2024-01-02
① 针对西部地区富水弱胶结地层中深、大钻井井筒“一钻成井”支护难题，研发了高强钢板-混凝土复合井壁新型结构。② 通过模型试验和数值分析，揭示了高强钢板-混凝土复合井壁力学特性和高强钢板提高井壁承载力的作用机制。③ 建立了高强钢板-混凝土复合井壁承载力和混凝土抗压强度提高系数的计算公式，为该种井壁结构工程应用提供了基础。作者：姚直书1, 2 ， 许永杰2 ， 程 桦1, 2 ， 方 玉2 ， 王宗金3 ， 王 瑞2单位：1. 安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心;2. 安徽理工大学 土木建筑学院;3. 中煤特殊凿井集团有限责任公司 我国煤炭资源丰富，在今后较长时期内，煤炭仍将是我国能源安全的“稳定器”和“压舱石”。随着我国煤炭产业重心西移，内蒙古、陕西、新疆等地开展了大规模的煤矿新井建设。这些新建矿井具有井筒深、直径大等特点，特别是要穿越深厚的白垩系、侏罗系岩层，其成岩晚、弱胶结、强度低，遇水砂化、泥化。由于这类地层富含水、水头高、且主要为孔隙−裂隙含水岩层，注浆封水效果差，采用普通法施工难以通过，需采用特殊法凿井。钻井法凿井是矿山立井井筒穿过深厚含水不稳定地层的一种机械化、自动化凿井方法。与冻结法相比，具有作业环境好、机械化程度高、井壁混凝土浇筑质量好和施工安全等优点，是今后深立井凿井的发展方向。为此，延长石油可可盖煤矿中央进、回风立井(其直径和钻井深度皆为6.0和510.0 m)率先在西部地区采用钻井法凿井，目前二井筒正在施工过程中。今后，西部将有更多的深立井井筒采用钻井法施工。钻井法凿井虽在我国中、东部地区矿井建设中得到推广应用，但其最大钻井深度只有660 m，且采用“一次导向钻进、多次扩孔钻进”工艺，综合成井速度太慢；目前，只在直径较小、深度不大的钻井井筒工程中应用了“一钻成井”新工艺，提高了凿井速度，如朱集西矸石井净直径为5.0 m、钻井深度为540.0 m。但在西部地区深厚富水弱胶结岩层中目前还缺少钻井法凿井快速施工的成功经验。特别是对于西部地区井筒深、直径大的深立井钻井井筒，要实现快速、高效建井，在选择钻井法凿井时就需要采用“一钻成井”施工工艺。根据钻井法凿井工程设计方法可知，在现有钻机能力、充填工艺和钻进偏斜等情况下，对于穿越西部地区富水弱胶结地层的深、大钻井井筒，要实现“一钻成井”快速施工，钻井井壁既要具有高承载力和防水性能，又要控制井壁厚度。而根据工程地质、水文条件和地下工程支护理论表明，对于西部地区穿越深厚富水弱胶结地层的深、大钻井井筒而言，在正常使用阶段，井壁将要承受水岩压力作用，其中高承压水是其主要荷载。在高压水作用下，大直径钻井井壁设计计算应力很大。因此，在深、大钻井井筒中下部，既要抵御强大的承压水外荷载，又要控制井壁厚度，就必须要采用高强井壁结构。根据钻井井壁结构设计理论可知，在井壁厚度一定条件下，通常提高井壁承载力的技术途径主要有提高混凝土强度等级、加大钢板厚度和采用高强度钢板等。由于受到混凝土原材料供应、井壁制作工艺和钢板筒加工条件的限制，采用前2种方法仍不能满足深、大钻井井筒“一钻成井”快速施工要求。为此，笔者提出采用高强度钢板来提高钻井井筒复合井壁的承载力，以解决西部地区富水弱胶结岩层深、大钻井井筒“一钻成井”支护难题。高强钢板(通常是指其屈服强度不小于460 MPa)在一些特殊结构中已得到工程应用，通过对高强钢板–混凝土复合结构的研究表明，高强钢板可以显著提高复合结构的抗压、抗折及抗震等性能，具有广阔的应用前景。在钻井井壁结构研究方面，杨志江等对温家庄铁矿钻井井壁施工期间井壁混凝土应变进行监测，获得了施工期间钻井井壁的力学特性；洪伯潜通过模型试验与工程应用相结合的方法验证了约束混凝土结构可显著提高井壁的整体承载能力；齐善忠等基于相似理论对内钢板复合井壁水平承载力进行了研究，分析得到井壁承载力的主要影响因素并建立了经验公式；张弛等运用有限元方法对双层钢板混凝土钻井井壁进行模拟研究，提出了钢板厚度设计建议；笔者通过对双层钢板高强混凝土复合井壁的研究，提出了该种井壁结构的设计优化方法，并应用于朱集西煤矿矸石井，确保了该钻井井筒采用“一钻成井”工艺快速施工。综上所述，目前针对西部地区深厚含水弱胶结岩层中高强钻井井壁结构研究还少见，更未见高强钢板–混凝土复合井壁结构承载力研究成果的报道文献。为此，笔者开展了高强钢板–混凝土复合井壁结构力学特性研究，为钻井法凿井在我国西部地区实现“一钻成井”快速施工提供基础。针对西部地区富水弱胶结地层中深、大钻井井筒“一钻成井”支护难题，提出采用高强钢板−混凝土复合井壁新型结构。首先，以内蒙古鄂尔多斯市陶忽图煤矿北风井为工程原型，基于相似理论推导了复合井壁结构模型试验相似指标，通过正交模型试验，研究了不同井壁厚度、混凝土强度等级和钢板型号情况下高强钢板−混凝土复合井壁的力学特性。其次，采用数值模拟方法，计算分析了高强钢板−混凝土复合井壁极限承载力的影响因素及其变化规律。然后，根据模型试验与数值计算结果，构建了高强钢板−混凝土复合井壁承载力和混凝土抗压强度提高系数计算公式，并给出了各影响因素的取值范围，同时提供了该种井壁结构的工程应用设计优化方法。最后，分析了复合井壁结构中锚卡的力学作用效应。研究结果表明，在复合井壁结构中，由于高强钢板屈服强度高，可更好地对中间混凝土产生复合约束作用，混凝土抗压强度提高系数可达2.3～2.6，井壁承载力显著提高。在相同条件下，与Q345钢板相比，高强钢板(Q460～Q620)−混凝土复合井壁的极限承载力可提高7.14%～19.46%，井壁厚度可减薄8.18%～19.52%，且增大内层钢板厚度更有助于提高井壁极限承载力。复合井壁结构中锚卡约束着内钢板，使其达到屈服应力后不会过早发生屈曲失稳，同时对中间混凝土提供约束作用，保证其处于三向受压状态，2者起到很好的复合作用，有利于井壁结构整体受力。
图 1 井壁模型的加工示意
图 2 加工完成的高强钢板–混凝土复合井壁结构模型
图 3 电阻应变计布置
图 4 位移传感器布置
图 5 井壁液压加载装置
图 6 试验加载系统和测试系统
图 7 环向应变随荷载变化曲线
图 8 环向应力随荷载变化曲线
图 9 井壁的破坏形态
图 10 井壁径向变形随荷载的变化曲线
图 11 高强钢板–混凝土复合井壁受力机理示意
图 12 各参数对高强钢板–混凝土复合井壁极限承载力的影响
图 13 锚卡作用分析模型
图 14 锚卡径向应变分布曲线
图 15 井壁各部件临近破坏时的应力特征
姚直书，男，1963年1月24日生，安徽舒城人，二级教授，博士生导师，享受国务院特殊津贴，安徽省学术和技术带头人，安徽省高校学科（专业）拔尖人才，安徽省岩石力学与工程学会常务理事。研究成果先后获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖6项、二等奖5项，发表学术论文110余篇，获授权发明专利30余件。
研究方向
岩土工程支护理论与施工技术
主要成果
长期从事于矿山地下工程支护理论与施工技术的研究，取得多项创新性成果，特别是在复杂地质条件下特殊法凿井井壁研究方法，提出了新型系列高强井壁结构形式及其设计优化方法，有效地解决了深立井井筒支护难题。研究成果在多个矿区得到了推广应用，取得了显著的社会经济效益。
来源：
姚直书，许永杰，程桦，等. 西部钻井法“一钻成井”新型高强复合井壁力学特性[J]. 煤炭学报，2023，48(12):4365−4379.
责编：王 凡 责任编辑：宫在芹
