差压步进钻头提高破岩速度原理及现场试验

井底岩石承受较大的原地应力作用,且随着井深增加原地应力呈增大趋势。原地应力的存在增加了岩石的压实程度,导致岩石坚硬、可钻性差、研磨性强等问题,成为破岩工具切削效率低、使用寿命短和钻井速度慢的最主要原因之一。针对此背景,提出释放井底部分原地应力弱化地层抗钻特性提高破岩速度的理念,研发一种可释放井底部分原地应力弱化地层抗钻特性且能够集中钻压强化攻击能力的差压步进钻头,该钻头充分利用钻井过程中的井底钻压波动,实现扩眼钻头与领眼钻头钻压动态分配及钻进过程交替进行的目标,通过弱化地层、强化攻击及转化振动三重效果提高破岩速度。为验证差压步进钻头的应力释放效应,建立三维流固耦合的阶梯井底应力场模型,并在江苏油区某区块砾石层井段开展3口井的实钻试验。结果表明:阶梯井底能够使阶梯处岩石更易破碎;小直径领眼钻头应力释放效果较好;随着地层深度的增加,差压步进钻头应力释放效果更加显著,应力释放比约为60.2%;差压步进钻头提速效果显著,砾石层钻速较牙轮钻头提升可达161.89%,最高提速318.11%。

地应力对高温高压CO_(2)热冲击破岩的影响研究

针对深部储层压裂增渗难题,高温高压CO_(2)热冲击致裂技术凭借其绿色低碳、破岩效率高和震动噪音低的特点,已展现出巨大的发展潜力。本文在考虑热源的燃烧、传热传质、瞬态非线性流动以及岩石损伤演化过程的基础上,通过归纳试验现象推导的基于浓度变化的释能方程定义热源功率,从而建立相应的高温高压CO_(2)热冲击破岩数值模型,分析了地应力差和岩石围压对热冲击破岩裂隙扩展规律的影响,揭示了复杂裂缝形成机制。结果表明:高温高压CO_(2)热冲击致裂过程主要由两个阶段组成,分别是超临界CO_(2)冲击力作用下的动态致裂阶段和高能CO_(2)气体驱动裂纹扩展的准静态阶段。初始地应力能够从一定程度上抑制冲击力作用下岩石内部径向裂隙的扩展,流体峰值压力和岩石起裂压力随着初始地应力差的增加呈现减小趋势,流体峰值压力随着岩石围压的增加而增大。

基于瞬态卸荷动力效应控制的岩爆防治方法研究

针对深埋圆形隧洞全断面爆破开挖,分析了岩体开挖瞬态卸荷力学过程及引起的围岩应力和应变能瞬态调整机制,讨论了瞬态卸荷动力效应的影响因素。计算结果表明,开挖岩体应变能越大、应变能释放速率越快,岩体开挖瞬态卸荷动力扰动越强烈。基于此,提出了依据炮孔周围爆生裂纹分布判断掌子面上主应力方向,各圈炮孔按掌子面上应变能密度由高到低的顺序分段起爆的施工期岩爆防治方法。该方法通过改变炮孔起爆网络显著地降低了岩体开挖瞬态卸荷的动力效应,可广泛用于水电、矿山、交通等行业深埋洞室贯通爆破。

深埋洞室岩体开挖卸荷诱导的围岩开裂机制

针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用双向受压条件下的压剪裂纹扩展模型和应力强度因子计算公式,分析开挖面上岩体应力瞬态释放和邻近的围岩应力瞬态调整对围岩开裂过程的影响。结果表明,与准静态卸载条件相比,开挖面上岩体应力瞬态释放在围岩中产生附加动应力,导致围岩径向卸载和环向加载效应放大,加剧了深埋洞室围岩开裂效应,导致开裂范围增大;开挖卸载速率越快,围岩中产生的附加动应力幅值越大,围岩的开裂效应越显著。

应力释放构造煤煤层气开发理论与关键技术研究进展

构造煤煤层气高效开发是我国煤层气资源禀赋的选择,构造煤储层与煤层气赋存特征决定了疏水降压煤层气开发理论技术不再适合构造煤储层,应力释放(原位)煤层气开发理论技术是新的技术方向,有望将构造煤煤储层从煤层气开发禁区变为新领域,同时也有望成为煤矿煤与瓦斯突出治理、煤矿区甲烷温室气体减排的治本之策。依托国家重大科研仪器研制项目,以应力释放构造煤煤层气开发关键实验平台和工程装备原理机为基本定位,以开发理论创新、技术原理探索为先导,以装置、装备及其工艺技术为研究核心,应力释放构造煤煤层气开发理论技术研究取得重要和实质性进展。探索构建了应力释放煤层气开发理论技术基础,阐明了水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发的工程原理。水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发模拟试验系统已完成设计进入加工阶段,系列配套基础实验取得了重要数据;探索建立了构造煤储层应力释放与煤层气解吸扩散关系模型;揭示了应力释放构造煤煤层气开发煤储层渗透率变化规律。研发形成了构造煤储层大口径水平井双向往复式钻进+多级扩孔+复杂循环钻井液成井、水平井泵注+喷射诱导控制造洞穴应力释放与储层激励、气/水/高浓度煤粉混合物直井射流泵+配套井底装置组合高效举升、产出物地面高效重力分离+回收+水循环、煤层气应力释放开发装置(装备)数据采集和控制系统等应力释放构造煤煤层气开发关键技术。

高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究

采用理论分析、动力有限元数值模拟和振动监测数据对比等综合方法,研究高地应力条件下隧洞钻爆开挖诱发围岩振动的特征。发现高地应力条件下深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动由爆破振动和岩体初始地应力(开挖荷载)动态卸载诱发振动两部分叠加而成。在低岩体初始应力条件下,隧洞钻爆开挖过程围岩振动主要由爆炸荷载所引起;高地应力条件下,开挖荷载瞬态卸荷诱发振动的幅值可超过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。利用四川省瀑布沟水电站引水隧洞进口段(地应力水平10 MPa)和尾水隧洞洞身段(地应力水平20 MPa)钻爆开挖过程的实测围岩振动资料,对理论分析和数值模拟结果进行验证。

应变解除法原理及其在大红山铁矿地应力测量中的应用

将应变解除法应用于云南大红山铁矿的原岩地应力测量中,通过测量4个不同中段6个测点的地应力,获得大红山矿区三维地应力的如下变化规律:矿区最大、最小主应力均大致呈线性变化,矿区的最大主应力为47 MPa,方位角介于南偏西16-到52-之间,平均倾向为南34-西,近似呈南北方向,平均倾角约16-,最小倾角仅2.88-,说明该区域的地应力以水平构造应力为主,且最大主应力随深度的增加而增加;每个测点的最大剪应力均为τxy。

地下洞室爆破开挖过程中地应力瞬态调整诱发节理围岩松动机制研究

针对中高地应力条件下节理岩体地下洞室的爆破开挖引发的节理松动问题,基于应力波理论建立了节理岩体的瞬态卸荷力学模型,证明了简单条件下节理卸荷松动效应的存在。其次,运用离散元数值模拟方法,研究了考虑地应力瞬态调整过程的圆形隧洞节理围岩松动过程。研究表明,地应力瞬态调整过程中,圆形隧洞岩体径向应力的调整过程较直接简单,而切向应力则较为复杂;洞壁附近的节理岩体中可能形成远大于静态塑性区的松动损伤区,使最终屈服区以外的节理面强度和渗透性等力学参数发生劣化;地应力瞬态调整将在节理岩体中诱发质点的振动,是节理面损伤的主要来源。

深部岩体地应力瞬态卸载诱发振动效应的影响因素

针对深埋隧洞爆破开挖振动控制,以瀑布沟水电站2~#引水隧洞爆破开挖为工程背景,讨论了地应力瞬态卸荷诱发振动特征及影响因素,并结合实测数据采用数值模拟的方法进行了验证分析。研究发现：中、高地应力条件下开挖面初始应力的瞬间释放诱发的振动是爆破开挖诱发振动的重要组成部分;当波阻抗一定时,开挖面初始应力动态卸荷诱发振动由地应力水平、开挖面初始应力、开挖面面积和振动衰减指数共同决定,动态卸荷诱发振动最强段发生在开挖面的初始应力和开挖面面积综合效应最大的位置;深埋隧洞爆破开挖振动的强度是由爆炸荷载和开挖面初始应力动态卸荷效应共同决定的,减小炮孔排距和进尺、采用较小洞径和分部开挖能有效降低地应力瞬态卸荷效应强度,控制深埋隧洞的爆破振动强度。

不同原岩应力方向下石门揭煤时应力与位移演化特征

为了研究石门揭煤突出危险性与原岩应力的关系,采用理论分析与数值模拟的方法,研究了石门巷道与最大水平主应力呈不同夹角情况下,揭煤全过程的应力、位移演化特征。结果表明:白龙山煤矿属于典型的σ_H型构造应力场,当石门掘进至煤岩交界面处,围岩出现显著应力集中,突出危险性强;过煤门阶段,煤体变形、破坏严重;随着石门与最大主应力夹角的增大,应力集中系数及位移变化梯度逐渐增大,石门稳定性降低,突出危险性增强;夹角在15°~75°时,应力集中偏向一帮。揭煤石门应尽量平行于最大水平主应力掘进,夹角较大时,应在实施超前卸压的同时强化煤体、加固巷帮。

地形条件对大安山井田地应力的影响

针对大安山井田复杂的地质条件,采用理论分析、数值模拟和现场实测手段,研究了地形条件对大安山井田地应力的影响。通过理论分析探讨了地形条件对井田地应力的影响规律,结合实测结果与数值计算结果验证了理论分析的有效性。所建立的理论分析模型及分析方法经进一步改进后,完全可以应用于地形条件对井田地应力的影响规律分析。在浅部地层,地形条件对井田地应力场的影响较大。随采深的增加,这种影响逐渐减弱。深部地层应力场主要由自重应力和构造应力组成。地形条件是影响井田地应力场分布特征的重要因素。在采区设计阶段,就应该首先查明井田地形条件,详细分析地形条件对地应力的影响,充分考虑因地形因素造成的应力集中区域。

深部开采围岩稳定性与岩层控制关键理论和技术

首先,介绍了地应力对采矿工程荷载作用方式的特殊性,阐述了地应力控制采矿开挖过程和岩层稳定性的力学机理。地应力是采矿开挖前就存在于地层中的天然应力,采矿开挖出现自由空间并引起地应力向自由空间释放,形成“等效释放荷载”,它作用在开挖自由空间的边界上,而不是采矿外边界上。“等效释放荷载”带动周围岩体变形、位移和应力集中,导致围岩和岩层失稳、破坏。这与传统力学理论“外边界加载模式”有本质区别。若将地应力直接加在采矿外边界上,将得出“采矿外边界位移最大、开挖周边位移最小”等一系列错误结果。为此,必须根据采矿设计的开挖形态,将地应力转换成“等效释放荷载”进行计算和分析,才能得到正确的结果。同时,必须认识到地下采矿是多步开挖过程,也就是多次“等效释放荷载”加载过程。岩体是非线性材料,荷载的力学效应具有加载途径性。优化开采布局、开采顺序等可以优化“等效释放荷载”加载途径和力学效应,实现更好的岩层控制效应。最后,提出了地下采矿围岩稳定性与岩层控制的基本原理和方法,指出:支护的根本目的是保护、改善和提高岩体的强度,必须改变把围岩当成一种被动的荷载加以支撑的传统认识;充分发挥围岩自身强度达到采矿工程稳定,是岩石力学最基本的原理。在深部高地应力条件下,为了控制岩层变形和移动,维持采矿工程的稳定,上述原理的指导尤其重要。

能量耗散与释放原理在水压致裂法中的运用

在内变量不可逆的热力学理论框架下,从能量的角度出发,讨论了水压致裂测试中岩石变形破坏中的能量耗散、能量释放与岩石强度和破坏的内在联系.同时基于能量耗散与释放原理推导出水压致裂法测量地应力岩体破坏时的临界应力公式,并应用上述公式结合水压致裂第一循环对某抽水蓄能电站地应力测量中的最大水平主应力进行计算,其计算值与传统理论计算值比较接近,表明所给出的临界应力公式是合理的.

图古日格金矿地应力测量与分析

为解决图古日格金矿由于矿脉分布复杂、地质构造多样导致的采场矿压剧烈、矿脉方向杂乱等问题,使用空心包体式三轴应变计,采用钻孔应力解除法对图古日格金矿6个测点进行了系统地地应力现场实测。测量结果表明:井下为典型的构造应力场类型,最大水平主应力方向为近NE,与地质构造挤压运动的结果吻合,属于中等应力值区域,矿脉方向与最大主应力方向近垂直。地应力分布特征为该矿生产设计与矿压控制工作提供参考,为找矿方向提供初步判断。

高地应力地下厂房洞室群围岩稳定分析

通过对某水电站地下厂房洞室群围岩稳定数值计算及模型试验成果分析,初步探讨了高地应力条件下深埋地下洞室脆性围岩的破坏特性、洞室稳定性分析方法及支护设计要点。

地应力释放对隧道围岩稳定性影响的研究

新奥法的基本原理要求"隧道围岩支护过程中,一方面允许围岩有一定程度的变形使其产生受力环区;另一方面,又必须限制围岩的位移量以避免围岩变形过大而产生严重的松弛卸载".结合正在施工的某隧道工程,采用数值方法对其开展在不同地应力释放下围岩稳定性影响的研究.结果表明:地应力释放越大,锚杆承担的荷载越小,围岩的塑性区发展范围越大.因此,在隧道开挖施工过程中,合理地控制围岩应力释放比例,可以有效地改善围岩的应力状态以及塑性区的发展范围.所得结果对深埋隧道围岩稳定性分析、确定合理的支护时机与支护措施以及制定合理的开挖方案具有一定的指导意义.

基于数值模拟的开槽法测量混凝土工作应力研究

提出一种基于应力释放原理测量混凝土工作应力的分步开槽检测方法,针对单向应力状态下的混凝土受压构件,采用数值模拟的方法分析开槽形状、开槽间距、开槽长度以及开槽深度等因素对应力释放程度的影响。研究结果表明:开槽形状为横槽时,开槽间距越小,开槽长度越长,应力释放越快;开槽形状为方槽时,开槽间距越小,应力释放越快,而开槽长度对方槽的应力释放影响较小;当开槽深度为0~40 mm时,方槽与相同开槽间距、长宽比λ>1的横槽可以相互替换,两种情况中心测点处的应力差值较小。当应力释放时,槽内区域比槽外区域的应力变化更敏感和准确,开槽法解决了圆孔法孔内应变信息无法连续输出的问题。通过测量每步开槽深度下的应力释放值,与数值模拟的结果相结合,利用多步优化结果反推测点处工作应力,减小测量误差。

三山岛金矿矿区地应力分布特征

采用套孔应力解除法和完全温度补偿的空心包体应变技术对三山岛金矿-750 m水平及以上9个水平进行了地应力实测,获得了该矿区-750 m及以上各水平的13个测点的主应力大小及方向。根据矿区地质构造特征及地应力测量结果的分析,得出了该矿区地应力分布的基本规律,即:矿区以构造应力为主导,最大水平主应力方向与区域地质构造应力场基本一致,最大水平主应力和最小水平主应力的差值较大,不利于保持巷道围岩稳定性。上述分析对于该矿山合理规划巷道布局以及进行围岩支护有一定的参考价值。

硫磺沟煤矿原岩应力实测与分布规律研究

硫磺沟煤矿采用应力解除法进行了5个原岩应力测量,通过对原岩应力量值、方位、倾角、埋深等因素的综合分析对比,得出矿井地应力分布规律和特点,为矿井巷道布置、支护设计和动力灾害防治提供了科学依据。

毛羽山隧道高地应力软岩大变形施工控制技术

兰渝铁路毛羽山隧道出口段穿越薄层状碳质板岩地层,区域原岩应力较大且以水平构造应力为主,隧道开挖过程中出现严重的大变形情况。通过分析,认为高地应力、最大水平主应力与隧道轴线呈大角度相交是大变形的主要因素。隧道施工过程中,通过采取提高支护体系刚度、合理预留变形量,以及采用长锚杆、多重支护和超短台阶法等常规措施控制了围岩变形;基于对围岩动态演化机制的认识,提出了高地应力隧道超前导洞法应力控制释放技术,开展了大型工程试验。阶段性试验成果表明,采用超前导洞有效地降低了正洞施工时的变形速率,对上中台阶影响尤为显著。通过对应力控制释放技术研究的进一步深化,有望探索出安全、高效的高地应力软岩施工新技术。