载分项系数为1.05。3)内、外壁均采用素混凝土(便于考察用钢量)，暂不考虑约束混凝土效应。4)钢板均位于内、外壁的内缘，竖向为螺栓联接。5)净直径7m，内、外壁厚度均为1000mm。当前35页，总共57页。2.5冻结井壁问题—井壁材料-钢板混凝土当前36页，总共57页。2.5冻结井壁问题—井壁材料从中可以看出：井壁的用钢量是很大的，为减小用钢量，在井壁中采用C90以上的高强混凝土是必要的。必须指出的是：钢板放在井壁的内侧是最省钢材的做法，实际上受施工工艺所限钢材可能分散于半径方向上，这时钢材用量会更大。为进一步减小井壁厚度，有必要对我国的冻结井壁结构进行改革，采用单层井壁结构，或考虑内外壁“先分后合”的结构。当前37页，总共57页。2.5冻结井壁问题—井壁材料-钢板混凝土为对单层井壁的用钢量进行考察，假设：1)井壁受等于1.3倍深度水压的永久水平地压作用，按单向受力计算；结构重要性系数为1.2，荷载分项系数为1.35。2)均采用素混凝土(便于考察用钢量)，暂不考虑约束混凝土效应。3)钢板均位于井壁的内缘，竖向为螺栓联接。4)井筒净直径7m，井壁总厚度1300mm。当前38页，总共57页。2.5冻结井壁问题—井壁材料-钢板混凝土当前39页，总共57页。2.5冻结井壁问题—井壁材料即使采用C100混凝土，在800m深处主、钢板的厚度分别要达到170mm。厚钢板焊接难，占用时间长宜采用钢骨混凝土井壁或铸钢（铁）弧板混凝土井壁、或高强钢纤维混凝土井壁。当前40页，总共57页。2.5冻结井壁问题—井壁材料-钢纤维混凝土对高强钢纤维单层井壁厚度进行考察，假设：1)井壁受等于1.3倍深度水压的永久水平地压作用，按单向受力计算；结构重要性系数为1.2，荷载分项系数为1.35。2)均采用高强钢纤维混凝土，不用考虑脆性折减系数，无钢筋。3)井筒净直径7m，计算深度为800m。返回当前41页，总共57页。2.5冻结井壁问题—小结冻结井壁结构创新单层防水冻结井壁研究单层冻结井壁竖向可缩装置研究内、外壁“先分后合”的新型冻结井壁结构钢骨约束混凝土井壁结构预应力混凝土井壁结构冻结井壁材料创新C130高强钢纤维混凝土研究C100自流平混凝土研究进一步发展双层复合井壁双层内钢板混凝土井壁双层弧板混凝土井壁开发新的井壁施工工艺井下恶劣环境下C100~C130混凝土和钢纤维混凝土施工工艺弧板、钢板、钢骨预应力混凝土井壁施工工艺返回当前42页，总共57页。2.6冻结壁问题2.6.1基本认识2.6.2外载和材料特性2.6.3冻结壁厚度估算2.6.4冻结管数量估算2.6.4冻结温度场分析2.6.6冻结方案优化2.6.7局部冻结技术2.6.8防止冻结管断裂理论与技术2.6.9冻结壁小结返回当前43页，总共57页。2.6冻结壁问题—基本认识对冻土壁计算的基本认识实际冻土墙的特性是一个非均质、各向异性的非线性体。随着土、水压力的逐渐增大，由弹性体、粘弹性体向粘弹塑性体过渡；沿深度看，厚度不等。理想化的模型均质、各向同性、等厚板；均质、各向同性、等厚筒。数值计算前提冻土墙温度场的分布，平均温度；人工冻土的力学性质(强度、本构关系，力学参数等)；荷载；几何参数（深度！）掘砌参数和条件（含时间、支护与冻土墙的相互作用）当前44页，总共57页。2.6冻结壁问题—基本认识人工冻土试验与实际条件的差异试验:重塑土、无压冻结、加载应力路径；实际:原位有压冻结,应力路径复杂(加、卸载)。冻结深度越深，二者差异越大！！水平外载（土压力）开挖前，因水平冻胀而大于静止土压力；开挖后，因冻结壁向临空面移动，土压力减小。主动土压力≤水平外载≤被动土压力矿山工程中取为0.013H当前45页，总共57页。2.6冻结壁问题—基本认识冻土力学性质与温度和时间有密切关系是温度场与力学场耦合问题，各点的参数与其温度相关，应按耦合场计算；流变效应必须充分予以考虑（时间强化与应力强化）。必考虑支护结构与冻结壁的相互作用可合理减薄冻结壁；支护结构应有一定的让压特性。当前46页，总共57页。2.6冻结壁问题—基本认识冻结壁与地层的相互作用规律冻结壁外载（水平、竖向）变化规律研究开挖前，冻结锋面上水平冻胀与竖直冻胀开挖后，冻结锋面上水平地压减小？冻结壁温度变形（应力）研究先以水结冰冻胀为主，后以冷缩变形为主，约20℃温差）冻结壁内水分迁移与冻胀应力场变化规律封闭水体会产生多大的压力？积蓄多少应变能冻结壁与井壁的相互作用规律冻结压力变化规律与冻结壁强度,p、段高、时间、土性、井壁等有关取经验值,有时Pd>p,国外实测最大Pd=0.0154H!!!冻结壁应力、应变及位移变化规律外层井壁应力、应变及位移变化规律当前47页，总共57页。2.6冻结壁问题—基本认识冻土的设计强度取值问题钢筋砼结构中，设计强度与试块强度间的关系已建立冻结壁结构中，设计强度与试块强度间的关系未建立冻土具有流变性，如何根据试块的强度来定设计强度?

冻结壁中冻土的平均强度取值问题做法：取为平均温度下的强度，偏于不安全！规律：冻土强度随温度降低而增加，增长率渐小原因：平均温度下的冻土强度＞冻土的平均强度冻土的平均强度如何取值？返回当前48页，总共57页。2.6冻结壁问题—外载和材料特性冻结壁的外载可暂按永久地压取为0.013H-20℃~-40℃冻结壁材料特性尚缺乏研究：用重塑土进行试验，试验方法要研究，试验成果少。对高压下原位冻结人工冻土的力学特性研究极少，远不能满足工程需要。返回当前49页，总共57页。2.6冻结壁问题—冻结壁厚度估算当前50页，总共57页。2.6冻结壁问题—冻结壁厚度估算返回当前51页，总共57页。2.6冻结壁问题—冻结管数量估算如冻结壁厚度为13.4m，有如下估算:宜布置四圈冻结管;需冻结管150~180个;冻结管总长度:120000~150000m冻结管需保温长度近50000m.返回当前52页，总共57页。2.6冻结壁问题—冻结温度场分析冻管温度场计算示例:掘进半径