特殊地層條件下井壁破裂災(zāi)害防治技術(shù)20130318

1、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二二一三年三月十八日一三年三月十八日一、相關(guān)概念一、相關(guān)概念二、破裂情況二、破裂情況三、破裂機(jī)理三、破裂機(jī)理四、預(yù)防技術(shù)四、預(yù)防技術(shù)五、治理技術(shù)五、治理技術(shù)六、應(yīng)用效果六、應(yīng)用效果1.3.4.井壁材料與結(jié)構(gòu)井壁材料與結(jié)構(gòu)5.特殊地層特殊地層n 淺表土：厚度淺表土：厚度 100m（地鐵表土地鐵表土50m100m（萬福（萬福753m表土）表土）n 表土層表土層強(qiáng)度低：強(qiáng)度低：500kPa，軟粘土，軟粘土50kPa含水量大：含水量大：1260%涌水量大：多達(dá)涌水量大：多

2、達(dá)3000m3/hn 對(duì)于厚表土層對(duì)于厚表土層地壓大地壓大涌水量大涌水量大水壓大水壓大涌水、流砂、流土！必須用特殊工法鑿井！涌水、流砂、流土！必須用特殊工法鑿井！（凍結(jié)法或鉆井法）（凍結(jié)法或鉆井法）n凍結(jié)法：先在井凍結(jié)法：先在井筒周圍形成封閉的筒周圍形成封閉的凍土帷幕凍土帷幕凍結(jié)凍結(jié)壁，然后在凍結(jié)壁壁，然后在凍結(jié)壁保護(hù)下進(jìn)行外層井保護(hù)下進(jìn)行外層井壁和內(nèi)層井壁的施壁和內(nèi)層井壁的施工。工。n凍結(jié)井壁：一般凍結(jié)井壁：一般為雙層井壁。為雙層井壁。凍結(jié)法鑿井示意凍結(jié)法鑿井示意n鉆井法：先利用大鉆井法：先利用大型鉆機(jī)鉆出井孔，然型鉆機(jī)鉆出井孔，然后在充滿泥漿的井孔后在充滿泥漿的井孔中，將地面預(yù)制好井中，將

3、地面預(yù)制好井壁漂浮下沉到底，再壁漂浮下沉到底，再進(jìn)行壁后充填固井。進(jìn)行壁后充填固井。n鉆井井壁：為單層鉆井井壁：為單層井壁井壁。鉆井法鑿井示意鉆井法鑿井示意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混凝土內(nèi)貫穿裂縫漏水混凝土內(nèi)貫穿裂縫漏水! ! 壞處壞處: :治理時(shí)必須破壁注治理時(shí)必須破壁注漿！漿！l外壁主要為臨時(shí)支護(hù)外壁主要為臨時(shí)支護(hù) 好處好處: :可豎向和徑向承載可豎向和徑向承載, ,但必要時(shí)可將其犧牲但必要時(shí)可將其犧牲! !地層充填層外壁夾層內(nèi)壁凍結(jié)井壁徑向結(jié)構(gòu)示意圖凍結(jié)井壁徑向結(jié)構(gòu)示意圖凍結(jié)井壁凍結(jié)井壁地表基巖以下略11123467891051-充填

4、層；2-現(xiàn)澆砼外壁；3-塑料板；4-止水圈；5-鋼纖維砼外壁；6-鋼骨-鋼纖維砼外壁；7-現(xiàn)澆砼內(nèi)壁；8-可縮接頭；9-單鋼板砼內(nèi)壁；10-雙鋼板砼內(nèi)壁;11-井筒中心線凍結(jié)井壁縱向結(jié)構(gòu)示意圖凍結(jié)井壁縱向結(jié)構(gòu)示意圖n特殊地層：凡特殊地層：凡開采（采礦、采開采（采礦、采水）或施工活動(dòng)水）或施工活動(dòng)（如凍結(jié)、排水（如凍結(jié)、排水等）能引起地層等）能引起地層固結(jié)沉降的地層固結(jié)沉降的地層結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。特殊地層條件示意特殊地層條件示意1.1.唯一唯一通道通道立井立井井筒井筒表土層表土層1.1.按地域統(tǒng)計(jì)按地域統(tǒng)計(jì)按類型統(tǒng)計(jì)按類型統(tǒng)計(jì)破破裂裂井井筒筒數(shù)數(shù)1.2.典型井壁破裂情況照片2.典型管路彎曲情況照片2.

5、地層沉降引起井架偏斜情況照片2.井壁“長(zhǎng)”出地面情況照片2.凍結(jié)管“長(zhǎng)”出地面情況照片2.2.3.井筒裝備失穩(wěn)，造成卡罐示意井筒裝備失穩(wěn)，造成卡罐示意3.井壁嚴(yán)重井壁嚴(yán)重破裂處破裂處破裂處失穩(wěn)，引起塌井示意圖破裂處失穩(wěn)，引起塌井示意圖3.破裂漏破裂漏水處水處破裂處漏水，引起塌井示意圖破裂處漏水，引起塌井示意圖1999年年,山東某礦，在山東某礦，在242m深處，井壁因小孔出水、帶深處，井壁因小孔出水、帶砂，很快將井壁淘蝕出大洞，砂，很快將井壁淘蝕出大洞，泥砂以泥砂以5萬萬m3/h流量潰入井流量潰入井內(nèi)，礦井內(nèi)，礦井8h內(nèi)被淹。內(nèi)被淹。3.井壁漏水帶砂井壁漏水帶砂水砂沖蝕水砂沖蝕使孔洞加大使孔洞加

6、大淹淹井井井壁井壁破壞破壞實(shí)例實(shí)例 破壞井筒裝備破壞井筒裝備n罐道、管路失穩(wěn)，罐梁變形罐道、管路失穩(wěn)，罐梁變形 破壞提升容器及井底裝備破壞提升容器及井底裝備n破裂下來的大混凝土砸壞罐籠、箕斗、破裂下來的大混凝土砸壞罐籠、箕斗、井底裝備井底裝備 影響提升安全影響提升安全n傷人員、卡罐、斷繩傷人員、卡罐、斷繩 涌砂、冒泥涌砂、冒泥n可能造成災(zāi)難性后果！可能造成災(zāi)難性后果！ 降低了井壁抵抗地壓的能力降低了井壁抵抗地壓的能力n可能造成井筒垮塌可能造成井筒垮塌3.1.1.開采活動(dòng)使表土壓縮開采活動(dòng)使表土壓縮土層相對(duì)井壁下沉土層相對(duì)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、國(guó)礦業(yè)大學(xué)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)1989年首次提出井壁破裂機(jī)理年首次提出井壁破裂機(jī)理1.1.1.iiCpRBiittVHzAzf00,1.2.u凍結(jié)井壁凍結(jié)井壁(雙層雙層)：有：有8個(gè)凍結(jié)井筒采用了新型滑個(gè)凍結(jié)井筒采用了新型滑動(dòng)可縮井壁，但其中動(dòng)可縮井壁，但其中3個(gè)在凍結(jié)壁融化期間發(fā)生了個(gè)在凍結(jié)壁融化期間發(fā)生了井壁破裂事故！井壁破裂事故！u鉆井井壁鉆井井壁(單層單層)：有：有4個(gè)鉆井井筒采用加強(qiáng)井壁個(gè)鉆井井筒采用加強(qiáng)井壁法硬抗附加力，實(shí)測(cè)結(jié)果表明它們?nèi)悦媾R井壁破法硬抗附加力，實(shí)測(cè)結(jié)果表明它們?nèi)悦媾R井壁破裂危險(xiǎn)！裂危險(xiǎn)！n20052005年以前已有技術(shù)及其存在的問題年以前已有技術(shù)及其存在的問題n 已有技術(shù)

8、不能預(yù)防新建井壁發(fā)生破裂災(zāi)害！已有技術(shù)不能預(yù)防新建井壁發(fā)生破裂災(zāi)害！防透水技術(shù)防透水技術(shù)(滿足密封要求滿足密封要求)防失穩(wěn)技術(shù)防失穩(wěn)技術(shù)(滿足剛度要求滿足剛度要求)防破裂技術(shù)防破裂技術(shù)(滿足強(qiáng)度要求滿足強(qiáng)度要求)施工關(guān)施工關(guān)鍵技術(shù)鍵技術(shù)井壁結(jié)井壁結(jié)構(gòu)技術(shù)構(gòu)技術(shù)井壁所井壁所受外載受外載理論解析理論解析數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算物理模擬物理模擬工程實(shí)測(cè)工程實(shí)測(cè)特殊地層條件下井壁破裂災(zāi)害防治技術(shù)特殊地層條件下井壁破裂災(zāi)害防治技術(shù)1.井壁附加力研究井壁附加力研究2.井壁結(jié)構(gòu)技術(shù)井壁結(jié)構(gòu)技術(shù)3.施工關(guān)鍵技術(shù)施工關(guān)鍵技術(shù)1)1)研究融沉過程中土和井壁的相互作用；研究融沉過程中土和井壁的相互作用；2)2)研究鉆井井壁

9、與土層交界面的力學(xué)特性。研究鉆井井壁與土層交界面的力學(xué)特性。1)1)凍結(jié)壁融沉過程中凍結(jié)壁融沉過程中井壁井壁受力的機(jī)理未知；受力的機(jī)理未知；2)2)在疏水條件下鉆井井壁附加力大小未知。在疏水條件下鉆井井壁附加力大小未知。1)1)凍結(jié)壁水、熱、力三場(chǎng)耦合分析；凍結(jié)壁水、熱、力三場(chǎng)耦合分析；2)2)鉆井井壁與土層交界面建模方法、界面參鉆井井壁與土層交界面建模方法、界面參數(shù)取值。數(shù)取值。iiCpRBiittVHzAzf00,1)1)獲得了凍結(jié)井壁融沉附加力變化規(guī)律和數(shù)值，獲得了凍結(jié)井壁融沉附加力變化規(guī)律和數(shù)值，為井壁設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。為井壁設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 融沉附加力變化規(guī)律融沉附加力變化規(guī)律數(shù)值計(jì)算

10、模型數(shù)值計(jì)算模型物理模擬試驗(yàn)物理模擬試驗(yàn)2) 首次發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁首次發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁融沉可導(dǎo)致井壁破融沉可導(dǎo)致井壁破裂災(zāi)害，這一結(jié)論裂災(zāi)害，這一結(jié)論已被工程證實(shí)；建已被工程證實(shí)；建立了融沉條件下井立了融沉條件下井壁安全評(píng)估方法。壁安全評(píng)估方法。某礦井壁在凍結(jié)壁融沉階段破裂某礦井壁在凍結(jié)壁融沉階段破裂某礦井壁可縮某礦井壁可縮裝置壓縮情況裝置壓縮情況3)3)獲得了疏水附加力的變化規(guī)律與數(shù)值；證實(shí)當(dāng)獲得了疏水附加力的變化規(guī)律與數(shù)值；證實(shí)當(dāng)土層較厚時(shí)，硬抗附加力是不合理的。土層較厚時(shí)，硬抗附加力是不合理的。 附加應(yīng)力分布規(guī)律附加應(yīng)力分布規(guī)律界面力學(xué)特性試驗(yàn)系統(tǒng)界面力學(xué)特性試驗(yàn)系統(tǒng)井壁井壁疏水疏水附加力附加力豎直

11、附加豎直附加壓應(yīng)壓應(yīng)力力-深度曲線深度曲線豎直附加豎直附加壓應(yīng)壓應(yīng)力力-時(shí)間曲線時(shí)間曲線1)1)掌握新型井壁和地層的相互作用規(guī)律；掌握新型井壁和地層的相互作用規(guī)律；2)2)解決新型井壁防水和失穩(wěn)問題。解決新型井壁防水和失穩(wěn)問題。探索封水性能好、適應(yīng)地層沉降的新探索封水性能好、適應(yīng)地層沉降的新型井壁結(jié)構(gòu)形式及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法。型井壁結(jié)構(gòu)形式及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法。1)1)研究提出新型井壁結(jié)構(gòu)形式；研究提出新型井壁結(jié)構(gòu)形式；2)2)研究新型井壁的力學(xué)特性。研究新型井壁的力學(xué)特性。1)1)發(fā)明了能適應(yīng)地層沉降的內(nèi)層可縮凍結(jié)井壁發(fā)明了能適應(yīng)地層沉降的內(nèi)層可縮凍結(jié)井壁技術(shù)和單層可縮鉆井井壁技術(shù)，掌握了新型井技術(shù)

12、和單層可縮鉆井井壁技術(shù)，掌握了新型井壁的豎向承載特性及其與地層相互作用規(guī)律壁的豎向承載特性及其與地層相互作用規(guī)律, ,提出了可縮井壁設(shè)計(jì)方法。提出了可縮井壁設(shè)計(jì)方法。cuhcfpKmaxcuzvfK101rr0.2403 3.55960.24490.4858 1 9.7379hcvvKKK內(nèi)層可縮井壁示意內(nèi)層可縮井壁示意大型模擬試驗(yàn)大型模擬試驗(yàn)2)2)研究、發(fā)明了一種新型井壁可縮接頭，提出研究、發(fā)明了一種新型井壁可縮接頭，提出了設(shè)計(jì)方法。該種可縮接頭具有壓縮率高、了設(shè)計(jì)方法。該種可縮接頭具有壓縮率高、全全壓縮過程中不滲漏壓縮過程中不滲漏、恒阻可縮等優(yōu)點(diǎn)。、恒阻可縮等優(yōu)點(diǎn)。可縮接頭受力過程示意可縮接頭受力過程示意模擬試驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)wttprlcr/ )515.310405.242(p3p1p2 inoutinoutFFGGGF其它融沉 inGFin inFF允許1)1)凍結(jié)井壁可縮接頭凍結(jié)井壁可縮接頭和混凝土的界面易形和混凝土的界面易形成施工縫，可能成為成施工縫，可能成為滲水通道。滲水通道。井壁滲漏水通道井壁滲漏水通道滲水通道滲水通道2)鉆井井壁漂浮下沉鉆井井壁漂浮下沉?xí)r可縮接頭可能失穩(wěn)時(shí)可縮接頭可能失穩(wěn)鉆井井壁漂浮失穩(wěn)示意鉆井井壁漂浮失穩(wěn)示意1)1)在界面附近增加易在界面附近增加易施工的過渡層；施工的過渡層；2)開發(fā)阻尼器技術(shù)，開發(fā)阻尼器技術(shù)，提