钻井法凿井壁后充填大比重水泥浆研制及其耐久性能

为提升西部地区深大钻井井筒第一段高壁后充填置换效果,提出采用大比重水泥浆作为新型壁后充填材料。首先,通过对比试验,优选重晶石粉作为加重剂、硅酸镁铝为悬浮剂。然后,采用正交试验和极差分析法,分析了水灰比、重晶石粉、硅酸镁铝和膨胀剂掺量对大比重水泥浆的密度、初凝时间、流动度、3 d及28 d抗压强度的影响,采用综合平衡法确定了大比重壁后充填材料的最优配合比为水泥∶水∶重晶石粉∶硅酸镁铝∶膨胀剂∶减水剂=1∶0.55∶0.5∶0.03∶0.025∶0.015。硫酸盐溶液侵蚀对比试验表明,与常用的水泥浆充填材料相比,大比重水泥浆充填材料具有可靠的耐久性能。最后,通过XRD和SEM分析了优选组加重水泥浆在3 d和28 d的水化产物和微观结构,揭示其优异抗渗性和耐久性能的机理。研究结果可为西部地区深大钻井井筒壁后充填提供大比重、高强度、低渗透以及耐久性好的新型壁后充填材料。

温度梯度对树脂锚固材料蠕变特性的影响

为探究深部巷道围岩锚固支护结构在高地温环境下的长期稳定性,以树脂锚固材料为例,利用单轴压缩试验、单轴蠕变试验以及蠕变修正模型,研究了树脂锚固材料在不同温度环境下的自身强度及蠕变特性。结果表明:温度对树脂锚固剂抗压强度的影响比较大,抗压强度随着温度的升高大致呈线性衰减,衰减速率约为0.48 MPa/℃;随着温度升高和应力水平的增加,树脂锚固剂的蠕变量和蠕变速率逐渐加快,蠕变破坏阈值减小;修正过后的广义开尔文蠕变模型不仅极大地克服了原蠕变模型在加载应力范围上的局限性,还可以很好地描述并且预测不同温度、不同应力水平下的树脂锚固剂的蠕变特性和变化趋势;SEM电镜扫描显示,温度越高,树脂锚固剂内部的裂缝就越明显。

钻井法凿井气-液-固耦合排渣流场及刀盘吸渣口优化

针对西部地区侏罗系地层煤矿立井钻井法施工中出现的气举反循环洗井排渣与钻进效率低下问题,以陕西可可盖煤矿中央回风立井ϕ4.2 m超前钻井为工程背景,基于CFD-DEM(计算流体力学和离散单元法耦合)研究方法,建立了气-液-固多相耦合排渣数值模型,揭示了排渣管内、井底流场的速度及压力分布规律,并基于自研的气举反循环排渣试验装置,采用PIV(粒子图像测速法)测试技术对流场分布的正确性进行验证;提出了优化刀盘吸渣口评判指标和方法,对吸渣口的数量、长径比、面积比、总面积占比进行优化,得到了超前钻头刀盘吸渣口布置的最佳方式和相关参数;讨论了钻头转速、注气量、风管没入比和泥浆黏度等主要因素对排渣流场的影响。研究结果表明:(1)排渣管内流体的运移以轴向流动为主,且途经注气端时,流速发生跳跃式剧增;井底流体的运移主要以水平流动为主,流体的垂直上返仅存在于吸渣口附近;井底流体的水平流动以切向流动为主,径向流动仅在吸渣口两侧较为明显,且远离吸渣口处,径流速度较小易产生岩屑沉积;(2)当刀盘吸渣口数量为2,长径比为0.4,面积比为1,总面积占比为1.94%时,吸渣口的布置方式最佳,且清渣率较现行吸渣口布置方式提高66%;(3)增大钻头转速可显著增强吸渣口的吸附作用,注气量、风管没入比与井底和排渣管内流体的轴向速度均呈正相关关系,低黏、低密度的泥浆易获取高流速,但携岩能力较差。研究结果可为破解侏罗系地层深大立井钻井法洗井排渣与钻进效率低下技术难题,提供有益的理论参考。

工业广场保护煤柱开采井筒破损致因及防治技术

针对工业广场保护煤柱开采导致井筒破损的问题,以大社煤矿为工程背景,分析工广煤柱开采井筒围岩移动变形特征,揭示井筒破损致因;提出工广内后续工作面开采防治井筒破坏方案,形成相应的施工技术,并成功应用工程实践。研究表明:该矿工广内92606工作面邻近副井,开采引发的井筒竖向附加力是井筒破坏的致因;如不提前采取防治措施,后续92606外工作面开采,将导致副井井筒发生二次破坏;研究提出的不停产单卸压槽防治方案,具有不影响矿井生产、卸压率高、施工简单、成本低等优点。采用壁后注浆、开切卸压槽、架设密集井圈等技术,顺利完成了该矿不停产防治副井井筒破损工程。监测表明,该井筒竖向和环向应力,均小于井壁极限.承载力,处于安全状态,运行良好,达到了预期效果。

冻结井壁仿钢纤维混凝土动静态力学性能和微观结构研究

为改善冻结井壁高强混凝土脆性特征,提高其抗裂性和韧性,提出采用仿钢纤维混凝土作为冻结井壁筑壁材料。通过优选材料和正交试验,得到不同配合比的仿钢纤维高性能井壁混凝土,并对其进行静态、动态力学性能及微观结构等试验研究。结果表明,在基准混凝土中掺入15%(质量分数)粉煤灰和0.54%(体积分数)聚丙烯仿钢纤维(PPTF)后,混凝土的抗拉、抗弯强度分别提高了29.46%、26.72%,其脆性特征得以明显提高。相比于基准组,最佳配合比的仿钢纤维混凝土韧性增强显著,在0~0.012应变范围内其韧性指数提高了40.83%,且失效后的破坏形态更完整。掺入PPTF、粉煤灰有效抑制了冻结井壁混凝土内部微裂隙的产生和扩张,混凝土表现出更为致密的微观结构以及更高的宏观力学性能。

基于地面定向钻孔注浆的煤矿立井钻井法井壁渗漏水治理技术

煤矿钻井井壁为单层结构,在深厚表土层段其渗漏水将严重威胁矿井安全生产,建井阶段井壁接茬部位若存在施工缺陷,则会导致地下水腐蚀锈穿接茬部位金属及焊缝,造成井壁渗漏水,若不及时治理,易引发突水溃砂而酿成淹井事故。为探寻一种行之有效的治理技术,以许疃煤矿副井井筒井壁渗漏水治理为工程背景,开展了煤矿钻井井壁渗漏水治理技术研究。首先,结合矿井水文地质特征等信息分析了钻井法单层井壁渗漏水致因,发现许疃煤矿副井井壁接茬处发生渗漏水的主要原因是地下水中的HCO_(3)^(-)、Cl^(-)共同作用腐蚀锈穿井壁接茬部位后,含水层之间越流补给的高压地下水通过孔隙连通性良好的壁后碎石充填层流入井筒内;然后,对比分析了许疃煤矿副井井筒井壁渗漏水治理采用壁后注浆和地面钻孔注浆的可行性与安全性,发现在流砂层中对采用钻井法施工的钢筋混凝土单层井壁进行壁后注浆,安全风险较大,影响井筒正常提升,且存在再次发生渗漏水的风险,而采用地面定向钻孔注浆技术的注浆量大,壁后充填层碎石间孔隙可被水泥浆充分填充,改善井筒防渗和承载能力,且施工人员全程在地面操作,安全性好,不影响井筒正常提升;最后,提出了针对深厚表土层煤矿钻井井壁渗漏水治理的地面定向钻孔注浆技术并进行工程示范,2个钻孔共注入130.9 m^(3)水泥浆,完全充填了94.00~131.40 m层段壁后充填层碎石间孔隙,顺利封堵了井下94 m处出水点,经现场长期观测,该段井壁未再渗漏水。研究结果表明,针对深厚表土层段煤矿钻井井壁渗漏水治理,采用地面定向钻孔注浆技术的治理效果良好,安全性高。研究成果可为深厚表土层煤矿钻井井壁渗漏水治理提供一定的参考。

“双一流”背景下智能建造专业实践创新型人才培养模式研究

文章针对智能建造专业人才培养模式开展研究,提出相关措施用于提高该新办专业教学效果,致力于培养出实践创新能力强的学生,具体包括加强师资力量建设,打造一支以土木为主,以机械、电气、计算机为辅且实践经验丰富的教学团队。在入学阶段、在校期间以及假期中,以引导式、启发式培养与拓展学生专业兴趣、激发实践创新意识。重构课程体系,明确培养目标,提高实践创新能力锻炼,确保学生胜任工作岗位要求,为满足用人单位对智能建造专业人才的需求提供了保障。

白垩侏罗系地层钻井法凿井钻井液黏度突变致因分析

在西部地区可可盖煤矿钻井法凿井过程中,穿越白垩侏罗系地层时遇到钻井液黏度突然增大的问题,严重影响了钻进速度。为此,通过实验方法探究了钻井液黏度突变的原因。实验中添加了三聚磷酸钠、羧甲基纤维素钠等外加剂以及不同层位的岩粉,并观察了钻井液黏度的变化。对比实验分析发现,三聚磷酸钠降低了钻井液黏度,而羧甲基纤维素钠增加了其黏度。添加293、391m层位的砂岩岩粉对于钻井液黏度几乎没有影响,漏斗黏度始终保持在27s左右;然而,在添加276、402m层位泥岩岩粉后,可以使钻井液黏度增大。通过XPS半定量分析相应样品以及采用XRF半定量分析和SEM电镜分析相应的钻井液发现:白垩侏罗系泥岩含有较高浓度镁元素,在该地层进行钻井法凿井时会导致Mg^(2+)浓度上升;随着Mg^(2+)浓度增加,高浓度Mg^(2+)促使蒙脱石层间阳离子与之交换并进入其空间结构中,从而引起蒙脱石絮凝程度提高并导致整体钻井液黏性增大。

深部开采地表移动延续时间预测模型及其参数分析

基于改进Knothe时间模型,根据地表移动延续时间定义,建立能够综合考虑采高、平均采深、松散层厚度、基岩层厚度和开采速度等因素的深部开采地表移动延续时间理论预测模型,并根据概率积分法给出了模型参数确定方法。采用24个深部工作面开采地表移动延续时间监测数据对预测模型的合理性和精确性进行验证。结果表明:地表移动延续时间模型预测结果与24个工作面监测结果基本吻合,两者平均绝对误差仅38 d,均方根误差仅为47 d,平均绝对误差百分比仅为9%,远小于现有3种经验模型的预测误差,验证了地表移动延续时间预测模型的精确性;地表移动延续时间受采高、平均采深、松散层厚度、基岩层厚度和开采速度的影响,随采高的增加而非线性增加,随平均采深、松散层厚度、基岩层厚度的增加而线性增加,但随开采速度的增加而非线性减小。该研究可为深部开采地表移动变形稳定性评估和科学制定开采计划提供理论指导。

富水砂层宾汉浆液柱形渗透扩散模型及其试验研究

【目的】富水砂层灾害防控是困扰隧道、深大基坑等安全施工的重大难题,常通过袖阀管向地层内渗透注浆来提高强富水弱胶结砂质地层抗渗性和承载力,其注浆结石体近似为圆柱形。【方法】为探究砂层渗透注浆柱形扩散机理,首先构建考虑迂曲效应的宾汉浆液在砂层内渗透注浆的辐射管道流柱形扩散模型,然后研制一套砂层渗透注浆柱形扩散模型试验装置,开展不同颗粒级配被注砂土、不同注浆压力和不同水灰比水泥基浆液条件下的砂层渗透注浆试验,探究浆液扩散规律,最后结合试验结果验证理论合理性。【结果和结论】结果表明:当被注砂土粒径较小且黏性土含量较高时,注浆压力对扩散半径影响较小,浆液水灰比是影响注浆扩散形态的主控因素:此时若浆液水灰比较大,则渗滤效应不显著,注浆扩散半径较大且不容易发生串浆,但砂土颗粒之间的黏结强度沿径向逐渐降低;此时若浆液水灰比较小,则渗滤效应显著,浆液扩散较短距离后孔隙空间即被完全淤堵,土层交界面会成为浆液优势扩散面,出现串浆现象。当被注砂土粒径较大且黏性土含量较低时,低压稀浆与高压浓浆条件均可使浆液在砂土内充分扩散,但砂土孔隙分布的随机性、空间差异性和颗粒型浆液扩散的迂曲效应、渗滤效应会导致注浆结石体形状不是规则的圆柱体。浆液压力在扩散方向上衰减速度先快后慢,注浆扩散半径理论计算值比试验值大6.10%~10.97%,起始注浆压力理论计算值与试验值的相对误差为–0.48%~18.62%。研究成果可为砂层渗透注浆参数设计提供理论支撑与指导。

温压耦合作用下锚固界面变形失效机理

深部地层高地温、高地应力环境使巷道围岩树脂锚固支护结构稳定性降低,围岩变形有效控制问题亟待解决。因此,研究温度与压力耦合作用下锚杆杆体-树脂锚固剂界面变形破坏机理十分必要。首先,根据两淮矿区深部支护工程现状并结合室内不同温度环境下拉拔试验结果,发现高地温环境下树脂锚固体变形破坏加剧;进一步分析锚固体受拉拔荷载作用轴向、径向破坏模式,将第一锚固界面破坏分为弹性围岩-剪切-滑移型、未贯穿-剪胀滑移破坏及贯穿-剪胀滑移破坏等3种模式。其次,基于弹塑力学分析受围岩应力作用锚固界面不同破坏类型的界面受力状态,考虑高温环境下树脂锚固剂层力学强度弱化,建立温度-围岩应力耦合作用的第一界面失效破坏力学计算模型;分析围岩应力、环境温度及弹性模量比等因素变化对第一界面锚固性能影响的规律,发现第一界面极限轴向荷载随温度升高而降低,围岩处于裂隙发育或裂隙贯穿状态时,围岩应力对第一锚固界面剪切破坏影响程度较未产生裂隙时大幅度增高。最后,结合室内拉拔试验数据对比验证所推导计算方程式的合理性。研究可为深部巷道围岩稳定性控制及锚固支护参数设计提供理论依据。

井壁混凝土三轴渗透试验及细观数值分析

目的为研究井壁混凝土在多轴应力下渗透率演化规律。方法以50mm×100mm的圆柱体混凝土试件为研究对象,采用试验与数值模拟相结合的方法,分析流-固耦合状态下渗透性能变化。结果围压能密实孔隙,使渗透率下降,但下降趋势逐渐变缓。孔隙水压易使裂纹扩展,加剧水渗透,同时上升趋势逐级递增;轴压对渗透率的影响与内部孔隙及微裂纹状态相关,根据渗透率不同变化趋势,可将其分为4个阶段;由数值模拟发现,随着应变增加,混凝土内部拉应力分布变广,裂缝多出现在拉、压应力集中区;轴压增加虽使整体孔隙密实,但颗粒挤压易使微裂隙萌生,加载后期成为主要渗流通道。结论研究结果为实际工程中解决复杂应力状态下混凝土渗透率变化等问题提供了参考。

采动应力作用巷道交岔点稳定性分析及支护优化

深部软岩巷道交岔点稳定性控制是地下开采的难题,采区内巷道交岔点受采动应力作用更易发生变形破坏。针对该问题,依托805工作面下伏西二回风巷道交岔点工程背景进行研究,建立考虑工作面采动集中应力影响的巷道交岔点垂直应力计算式,采用数值计算方法分析不同采动应力集中系数、不同交岔角度下交岔点围岩应力及塑性区分布规律。得知随着采动应力集中系数增大,交岔点岩柱应力集中现象加剧、围岩塑性区发育范围增大、交岔点变形破坏加剧。基于上述分析,提出以全长预应力锚杆+锚索+围岩注浆的综合化主动支护方法。结合矿压监测,优化后支护效果良好。研究结果为类似采动应力影响下的巷道交岔点围岩稳定性控制提供技术参考。

西部钻井法“一钻成井”新型高强复合井壁力学特性

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。

西部地区钻井法凿井壁后充填模拟试验研究

针对西部富水弱胶结地层中深立井钻井井筒壁后充填技术难题,开展了壁后充填模拟试验,对充填效果、充填层抗压强度和抗渗性能进行了分析。以可可盖煤矿中央回风立井钻井井筒为工程原型,基于相似理论原理构建了变态模拟试验系统,采用高性能微膨胀充填材料进行了钻井井筒壁后充填模拟试验。研究结果表明,高性能微膨胀充填材料整体置换护壁泥浆效果好,模拟试验各段置换率均达到97%以上,平均置换率为99.0%;充填层固结体3d抗压强度大于10MPa,28d抗压强度大于30MPa,其强度高、充填固井效果好;在流固耦合作用下,高性能微膨胀充填材料相较于传统水泥浆充填材料有更高的抗压强度和更好的抗渗性能,适宜作为深立井钻井井筒壁后充填材料。但模拟试验也发现,在模型最下部出现少量泥浆沉淀,该段置换效果相对较差。在实际工程充填前,调整泥浆参数、优化泥浆性能可以减少泥浆沉淀,提高工程充填效果。

厚松散层薄基岩地层井筒偏斜综合治理技术

针对厚松散层薄基岩地层井筒偏斜综合治理技术难题,以山东巨野矿区郭屯煤矿偏斜井筒地面注浆治理工程为背景,基于井筒松散层段偏斜与竖向压缩变形共存且向非对称开采工作面方向偏斜的全新破损特征,揭示郭屯煤矿井筒偏斜与竖向压缩变形机理,分析认为该2种特征分别是煤层非对称开采引发的底含非均匀疏水固结沉降叠加作用下地层水平倾覆推力和竖向附加力所致。本着确保安全、不停产治理的原则,制定了在役偏斜井筒不停产地面注浆综合治理方案,研发了系列井筒偏斜综合治理技术:(1)保护在役井筒“泄压-预警”双控地面高压注浆技术;(2)厚松散层单孔多层段注浆新型套管与施工工艺;(3)厚松散层地面注浆参数工程化确定方法;(4)在役井筒不停产运营下深孔高压注浆治理预警技术。综合监测结果表明:郭屯煤矿主、副、风3个偏斜井筒治理工程注浆过程中严格按照厚松散层薄基岩条件下偏斜井筒不停产综合治理技术进行实施,完成注浆孔钻探工程量31 026.8 m,注浆量达到35 536.66 m3,实现了矿井不停产注浆治理;治理后井筒向北向西不再继续偏移,主井井筒注浆期井口处向北和向西偏斜量分别减小12 mm和18 mm,副井井筒井口处向北和向西分别减小13 mm和41 mm,注浆结束1 a内井筒整体偏斜量仍继续减小并有回正趋势,且井筒周边下沉速率减缓,确保了井筒运营安全。研究成果在郭屯煤矿厚松散层薄基岩地层偏斜井筒地面高压注浆治理工程得到了成功应用,为今后在类似工程中应用提供参考依据和工程经验。

基于改进Knothe时间模型的地表最大沉降速度预测

在传统Knothe时间模型假设基础上提出新的假设,构建改进Knothe时间模型,通过理论分析表明,改进后的时间模型符合地表点沉降和沉降速度变化规律;基于改进Knothe时间模型推导了地表最大沉降速度计算表达式,并给出模型参数确定方法。采用20个矿区开采引起的地表最大沉降速度监测值与理论预测值进行对比,结果表明,20个矿区的地表最大沉降速度理论预测值与监测值吻合程度高,两者相对标准偏差仅为2.1%,验证了模型的精确性和可靠性。地表最大沉降速度受煤层采高、开采速度、松散层厚度和基岩层厚度等参数影响,研究表明,地表最大沉降速度随煤层采高和开采速度的增加而线性增加,随松散层厚度、基岩层厚度的增加而非线性减小,且其对基岩层厚度变化的敏感性比松散层厚度变化大。

改进Knothe地表动态沉降预测模型及其参数分析

针对传统Knothe时间模型描述地表动态沉降过程中的不足,在Knothe时间模型基础上考虑了上覆地层非线性力学特征,建立改进Knothe时间模型,理论分析表明改进后时间模型符合地表单点沉降、沉降速度和沉降加速度变化规律;结合现场实测数据和双介质法,给出改进Knothe时间模型参数计算表达式。采用兴隆庄煤矿4326工作面、三道沟煤矿35101工作面和阳泉二矿8403综采工作面开采地表沉降监测数据,对传统Knothe时间模型和改进Knothe时间模型精度进行对比分析。结果表明:改进时间模型能够更真实地反映地表随开采时间的动态变化过程,预测值和实测值的平均相对标准偏差仅为3.22%,远低于Knothe时间模型的15.72%,验证了改进时间模型的精确性和可靠性;地表动态沉降过程受煤层回采速度v、松散层厚度Hs、基岩层厚度Hj、松散层充分采动角φs和基岩充分采动角φj影响,且影响敏感度依次为:Hj,v,Hs,φj,φs。研究可为煤层开采地表动态沉陷预测提供一定的借鉴和参考。

基于微观结构重塑的非饱和冻土导热系数预测

为预测非饱和冻土的导热性能,基于土体微观结构,提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法,并将该算法与传统有限单元法组合,建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像,采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率;改进传统的四参数随机增长法,提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法;基于生成的非饱和冻土模型,通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数,并与规范中冻土导热系数进行对比,验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性(平均误差<4%);通过多因素分析研究孔隙率、颗粒大小、土体导热性、饱和度以及结冰率对非饱和冻土导热性影响,各因素与导热系数的相关系数依次为:-0.352、-0.098、0.641、0.520和0.060,影响大小为:土颗粒导热性>饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。

西部地区钻井井壁预制施工早期温度-应力场演化特征分析

为防止西部地区预制钻井井壁冬季施工出现裂缝现象,开展了钻井井壁预制施工的早期温度-应力场演化特征研究。首先,以西部地区可可盖煤矿中央回风立井钻井法凿井工程为背景,基于FLAC^(3D)软件,建立了内层钢板混凝土复合钻井井壁结构早期温度-应力场数值分析模型。通过模拟现场施工工况,获得了井壁早期温度应力的分布规律,确定了易出现早期温度裂缝的高风险区;然后,根据模拟计算结果,采用极差分析方法,获得预制钻井井壁早期温度应力影响因素从大到小依次为:对流散热系数、环境温度、混凝土强度等级。现场实测结果表明:模拟计算得到的温度分布规律与工程实测较为一致。