岩石弱面结构对井壁稳定性的影响

文章在连续介质力学井壁稳定性分析的基础上 ,采用简化的岩石软弱面地质模型和力学模型 ,计算分析了岩石软弱面产状、摩擦系数对直井和斜井井壁稳定性的影响。结果表明 ,相同作业条件下 ,岩石软弱面的稳定性明显低于基质岩块的稳定性 ,当井周围存在裂缝或节理等软弱面时 ,井壁的稳定性将受到软弱面的影响而明显降低 ,岩石软弱面摩擦系数增大 ,软弱面的稳定性必然增大。斜井条件下 ,井壁失稳的位置和失稳的程度都与软弱面的产状密切相关 ,直井条件下 ,井壁垮塌的方位将可能偏离原地最小主应力的方位 ,而主要取决于软弱面的产状。

弱面结构对页岩地层井壁稳定性影响研究

页岩地层大量发育弱面结构,造成井壁垮塌现象频发,严重制约了页岩气的高效开发。因此,本文在Mohr-Coulomb准则的基础上,建立多弱面条件下的强度破坏准则。应用该准则,对不同弱面产状、弱面数量、钻井时间下的岩石强度进行分析,从而建立页岩地层坍塌压力预测模型,计算分析表明:围压增大后,页岩强度增加,不易沿弱面破坏;弱面产状和数量变化,使得岩石强度产生变化,从而造成坍塌压力分布复杂。尤其弱面数量增多,岩石强度下降明显,逐渐受弱面强度控制,坍塌压力出现明显增加;实例分析表明多弱面条件下的坍塌压力预测方法能更为准确地预测页岩地层坍塌压力,对页岩地层钻井工程有一定指导意义。

大埋深高地压弱结构面顶板岩层诱发冲击地压离心模型试验

针对赵楼矿井首采区近1 km深部拟开采的3煤(即山西组稳定可采煤层)冲击地压问题,考虑断层切割顶板的实际情况,概化出弱结构面顶板工程地质模型并进行离心模型试验。研究结果表明:对于离心模型模拟的弱结构面顶板条件,直接顶来压过程中煤柱压力较低,而老顶来压过程对煤柱受力的影响明显,是引起冲击地压的主要动力来源;顶板被断层切割时,顶板岩层的完整性受到破坏,应力在构造部位重新分布,形成构造应力集中,是引发冲击地压的危险部位;回采工作面揭露断层后,下盘顶板沿断层面失去煤体支撑而形成"悬臂梁",由此大大降低了顶板的支撑强度,容易发生因顶板突然断裂而形成的冲击压力,这种构造条件下厚-巨厚层极坚硬顶板易发生冲击地压。研究结果为赵楼矿井巷道的合理布置、支护及采动冲击地压的潜势性评价提供了重要的参考依据。

等面弱结构双支护在高支承应力煤巷中的应用

针对峰峰集团某矿S201巷道位于孤岛煤柱中以及向斜轴部的特殊地质条件,提出了等面弱结构双支护技术,详细介绍了其概念内涵、支护机理及布置方式,结合现场条件确定巷道支护参数并通过了现场实施。矿压监测结果表明,巷道支护效果良好,为类似高支承应力巷道的支护提供了借鉴。

考虑割理面时煤层造斜段坍塌压力变化规律研究

在武威盆地太原组水平井钻进作业时,依据井史数据调研发现,煤层段卡钻、井径扩大、钻具掉落等井壁坍塌导致的井下复杂事故发生,严重制约了煤层气勘探开发的进程。由于煤岩交错割理性(面割理、端割理)弱结构面发育,使煤岩在造斜钻进时井壁破坏在力学上呈现为非连续性和非均质性。建立了考虑弱面的井壁坍塌数学模型。通过分析煤岩矿物成分、微宏观结构,确定煤岩井壁坍塌为力学机制占主导因素,得出割理导致的煤岩碎裂成块是井壁失稳的根本原因,建议在后续煤层钻井中优化井眼轨迹、优化钻井液性能进行井壁防塌,并引入煤岩井壁坍塌实时监测系统。

识别结构弱面解决采掘工程技术难题的研究

通过实际揭露的地质现象,从岩体结构弱面的识别角度认识各类地质构造的识别标志,做好超前地质技术预测预报,并采取针对性的工程技术措施(控制掘进等),解决采掘工程技术中的难题,保障实现矿井安全生产与高效生产。

考虑多弱面的非连续煤夹层井壁坍塌模型与规律分析

煤层多弱面结构会导致井眼力学稳定性更差,在钻井过程中极易发生掉块垮塌。为研究煤层井壁坍塌规律,文章基于MG-C和岩石弱面双准则建立了考虑地层产状、井眼轨迹和煤层多弱面的坍塌压力计算模型,分析了煤层多弱面对坍塌压力影响的主控因素和影响规律,并针对含砂岩和煤层的非连续煤夹层进行坍塌压力实例计算。结果表明:随着井斜角增大,影响坍塌压力的主控因素由割理面转变为层理和本体;当井眼方位与割理面互成约45°夹角时,割理面为主控因素;综合来看煤层多弱面结构对坍塌压力的影响更大,且以沿弱面发生破坏为主;随着层理倾角的增大,坍塌压力先增大后减小,在层理倾角约45°时坍塌风险最大;随着层理倾向增大,主要影响坍塌方位,对数值大小影响不大。文章研究成果可为含煤夹层在钻井过程中预防井壁垮塌提供更好的理论指导。

采掘工作面冲击地压防治

为了能够更好地防治冲击地压,通过分析现有防治冲击地压的技术方法,提出了集束卸压孔防治冲击地压的方法。在巷道周围或工作面顶底板附近,打集束卸压孔,大量取出岩煤,在垂直钻孔的围岩断面上形成一个呈多孔状的弱面,在空间中形成一系列空岩管覆盖或围绕在一定距离的巷道周围或工作面顶底板中。当集中应力作用于巷道围岩时,首先破坏该弱面结构消耗能量,破坏后的该弱面会中断或减弱应力传递,并导致应力集中区向两侧深部岩体转移(采空区或较安全位置),保护巷道不产生或减少两帮挤进和底鼓。当发生地压冲击时,集中应力主要作用于两侧深部煤岩体,从而保护采掘巷道和局部工作面,确保人员设备安全与生产连续进行。

采掘工作面冲击地压防治

在巷道周围或工作面顶底板附近,打集束卸压孔,大量取出岩煤,在垂直钻孔的围岩断面上形成一个呈多孔状的弱面,在空间中形成一系列空岩管覆盖或围绕在一定距离的巷道周围或工作面顶底板中。当集中应力作用于巷道围岩时,首先破坏该弱面结构消耗能量,破坏后的该弱面会中断或减弱应力传递,并导致应力集中区向两侧深部岩体转移(采空区或较安全位置),保护巷道不产生或减少两帮挤进和底鼓。当发生地压冲击时,集中应力主要作用于两侧深部煤岩体,从而保护采掘巷道和局部工作面,确保人员设备安全与生产连续进行。

昭通龙马溪组页岩坍塌风险分层研究与应用

昭通国家级页岩气示范区龙马溪储层灰岩分布不均,采用高密度油基钻井液钻井时坍塌、溢流、气侵等井下复杂事故频发。统计26口井的复杂工况发现,地质分层与井下工况发生层位的关联性较差。首先对地质分层和复杂事故的非关联性分析,总结为储层地质力学参数各向异性、纵向水平应力差异、井眼轨迹与地层倾角、岩性差异和弱面结构等因素。以安全钻进为主要目标,在工程角度提出井壁坍塌风险分层。相较传统地质分层不仅考虑岩性差异,井壁坍塌风险分层还综合了岩石弱面结构、地应力状态和钻进参数等综合指标。最后针对典型井复杂小层进行坍塌风险评价,进行安全钻井液密度窗口优化和优选井斜角和方位角。建议按安全钻井液密度窗口下限进行钻进,在高坍塌风险层提高钻井液的封堵性、降低井壁渗透率能够在很大程度上避免复杂事故发生。探索井壁坍塌风险分层能有效指导钻井工程作业,优化工程设计方案,为深部页岩储层长水平段安全钻井提供科学依据。

基于结构弱面及缝间干扰的页岩缝网压裂技术

为明确页岩储层中层理、天然裂缝等结构弱面和缝间干扰对缝网压裂效果的影响机制,根据全三维物模实验所观察到的裂缝扩展现象,理论分析了结构弱面控制下和缝间干扰影响下复杂裂缝的形成机制,并结合数模研究对现场有助于形成复杂裂缝的多种施工工艺和方法进行了探讨。最终得出:结构弱面可使与之相遇的水力裂缝停止、转向或产生新缝,结构弱面发生剪切错动或张开后均可成为页岩气流动通道;此外,缝间干扰会影响后续裂缝的几何形态,从而改变其与结构弱面的逼近角;2级主裂缝间可以产生分支缝,有利于增加裂缝复杂度,适当降低裂缝间距可在一定程度上增强缝间干扰。目前已进行矿场试验的大排量低黏压裂液、暂堵转向、平台"拉链式"压裂等措施取得了较好的监测结果,作业方式的改进和不同压裂技术的综合应用也是增加裂缝复杂度的有效途径。

巷道支护强度对层状矿体围岩弱结构面稳定性的影响

巷道围岩弱结构面的失稳会造成巷道周边围岩发生变形和破坏。通过计算考虑支护强度影响的巷道周边围岩应力分布,推导出弱结构面上法向与切向应力的分布式。得出了在巷道支护强度影响下弱结构面上发生滑动的极限条件,确定了巷道支护强度影响下弱结构面上预测滑移区的位置以及范围。结合江西省彭泽县上横山钒矿地质条件,分析了不同条件对弱结构面上滑动的极限条件、法向与切向应力比值τ/σn值的影响,结果表明,随着巷道支护强度的增加,τ/σn值曲线峰值会产生降低,得出其可提高围岩弱结构面稳定性的依据。

渤海海域裂缝性地层井漏机理研究——以渤中34-9油田为例

渤中34-9油田裂缝性地层井漏频次高、漏失规模大,严重影响油田开发进度和成本。基于渤中34-9油田井漏特征、漏失通道类型、成因和井漏动力学机制分析了渤中34-9油田裂缝性地层井漏机理,提出了地层弱面结构发育是井漏的必要条件、正压差是井漏的主要动力、井漏是过平衡钻井条件下井筒压力—应力—应变再平衡的结果,并针对性配套相应的防漏措施。实践表明,控制井底压差是预防裂缝性地层井漏的有效措施之一,建议在工程施工过程中将存在弱面结构的地层视为非均质模型处理,以实际弱面结构的承压能力和应力敏感性为约束,优化井身结构、钻井液参数和钻井参数,提前避漏、防漏。

沉积型铝土矿采空区矿柱-顶板支撑系统滑移突变失稳分析

基于沉积型铝土矿采空区失稳多为沿结构弱面滑移剪切破坏的特征,借助能量耗散理论和突变理论,构建矿柱-顶板支撑系统滑移突变失稳模型,研究受结构弱面影响的系统失稳机制,分析各内控因素对采空区稳定性的影响.结果表明:采空区突发滑移失稳是由支撑系统的内控因素和外控因素协同作用的结果.外控因素既定条件下,各内控因素敏感度由大到小依次为:采空区跨度b,矿柱宽度a,软弱带厚度B,结构弱面倾角θ,矿柱屈服区宽度c.软弱带厚度B和结构弱面倾角θ的敏感度略小于采空区跨度和矿柱宽度的敏感度,在实际工程中,应密切关注结构弱面因素的影响.晨光铝土矿工程实例验证了计算结果的可靠性.研究成果可为此类矿山采场参数设计提供依据.

管缝式锚杆在银山矿的应用

银山矿西区位于西山火山口东侧1~#英安斑岩内弧接触带外侧,全部为埋藏距地表150m以下的盲矿体.该区地质条件复杂,断层、裂隙纵横交错,给井巷掘进及回来带来一定困难.本文为该区“管缝式”锚杆支护实践进行总结、分析.

二叠系火成岩地层井壁稳定性分析

火成岩地层是井壁失稳的高危地层,目前针对火成岩井壁稳定性研究缺乏系统分析。基于此,考虑火成岩结构,形成了多结构面强度准则,利用准则构建火成岩地层坍塌压力预测方法,分析该类地层井壁稳定性。研究结果表明:火成岩弱结构面发育,易导致岩石沿结构面破坏,从而降低岩石强度;结构面存在时,坍塌压力分布复杂,尤其弱面数量增多,岩石强度逐渐受弱面控制,坍塌压力显著上升;同时,水化作用也会导致地层坍塌压力增加;水化与弱结构面是火成岩地层井壁失稳的主要因素,考虑两者耦合作用是建立井壁稳定技术的关键。

RESEARCH ON COMPLICATED DAM FOUNDATION DURING EXCAVATION WITH THREE DIMENSION VISCO ELASTIC PLASTIC CONDENSED FEM

On the basis of the two geological factors rock structure and ground stress environment,a visco elastic plastic model is established to analyze the rock stability of dam foundation and dam abutment during excavation by a kind of FE condensed method.Rock mechanics is applied in analysing the dynamic process of displacements,stresses,yielding destruction of construction base level,soft interface of dam foundation.Results of the FE analysis indicate that theories and methods in this paper are reasonable and reliable.

深井回采巷道围岩变形破坏机理及支护研究

分析了深井回采巷道围岩变形破坏机理、巷道支护原则,阐述了深井巷道弱结构面加强支护的重要性及锚网索+U型棚联合支护方案的支护原理,验证了深井回采巷道锚网索+U型棚联合支护技术的可行性。

松辽盆地古龙页岩水平井井壁失稳机理

松辽盆地古龙页岩层理发育,层理密度高,黏土矿物以伊利石为主,质地偏硬脆性。古龙页岩水平井施工中反复出现坍塌卡钻、井眼扩大等井壁失稳问题。为了大幅度提高水平井的井壁稳定性,开展了岩石力学测试,建立有限元应力—流场耦合模型,求取不同工况条件下井壁稳定的坍塌压力上限。结果表明:井斜角、井斜方位、弱结构面数和弱结构面倾角是井筒坍塌压力的主要影响因素;钻井液当量密度要小于井壁岩石破裂压力当量密度,水平井目的层段最佳钻井液密度为1.70~1.75 g/cm^(3);井斜角为35°~70°时井壁的抗拉、抗压强度最小,也是井壁最容易坍塌的钻井井段;沿着0°或180°井斜方位钻井施工最安全;井筒坍塌当量密度随弱结构面倾角的增大而减小,弱结构面的存在会很大程度上增加井筒坍塌的风险,当有一个弱结构面后,弱结构面数量增加坍塌当量密度上升不再明显。研究成果可为现场钻井液密度的设计作指导,对认清井壁失稳机理、规范钻井作业具有借鉴意义。

四平银矿采场混凝土人工矿柱的应用实践

根据采场情况把一些矿柱利用混凝土人工矿柱替换,即回收了宝贵矿产资源同时确保了安全生产,实践表明这是非常有效的采场顶板支护方法。