陈四楼南风井钻井井壁可缩装置结构设计 -.pdf

2 0 1 2年第 6期 煤炭工程 陈 四楼南风井钻井井壁 可缩装置结构设计 刘 兴彦 ，杨志江 I ．永城煤 电控股集团有限公司 ，河南 永城4 7 6 6 0 0 ； 2 ．中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ； 3 ．中国矿业大学 力学与建筑工程学 院，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 竖直附加力是造成表土段井壁破裂的主要原因，陈四楼煤矿 南风井为我国首个应用 了管板组合式井壁可压缩装置的新建钻井井筒。根据陈四楼 南风井的 实际．Y - 程条件 ，完成 了该井 可缩装置的设计计算 ，并采用通 用有限元软件 A N S Y S进行 了井壁与可缩装置的相互作用分析， 校核 了漂浮下沉过程 中和使用期间井壁可缩装置的承载能力。 目前该可缩装置 已经投入使用，效 果 良好 ，对可缩钻井井壁的设计有一定的指导意义和 实用价值。 关键词 井壁破裂；钻井；井壁 ；可缩装置 ；可缩井壁 中图分类号 T D 2 6 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 2 0 6 - 0 0 0 5 -03 S t r uc t u r e De s i g n o f S hr i nk a bl e De v i c e App l i e d t o Dr i l l ng S ha ft Li ne r o f So ut h M i n e Ve nt i l a t i o n Sh a f t i n Che ns i l o u M i n e L I U X i n g y a n ，Y A N G Z h i j i a n g 1 ． Y o n g c h e n g C o a l a n d E l e c t r i c P o w e r G r o u p C o r p o r a t i o n L t d ． ，Yo n g c h e n g 4 7 6 6 0 0，C h in a ； 2 ． Na t io n a l Ke y L a b o f De e p Ro c k a n d S o i l Me c h a n i c s a n d Un d e r g r o u n d En g i n e e r i n g， Xu z h o u 2 2 1 0 08， C h i n a； 3 ． S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d A r c h i t e c t u r e E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a Ab s t r a c t A v e r t i c a l a d d i t i o n a l f o r c e wa s t h e ma i n f a c t o r t o c a u s e t h e mi n e s h a f t l i n e r b r o k e n a t t h e s u r f a c e o v e r b u r d e n s e c t i o n o f t h e mi n e s h a f t ． Th e S o u t h Ve n t i l a t i o n S h a f t o f C h e n s i l o u Mi n e i s a P e w f u l l mi n e d r i l l e d s h a f t fi r s t l y wi t h s h ri n k a b l e d e v i c e s a p p l i e d t o t h e t u b i n g a n d p l a t e c o mb i n e d s h a f t l i n e r i n Ch i n a ． Ac c o r d i n g t o t h e a c t u a l e n g i n e e rin g c o n d i t i o n s o f S o u t h Mi n e V e n t i l ati o n S h a f t i n C h e n s i l o u Mi n e ， t h e d e s i g n c a l c u l a t i o n o f t h e s h ri n k a b l e d e v i c e wa s c o mpl e t e d． Th e g e n e r a l f i n i t e e l e me n t s o f t wa r e ANSYS wa s a p p l i e d t o a n a l y z e t he i n t e r a c t i o n b e t we e n t h e mi ne s h a f t l i n e r a n d t h e s h ri n k a b l e d e v i c e a n d t o c h e c k t h e l o a d i n g c a p a c i t y o f t h e s h r i n k a b l e d e v i c e d u ri n g a fl o a t a t i o n s i n k i n g p r o c e s s a n d t h e a p pl i c a t i o n p e rio d． The s h r i n ka bl e d e v i c e h a d b e e n i n a pp l i c a t i o n wi t h g o o d e c t s a nd c o ul d ha v e c e r t a i n g ui d a n c e a nd a p pl i c a t i o n v a l u e t o t h e de s i g n o f t h e s hrink a b l e d ril l i n g s ha f t l i ne r ． Ke y wo r d s mi n e s h a f t l i n e r f a i l u r e；f u l l mi n e s h aft d r i l l i n g ； mi n e s h a f t l i n e r ； s h ri n k a b l e d e v i c e ； s h rin k a b l e s h a f t l i n e r l 概述 自1 9 8 7年以来 ，淮北 、大 屯、徐州 、永 夏、兖州 、枣 庄 、鹤壁 、东荣等矿 区已有 1 0 3个 立井 井简 相继 发生 了井 壁破裂灾害，造成了巨大的经济损失，严重威胁着矿井的 安全与生产 ⋯。中国矿业 大学 的研究 表 明，当表 土层 较厚 且存在 冲积含水层 失水 的条件 时 ，应 采用 新型井 壁结 构适 应地层沉降，限制竖直附加力的增长。 在华东地 区的淮北 、大 屯、徐 州、皖北 、兖州 、济 宁、 永城等矿区，东北的东荣矿区，共有 1 0 0多个在深厚冲积 层 中的井筒发生井 壁破 裂灾害 ，竖 直 附加 力是 导致井 壁破 裂的主要原因 。 。“ 可缩井壁结构 ”是基于井壁竖 直附加 力理论的井壁破裂灾害防治的重要技术，其技术原理是利 用放置在井壁 中的 “ 可缩装置 ” 的 “ 可缩” 性能 ，来 达到 削弱作用在井壁上 的竖直附加力 ，限制井 壁竖 向应力增 长 ， 从而保障井壁安全的目的 ，4 ⋯。管板组合式井壁可缩装 置是 中国矿业大学 总结 多年来 多种 井壁 可缩装 置现场 应用 经验而提 出的一种 井壁 可缩装 置 ，目前 已经广 泛应用 于井 壁破裂灾害防治工 程。陈 四楼南风 井是 我 国最 先应用 管板 组合式井壁可缩装置的钻井井简，于 2 0 0 5年开始运行，效 果良好。文章介绍该钻井井壁中可缩装置的设计情况。 陈四楼煤矿南风井井筒净直径 5 m，采用钻井法施工， 收稿 日期 2 0 1 2一 叭 一 0 7 作者简介 刘兴彦 1 9 6 6一 ，男 ，河南宁陵人 ，高级工程师 ，1 9 8 9年毕业 于原焦作矿业 学院 ，现任永城煤 电控股集 团 副总工程师 。 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭 工程 2 0 1 2年第 6期 井筒穿过冲积层厚度为 3 2 2 ． 2 5 m，表土段地质柱状见表 1 。 2管板组合式井壁可缩装置简介 该装置由钢板和钢管组合而成 ，结构示意图如图 1 所 示，实际应用时钢管与面板焊接 ，内外立板与面板焊接。 其原理是利用钢立板在竖 向荷载 下发 生弹塑性 大变形 而获 得竖向压缩量 ，中 间钢 管 主要起 防水作用 。这 种结构 具有 变形过程可预 知 ，焊缝受 力条件 好、不易开 缝 ，残余 结构 具有良好的防水性能等特点。 表 1 南风井表土段地质柱状 累厚／ m 层厚／ m 岩石名称 累厚／ m 层厚／ m 岩石名称 7 ． 6 O 7 ． 6 0 粘土 1 7 3 ． 5 0 1 5 ． 2 6 粘土 1 7 ． 7 9 1 0 ． 1 9 粉砂 1 9 6 ． 5 2 2 3 ． 0 2 细砂 2 1 ． 9 0 4 ． 1 1 砂质粘 土 1 9 8 ． 5 2 2 ． 0 0 粘土 2 5 ． 3 9 3 ． 4 9 粘土 2 0 3 ． 5 5 5 ． 0 3 细砂 2 8 ． 7 9 3 ． 4 O 砂质粘土 2 1 2 ． 6 8 9 ． 1 3 中砂 3 6 1 3 7 ． 3 4 粘土 2 1 5 ． 3 8 2 ． 7 0 粉砂 3 7 ． 1 3 1 ． 0 0 砂质粘土 2 1 8 ． 3 8 3 ． 0 0 砂质粘土 4 2 ． 2 O 5 ． 0 7 粘土 2 3 8 ． 7 7 2 0 ． 3 9 中砂 4 3 ． 7 5 I ． 5 5 粉砂 2 4 6 ， 2 0 7 ． 4 3 细砂 5 3 ． 8 0 l 0 ． 0 5 粘土 2 5 0 ． 5 0 4 ． 3 0 中砂 5 6 ． 5 6 2 ． 7 6 粉砂 2 5 4 ． 2 1 3 ． 7 1 砂质粘土 6 0 ． 4 8 3 ． 9 2 粘土 2 5 8 ． 5 3 4 ． 3 2 细砂 6 2 ． 1 8 1 ． 7 O 砂质粘 土 2 6 3 ． 1 3 4 ． 6 0 粘土 1 0 0 ． 5 8 3 8 ． 4 0 粘土 2 7 1 ． 2 3 8 ． 1 0 中砂 1 0 1 ． 3 8 0 ． 8 砂质粘 土 2 8 2 ． 8 0 1 1 ． 5 7 粘土 1 0 8 ． 3 6 6 ． 9 8 细砂 2 8 5 ． 5 7 2 ． 7 7 粉砂 1 2 4 ． 7 0 1 6 ． 3 4 粘土 2 9 4 ． 0 7 8 ． 5 0 粘 土 1 2 7 ． 6 O 2 ． 9 0 细砂 3 0 3 ． 6 4 9 ． 5 7 砂质粘土 1 5 5 ． 0 2 2 7 ． 4 2 砂质粘土 3 2 2 ． 2 5 1 8 ． 6 1 粘 土 1 5 8 ． 2 4 3 ． 2 2 细砂 钢管 内立板 板 板 b B放大 图 l 可缩装置结构示意图 该可缩装 置的设计 内容 有 设 置深 度、装置 宽度 、装 置净高 与可缩量相关 和内外立板的厚度。内外立板厚度 是其 主要设计 内容 ，按式 1 计算 。 ㈩ 6 式中p 。 ， 可缩结构竖 向承载力 ，MP a ； 可缩结构净高 ，m； t 内外壳体厚度 ，m； ∞ 可缩装置的宽度，m。 由此可得内外壳体厚度。设计时可根据可缩量要求定 出净高 h ，根据井壁厚度与施工要求确定可缩装置的宽度 W。根据可缩装 置竖 向设 计承载 力 p 计 算 出内外 立板 厚度 t 。上下面板 厚度 可取 与内外壳体 同厚或 略大 ，中间管子厚 度应等于或略小于内外立板厚度。 3 南风井钻井井壁可缩装置设计 含水层的疏排水降压是产生竖直附加力造成井壁破坏 的主要原 因。在疏排水 层底 面往往 是井 壁竖直 附加 应力最 大之 处。根 据 南 风 井 的地 质 柱 状 图 ，计 划 在 一 3 1 7 m和 一 2 9 2 m处分别设 置 一个可 缩装置 ，即在第 5 7段 、第 5 2段 井壁底部设置可缩装置。 3 ． 1 可缩装置宽度 可缩 装 置 处 井 壁 厚 度 均 为 7 5 0 ram，井 筒 净 径 为 5 0 0 0 ra m。井 壁浇注时 ，可缩装置可 以作 为所在井 壁 的下 法 兰 ，因此 可缩装 置 内外 径尺寸 按对 应的法 兰尺 寸取值 ，内 径为 5 0 0 0 ra m，外径为 6 5 0 0 ram，宽度 7 5 0 ram。 3 ． 2可缩装 置的 可缩量 根据可缩装置的几何特征，为了不使内外壳体和中间 钢管屈曲时 “ 抵触” ，按几何关系估算，可缩装置净高 h和 宽度 W需要满足 h 一 0 ．3 8 9 2 1 号 可缩装置宽度 w为 7 5 0 ra m，所以三个 可缩装 置 的装 置 净高 h需满足 h2 9 2 m m。 按管材规格，考虑一定的设防压缩量 ，可缩装置净高 取为2 4 5 m m。实际可缩量可按 h一 2 t 估算。 3 ． 3 可 缩装 置几何 尺寸确 定 可缩装置内外立板厚度是主要计算内容，其余部件尺 寸可根据内外立板厚度进行确定。 取装置设计荷载 为装 置上部 井壁 自重应 力 之 2倍 ，按 最深部装置进行设计，则 P 一20 ． 0 2 53 1 7 1 5 ． 8 5 MP a 3 代入式 1 计算可得立板厚度 2 3 m m，取 为 2 5 ram。 上下面板厚度取为 2 5 ra m，中间钢管厚度取为 1 6 ra m。 3 ． 4 可缩装置承载能力的有 限元校核 确定可缩装置几何尺寸后 ，用有限元分析其工作性能， 对可缩装置的承载能力进行校核。校核有两部分内容，其 一 是井壁漂浮下 沉过程 中可 缩装 置承载 能力校 核 ；其 二是 正常使用过程中可缩装置承载能力校核。 可缩装置材料为普通 Q e 3 5钢，弹性模量 2 1 0 G P a ，屈 服强度 2 3 5 MP a ，泊松比0 ． 2 8 。 计算模 型如 图 2所示 ，模 型底部 为 铰支 座 ，顶部 承受 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 6期 煤炭工 程 均布压力 P ，内立板 内侧受 均布压 力 P ，外 立板外 侧受 均 布压力 P 。M Y - 期内立板 内侧受 配重水 压力 ，外立 板外 侧 受泥浆压力，使用期外立板外侧承受水压。施丁期 P 0 ． 0 1 HMP a ， P 0 ． 0 1 2 HMP a ，H为可 缩装 置 埋设 深度 ；使 用期为P 0 ，P 0 ． 0 1 H MP a 。P 为所求可缩装置承载力。 图 2 可 缩装 置承载力校核计 算模 型 计算所得施工期和使用期可缩装置竖向荷载～位移曲 线如 图 3所 示 ，施工 期极 限荷 载 为 1 7 ． 1 8 8 M P a ，使 用期极 限荷载为 1 8 ． 0 2 8 M P a ，与设计荷载的相对误差分别为 8 ． 4 ％ 和 1 3 ． 7 ％。由载荷一 位移 曲线 可知 ，可缩装置 在达 到极 限 荷载后 ，能够产生 较大 的压缩 位移 ，从 而 限制 竖 向荷载 的 增长 。 图 3 计算所得载荷一 位移 曲线 3 ． 5井壁 强度验 算 为了保证设 置可缩 装置后 井壁 的安全 性 ，必须 对井 壁 进行 强度 验算 。南风井 井简设 上下 两层 可缩装 置 ，一般 情 况下 ，下层 可缩 装置 受力 大于上层 ，因此 只需对下 层可 缩 装置处井壁进行验算。根据井壁破裂实际情况 ，井壁常在 内缘破裂，只需验算内缘最危险点。 井壁外侧 压力 按地 压 P 0 ． 0 1 2 HMP a 计算 。竖 向荷 载为可缩装置竖向极限承载力。 O “ z 一P 一 1 8 ． 02 8MPa 一一 睾 o ． H ， 2 一； 三 2 0 0 1 2 3 1 7 一 1 8． 6 3 4MPa O - ， 坩 出 0 4 式 中r ， 内壁 内缘竖 向应力 ，MP a ； 内壁 内缘环 向应力 ，MP a ； ， 内壁 内缘径 向应力 ，MP a 。 混凝 土双 向受 压抗 压 强度 根据 G B 5 0 0 1 02 0 0 2取值 ， 底部可缩装置处 井壁混 凝 土标号 为 C 6 5 ，单 轴抗 压强 度标 准值 4 1 ． 5 MP a 。 O - 2 ／ o - 3 ／ o - 一1 8 ． 0 2 8 ／ 一1 8 ． 6 3 4 0 ． 9 6 7 1 ． 1 ． 2 x 41 ． 5 49 ．8MPa 0 ． 9 6 71 ． 0 ． 9 6 74 9 ． 84 8 ． 1 5 7 MP a 5 式 中 混凝土多轴强度 ，MP a 。 通过验算，可知满足 I I≤I I， 因此设置可缩 装置后井壁安全 。 4结论 1 可缩 钻井 井壁 结构 可适应地层沉 降 ，从而有效 限制 竖直附加力的增长，在表土层较厚且存在冲积含水层失水 的条件 的新 建井 筒中有较 高应用价值 。 2 陈四楼南风井井筒的地质情况符合竖直附加力出现 的条件 ，在井筒 建设 中安装 可缩装 置 ，从矿 井的安 全性 和 经济效益方面考虑是科学合理的。 3 结合陈四楼南风井实际地质条件 ，在表土与基岩交 界面附近安装两道可缩装置。井筒于 2 0 0 5年施工完成并安 全运营 ，这表明设计 方法 是可靠 的。 参考文献 杨维好 ，崔广心 ，周 国庆 ，等 ．特殊地层 条件下井壁破 裂 机理与防治技术 的研究 之 一 [ J ] ．巾 国矿业 大学学 报 ， 1 9 9 6 ，2 5 4 1 ～5 ． 崔广心 ，杨 维好 ，吕恒林．深厚 冲积层 中的冻结壁 和井 壁 [ M] ．徐州 中国矿业大学出版社 ，1 9 9 8 ． 吕恒林 ，崔广 心．深 厚表 土 中井 壁结 构破 裂 的力 学机 理 [ J 】 ．中国矿业大学学报 ，1 9 9 9 ，2 8 6 5 3 9～ 5 4 3 ． 杨志江．管板 组合式 井壁 可缩装 置研 究与应 用[ D] ．徐 州 中国矿业大学，2 0 0 4 ． 崔广 心．深 厚 表 土 中 圆筒 形 冻 结 壁和 井 壁 的 力学 分 析 [ J ] ．煤炭科学技术，2 0 0 8 ， 3 6 1 0 1 7 ～ 2 1 ． 吕恒林 ，杨维好 ，程锡 禄，等．特殊地层 条件下井 壁破裂 机理与防治技术的研究 之二 [ J ] 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