钻井井壁可缩性接头模型试验研究

针对新型竖向可缩性钻井井壁 ,提出了两种可缩性接头结构形式 ,并进行了竖向、侧向和三轴加载模型试验 .研究结果表明 ,两种结构形式的可缩性接头均具有良好的竖向变形特性 ,抗侧压能力大 ,防水性能好 .

基于ZYNQ的煤矿井壁应变测试系统设计

煤矿井壁变形过大存在较大的安全隐患,容易导致煤矿坍塌,影响煤矿开采的正常进行。传统的井壁变形监测方法依靠人工完成,无法实现全面监控。针对以上现状,设计了一种基于ZYNQ的煤矿井壁应变测试系统,系统设计有8个通道的数据采集节点,通过主控模块、微弱应变信号调理采集模块、电源健康管理模块、Flash存储模块、预警模块以及USB3.0通信模块建立了一整套井壁变形监测预警系统。实际应用表明,该系统稳定可靠,数据传输速度达到120 Mb/s以上,有助于井上数据监测中心人员对井壁进行提前加固处理,对于预防煤矿坍塌有较大意义。

冻结壁形成及解冻规律实测研究

通过实测，分析了冻结壁内温度分布规律，冻结和解冻期内冻结壁厚度、平均温度、冻结壁发展速度、解冻速度及外壁体厚占有效厚度比例与冻结时间的关系，冻结壁厚度与平均温度的关系，并得出了有关回归公式．对冻结凿井的设计和施工有着重要的指导意义．

胡家河煤矿主井井筒冻结壁岩石力学特性研究

以陕西胡家河煤矿主井井筒选取的煤岩及砂岩作为具有代表性的岩样,在MTS815试验机上进行不同围压及不同冻结温度条件下的单轴及三轴压缩试验,分析煤岩及砂岩在相同围压不同冻结温度条件下及相同冻结温度不同围压条件下的强度特性,并对2种不同岩样的同一性和差异性进行了比较。结果表明,煤岩和砂岩在冻结的效应方面有着明显的差异性,富水砂岩冻结后对温度的敏感程度要高于煤岩,主要原因是其岩石的内部结构性的差异。

深表土中高强钢筋混凝土井壁力学性能的试验研究

针对500～700m深表土中冻结井筒的支护难题,提出合理的技术途径,即采用现浇高强钢筋混凝土井壁结构.通过模型试验,对这种井壁结构的应力特性和强度特征进行了深入研究,结果表明:高强钢筋混凝土井壁具有很高的承载力,且增大钢筋含量对井壁承载力影响很小,但提高混凝土的强度等级可显著地提高井壁的承载力.并根据理论分析和试验结果推导出了这种井壁承载力的计算公式,从而为该种高强井壁结构的工程应用提供了设计依据.

冻结壁与外壁温度和受力实测研究

通过实测，研究了冻结壁作用于外层井壁的侧压力及混凝土井壁应力变化的规律，低温与常温下混凝土强度增长特性，以及混凝土浇筑后，两壁温度变化规律，同时初步分析了两壁温度受力耦合特性。

高压力下界面抗剪强度的试验研究

在 DRS- 1型微机高压直残剪试验系统上进行了建筑砂、标准砂、粉砂和粘土与混凝土界面、金属光滑界面、金属粗糙界面的正交直接剪切试验 .研究结果表明 :在高压力作用下 ,由于颗粒破碎的原因 ,界面的剪切应力 -剪切位移曲线呈现出应变硬化特征 ,与低压力作用下土与不同结构界面的软化剪切特性存在明显差别 .试验数据的正交误差分析和直观分析揭示 ,界面的剪切峰值强度、残余强度与法向压力均呈现线性关系 ,峰值强度、残余强度受法向压力的影响最大 ,其次为土体性质 。

基于接触面孔隙率的含水基岩井壁外荷载研究

为更合理地设计井壁,在多孔介质孔隙率相关问题研究的基础上,提出了基于井壁与围岩接触面孔隙率np以及围岩径向卸载率η1的新井壁外载计算方法;分析了np和η1对井壁径向外载的影响。分析表明:随np增大孔隙水压力作用增强,随η1增大围岩压力影响降低,井壁设计与施工中应在避免接触面固体骨架受拉的前提下合理提高η1。

地层沉降和井壁附加应变实测耦合分析

深厚表土中的井壁与发生沉降或抬升的地层之间,由于相互耦合会产生力的作用。在采用注浆加固地层治理井壁破裂时,地层会产生抬升,而在注浆休止时,地层又会有一定的沉降,在地层的抬升和沉降过程中会对井壁的附加力产生一定的影响和改变。通过井壁上监测的附加应变的变化以及地层沉降位移的变化之间分析对比,数据曲线表明:地层沉降和井壁之间有良好的相关性,地层抬升时,井壁附加应变减小;地层沉降时,井壁附加应变增加。因此通过地表沉降测试数据能反映出井壁所受附加力的大小,对于没有埋设监测系统井壁,可以通过地表沉降数据来反应井壁附加力的大小,据此来预测井壁的安全状况。

变断面深厚表土钻井井壁竖向结构稳定性

采用理论分析和有限元分析2种方法深入研究了变断面深厚表土钻井井壁竖向稳定性问题.用外推法建立了变断面非满水钻井井壁竖向稳定临界深度计算公式,并分析了其影响因素;借助ABAQUS软件分析了不同阶段钻井井壁的竖向稳定性问题,计算了钻井井壁竖向稳定临界深度,分析了井壁自重、不同边界条件、井壁底部接触面积对竖向稳定临界深度的影响.结果表明,井壁筒受力状态和边界条件对竖向稳定临界深度的影响最大.

深厚表土中井壁结构破裂的力学机理

建立了深厚表土中钢筋混凝土井壁结构破裂的弹塑性理论，利用大型通用结构分析软件ＡＮＳＹＳ进行了井壁结构的弹塑性数值模拟计算，得到在水平地压、井壁重力以及随时间不断增大的竖直附加力的共同作用下井壁结构内部应力、应变的动态变化过程，探讨了深厚表土中井壁结构破裂的力学机理以及裂缝出现的位置和扩展过程，为井壁破裂的治理和预防提供了理论依据．

西部软岩地层基于内外壁联合承载的冻结井壁减薄方法

为解决深部软岩地层冻结井筒内壁设计厚度较大问题,运用煤矿立井井筒设计理论和锚杆支护理论,研究了冻结井筒内层井壁、外层井壁和围岩的联合承载受力机理,提出了一种新型井壁结构形式和内层、外层井壁厚度减薄方法,即在井壁围岩中打入短锚杆,锚杆端头浇筑在外壁内部,并将锚杆端头闭锁的钢丝绳连接在内壁钢筋上,通过不同结构联合承载的方式提高内壁和外壁的承载能力,进而减薄井壁厚度。以内蒙古红庆河煤矿副井-640~-660 m冻结段为研究对象,通过理论计算得出了采用新型井壁结构形式后的井壁厚度,其中新型内层井壁厚度较原井壁可减薄12.5%,外层井壁厚度可减薄20%;结合数值模拟手段,给出了新型井壁中的应力传递过程。数值计算表明:新型内层井壁内缘混凝土的压应力值为24.5 MPa,小于原内层井壁内缘混凝土压应力值,验证了新型井壁结构的安全性和可靠性;新型井壁结构中,锚杆和钢丝绳传递的外力主要由外壁的刚性变形承担,锚杆在软岩地层中提供的锚拉作用很小,工程应用时可以缩短锚杆的钻入长度,避免锚杆钻入过程中打穿偏斜的冻结管。这种新型井壁结构将外层井壁强度通过钢丝绳和锚杆连接纳入到了内层井壁的承载体系中,提高了内层井壁的承载力,减薄了井壁厚度。

冲积层疏水沉降时的井壁受力分析

冲积层疏水沉降时的井壁受力机理及定量分析,是研究和处理徐州、淮北和大屯矿区井壁破坏事故的重要依据。本文根据土力学原理建立这一问题的数学模型,导出了井壁在疏水含水层处的附加轴向应力σ_z及其极限值σ_(zm)的计算公式为在此基础上,对冲积层疏水沉降时的井壁受力规律、强度检验和减小附加应力的途径进行了较深入的讨论。

粘弹塑性冻结壁计算理论研究

通过简单应力状态下冻土蠕变试验的研究,得出两淮地区冻土蠕变可以采用维亚洛夫经验本构模型来描述;由应力强度和应变强度等弹塑性力学概念,建立复杂应力状态下冻土的粘弹性蠕变本构方程,并且采用粘弹塑性理论推导了粘弹区和塑粘区冻结壁的扩展规律,论文公式能对冻结壁应力场和位移场进行粘弹塑性分析,为冻结法凿井工程设计提供参考。

软岩立井井壁与流变岩体相互作用的实验分析

利用流变介质模型，分析软岩立并并壁与粘弹塑性围岩的相互作用。根据现场实测结果及围岩压力与时间的关系，得到围岩应力、位移随时间的变化规律和粘塑性区的扩展规律。

冻结井可缩性井壁接头力学特性研究及其应用

针对丁集煤矿特殊的地层条件,为防止井壁在冻结壁融沉和地层疏水沉降时发生破裂,在井壁设计时采用竖向可缩性井壁结构,并提出了一种新型冻结井可缩性井壁接头形式。通过试验和数值计算表明:在竖向附加力作用下,该接头具有良好的竖向压缩变形特性、很强的抗侧压能力和可靠的防水、防漏性能,并且实验结果与数值计算结果基本一致。该研究成果已应用于丁集煤矿的三个立井井筒。

厚表土层中竖井沥青夹层复合井壁的试验研究

以相似理论为基础，用模拟试验研究了有沥青夹层的复合井壁，得到了沥青夹层的适宜厚度，传递竖直附加力的规律和数值；同时研究了外层井壁的可压缩层材料，获得可压缩层材料与传递到内层井壁的竖直附加力的关系。

钻井井壁可缩性接头力学特性研究

针对新型钻井井壁可缩性接头,分析了其变形规律和受力特征,即在竖向和水平荷载共同作用下,钻井井壁可缩接头在同一水平面上的竖向位移基本相同,而不发生翘曲现象;外箍弧板主要承受水平外荷载,内、外环形竖板对可缩接头承担竖向临界荷载起决定作用.设计计算可缩接头竖向临界值时,可不计外箍弧板的影响.

钢纤维混凝土弧板井壁结构的力学特性

针对深厚表土层煤矿立井井筒支护难题，提出可适用于冻结井筒外层井壁的钢纤维混凝土预制弧板井壁结构。通过模型试验对该种井壁结构的力学特性进行了研究。结果表明：钢纤维可增强弧板井壁结构的韧性，井壁破坏前钢纤维混凝土环向峰值应变达2200～2300με；钢纤维可改善井壁结构的变形和破坏特征，井壁破坏时的最大径向位移可达20mm以上。利用试验验证的有限元模型对钢纤维弧板井壁进行了极限承载力影响因素的分析，表明混凝土抗压强度与井壁厚径比是承载力的主要影响因素，而钢纤维掺入量对井壁承载力影响较小。最后建立了钢纤维混凝土孤板井壁的极限承载力经验公式。

井壁混凝土渗水腐蚀破坏可能性分析

结合黄淮地区井筒破裂实例，以井壁渗水及一些腐蚀现象为依据，对井壁混凝土腐蚀的内、外部环境条件进行分析，认为渗水过程中对井壁混凝土的腐蚀主要表现为化学腐蚀、应力腐蚀和机械渗流潜蚀．三者均对混凝土强度起削弱作用．化学腐蚀主要发生在建井至矿井开采初期，后两者主要发生在矿井开采一段时间之后；腐蚀受混凝土初始裂隙发育控制具有不均匀或局部性，这种不均匀腐蚀对井筒破裂是非常重要的．