特殊地層條件下井壁破裂災害防治技術20130318

1、中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室二二一三年三月十八日一三年三月十八日一、相關概念一、相關概念二、破裂情況二、破裂情況三、破裂機理三、破裂機理四、預防技術四、預防技術五、治理技術五、治理技術六、應用效果六、應用效果1.3.4.井壁材料與結構井壁材料與結構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表土層表土層強度低：強度低：500kPa，軟粘土，軟粘土50kPa含水量大：含水量大：1260%涌水量大：多達涌水量大：多達3

2、000m3/hn對于厚表土層對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?。▋鼋Y法或鉆井法）（凍結法或鉆井法）n凍結法：先在井凍結法：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凍結壁，然后在凍結壁壁，然后在凍結壁保護下進行外層井保護下進行外層井壁和內層井壁的施壁和內層井壁的施工。工。n凍結井壁：一般凍結井壁：一般為雙層井壁。為雙層井壁。凍結法鑿井示意凍結法鑿井示意n鉆井法：先利用大鉆井法：先利用大型鉆機鉆出井孔，然型鉆機鉆出井孔，然后在充滿泥漿的井孔后在充滿泥漿的井孔中，將地面預制好井中，將地面預

3、制好井壁漂浮下沉到底，再壁漂浮下沉到底，再進行壁后充填固井。進行壁后充填固井。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地層充填層外壁夾層內壁凍結井壁徑向結構示意圖凍結井壁徑向結構示意圖凍結井壁凍結井壁地表基巖以下略11123467891051-充填層；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)澆砼內壁；8-可縮接頭；9-單鋼板砼內壁；10-雙鋼板砼內壁;11-井筒中心線凍結井壁縱向結構示意圖凍結井壁縱向結構示意圖n特殊地層：凡特殊地層：凡開采（采礦、采開采（采礦、采水）或施工活動水）或施工活動（如凍結、排水（如凍結、

4、排水等）能引起地層等）能引起地層固結沉降的地層固結沉降的地層結構。結構。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)計按地域統(tǒng)計按類型統(tǒng)計按類型統(tǒng)計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.地層沉降引起井架偏斜情況照片2.井壁“長”出地面情況照片2.凍結管“長”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.井壁嚴重井壁嚴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

5、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，礦井內，礦井8h內被淹。內被淹。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大淹淹井井井壁井壁破壞破壞實例實例3.1.1.開采活動使表土壓縮開采活動使表土壓縮土層相對井壁下沉土層相對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國礦業(yè)大學中國礦業(yè)大學1989年首次提出井壁破裂機理年首次提出井壁破裂機理1.1.1.iiCpRBiittVHzAzf00,1.2.u凍結井

6、壁凍結井壁(雙層雙層)：有：有8個凍結井筒采用了新型滑個凍結井筒采用了新型滑動可縮井壁，但其中動可縮井壁，但其中3個在凍結壁融化期間發(fā)生了個在凍結壁融化期間發(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個鉆井井筒采用加強井壁個鉆井井筒采用加強井壁法硬抗附加力，實測結果表明它們仍面臨井壁破法硬抗附加力，實測結果表明它們仍面臨井壁破裂危險！裂危險！n20052005年以前已有技術及其存在的問題年以前已有技術及其存在的問題n已有技術不能預防新建井壁發(fā)生破裂災害！已有技術不能預防新建井壁發(fā)生破裂災害！防透水技術防透水技術(滿足密封要求滿足密封要求)防失穩(wěn)技術防失穩(wěn)技術(滿足

7、剛度要求滿足剛度要求)防破裂技術防破裂技術(滿足強度要求滿足強度要求)施工關施工關鍵技術鍵技術井壁結井壁結構技術構技術井壁所井壁所受外載受外載理論解析理論解析數(shù)值計算數(shù)值計算物理模擬物理模擬工程實測工程實測特殊地層條件下井壁破裂災害防治技術特殊地層條件下井壁破裂災害防治技術1.井壁附加力研究井壁附加力研究2.井壁結構技術井壁結構技術3.施工關鍵技術施工關鍵技術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)研究鉆井井壁與土層交界面的力學特性。研究鉆井井壁與土層交界面的力學特性。1)1)凍結壁融沉過程中凍結壁融沉過程中井壁井壁受力的機理未知；受力的機理未知；2

8、)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)凍結壁水、熱、力三場耦合分析；凍結壁水、熱、力三場耦合分析；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)獲得了凍結井壁融沉附加力變化規(guī)律和數(shù)值，獲得了凍結井壁融沉附加力變化規(guī)律和數(shù)值，為井壁設計提供了依據(jù)。為井壁設計提供了依據(jù)。 融沉附加力變化規(guī)律融沉附加力變化規(guī)律數(shù)值計算模型數(shù)值計算模型物理模擬試驗物理模擬試驗2) 首次發(fā)現(xiàn)凍結壁首次發(fā)現(xiàn)凍結壁融沉可導致井壁破融沉可導致井壁破裂災害，這一結論裂災害，這一結論已被

9、工程證實；建已被工程證實；建立了融沉條件下井立了融沉條件下井壁安全評估方法。壁安全評估方法。某礦井壁在凍結壁融沉階段破裂某礦井壁在凍結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；證實當獲得了疏水附加力的變化規(guī)律與數(shù)值；證實當土層較厚時，硬抗附加力是不合理的。土層較厚時，硬抗附加力是不合理的。 附加應力分布規(guī)律附加應力分布規(guī)律界面力學特性試驗系統(tǒng)界面力學特性試驗系統(tǒng)井壁疏水附加力井壁疏水附加力豎直附加壓應力豎直附加壓應力-深度曲線深度曲線豎直附加壓應力豎直附加壓應力-時間曲線時間曲線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

10、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、適應地層沉降的新探索封水性能好、適應地層沉降的新型井壁結構形式及其設計計算方法。型井壁結構形式及其設計計算方法。1)1)研究提出新型井壁結構形式；研究提出新型井壁結構形式；2)2)研究新型井壁的力學特性。研究新型井壁的力學特性。1)1)發(fā)明了能適應地層沉降的內層可縮凍結井壁發(fā)明了能適應地層沉降的內層可縮凍結井壁技術和單層可縮鉆井井壁技術，掌握了新型井技術和單層可縮鉆井井壁技術，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, ,提出了可縮井壁設計方法。

11、提出了可縮井壁設計方法。cuhcfpKmaxcuzvfK101rr0.2403 3.55960.24490.4858 1 9.7379hcvvKKK內層可縮井壁示意內層可縮井壁示意大型模擬試驗大型模擬試驗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，提出了設計方法。該種可縮接頭具有壓縮率高、了設計方法。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。、恒阻可縮等優(yōu)點。可縮接頭受力過程示意可縮接頭受力過程示意模擬試驗模擬試驗wttprlcr/ )515.310405.242(p3p1p2 inoutinoutFFGGGF其它融沉 inGFin inFF允許1)1)凍結井壁可縮接頭凍結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時可縮接頭可能失穩(wěn)時可縮接頭可能失穩(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，開發(fā)阻尼器技術，提高可縮接頭的穩(wěn)定提高可縮接頭的穩(wěn)定性。