深厚表土中钻井法凿井的井壁外载和结构.pdf

第3 4 卷第4 期 2 0 0 5 年7 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 4N o ．4 J u l ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 4 0 4 0 9 0 5 深厚表土中钻井法凿井的井壁外载和结构 崔广心 中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要分析了钻井法凿井的井壁外载，特别是近年来研究厚表土层中井壁破裂机理时发现的竖 直附加力．在已知外载条件下，研究了两种可行的井壁结构，即以增加井壁整体强度的“抗”型和 安装竖向可缩装置的“让”型井壁结构的力学特性及适用条件．研究了安装竖向可缩装置井壁的 井筒装备应采取的措施．认为当表土深度超过2 0 0m 时，以安装竖向可缩装置的“让”型井壁结 构为好． 关键词钻井法凿井；钻井井壁结构；深厚表土井壁外载；井壁竖向可缩装置 中图分类号T D2 6 5 ．1文献标识码A L o a d i n ga n dS t r u c t u r eo fS h a f tL i n i n gb yS h a f t D r i l l i n gi nD e e pA l l u v i u m C U IG u a n g - x i n S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fm i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t T h el o a d so fs h a f tl i n i n gb yd r i l l i n gs h a f ts i n k i n gw e r ea n a l y z e d ，e s p e c i a l l yt h ev e r t i c a l a d d i t i o n a lf o r c ed i s c o v e r e db yr e s e a r c h i n gi n t ot h eb r e a k i n gm e c h a n i s mo fv e r t i c a ls h a f tl i n i n gi n t h i c ka l l u v i u mr e c e n t l y ．T h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft w ot y p e ss h a f tl i n i n gs t r u c t u r ew e r e s t u d i e d “r e d u c i b l e ’’t y p es t r u c t u r ea n d “p o w e rs u p p o r t ”t y p es t r u c t u r e ．S o m em e a s u r e st os e tu p t h es h a f tf u r n i t u r eo ft h ev e r t i c a lr e d u c i b l ee q u i pw e r es t u d i e d ．T h er e s u l t so fs t u d ya n da n a l y s i s i n d i c a t et h a tp r i o r i t yi sg i v e nt ot h e “r e d u c i b l e ”t y p es h a f tl i n i n gs t r u c t u r ew h i l et h ed e e pa l l u v i u m d e p t hi sm o r et h a n2 0 0m ． K e yw o r d s s h a f td r i l l i n g ；l i n i n gs t r u c t u r eo fd r i l l i n gs h a f t ；l o a d i n go fs h a f tl i n i n gi nd e e pa l l u v i u m ； v e r t i c a lr e d u c i b l ee q u i po fs h a f tl i n i n g 大直径钻井已广泛应用于矿山建设工程、海港 建设、军事工程、城市建筑的深基础工程．大直径深 井钻井于1 9 6 9 年在淮北矿区朔里矿南风井工业试 验成功至今，在矿山已钻凿了5 0 余个井筒．由于矿 山工程要求井筒直径大 均大于≯3 ．5m 以上 、井 筒深，基于国情，多用钻井法和冻结法通过深厚表 土层．目前，在我国钻井法和冻结法是通过1 5 0m 或更深表土层的可靠方法． 1 9 8 7 年以来，在华东地区的淮北、大屯、徐州、 兖州等矿区深厚表土层中竖井井壁发生破裂灾害， 至今已有7 0 余个井筒井壁破裂，其建井施工方法 均为冻结法和钻井法．这一突发性灾害严重影响矿 井生产，危及安全，迫使部分矿井停产，造成重大经 济损失．已有的常规理论和知识、现有的工程经验 均不能解释这一灾害产生的原因，因而探求治理技 术方向不明．经联合攻关，采用室内物理模拟试验、 模型试验与现场工程观测相结合的技术路线研究 获得井壁破裂的机理是在深厚表土层中的含水层 收稿日期l2 0 0 4 0 8 2 7 基金项目，国家自然科学基金重点项目 5 0 2 3 4 0 3 0 作者简介崔广心 1 9 3 6 一 ，男，辽宁省沈阳市人，教授，博士生导师，从事矿山特殊凿井工程和地下岩土工程方面的研究． E m a l llg x c u i c u r e t ．e d u ．c n T e ll0 5 1 6 3 8 8 5 9 1 8 ， 万方数据 4 1 0 中国矿业大学学报第3 4 卷 直接覆盖在煤系地层上或与煤系地层有密切水力 联系的特定条件下 即特殊地层条件 ，由于采矿活 动 或人为抽水 使含水层水位疏降，土体有效应力 增加，土层固结压缩，造成地层下沉，在地层下沉过 程中对井筒外壁施加一个向下的竖直附加面力 冠 名“竖直附加力” ，该力是导致井壁破裂的主要原 因．该成果是对厚表土段井壁受力认识上的一次飞 跃．传统观念中，表土段井壁和岩石段井壁一样，主 要承受水平地压力，井壁自重主要由地层承担．实 际上，在特殊地层条件下井壁在竖向不仅要承受其 全部自重，还要承受竖直附加力．竖直附加力已是 井壁稳定性的控制因素之一，有时是主要因素． 依据这一机理，对治理和预防井壁破裂技术的 研究，可供采用的技术路线有1 “抗”，即提高井 壁材料强度，加大井壁厚度，增强井壁整体承载力， 承受这一外载；2 “让”，改变井壁结构，使其竖向 可缩，适应土层固结压缩和地层下沉，保障井壁安 全；3 “减”，即充填加固含水层，减小以至消除土 层固结压缩，从而减小地层下沉及其引发的竖直附 加力，达到井壁安全的目的． 经过几年的研发，3 种技术路线都成功地开发 了治理和预防技术．对于已建成的井筒，由于井筒 设计和建设时尚未认识竖直附加力，因而设计中也 未考虑竖直附加力的作用，至使许多井筒井壁已破 裂．只有按具体条件采用不同的或综合的治理技术 进行治理修复．对于待建井筒的井壁，采用“抗”或 “让”的技术，理论上均可做到井壁安全．但在技术 上和经济上，由于地质和工程条件不同而有区别． 本文就“抗”型井壁结构和“让” 加“可缩装置” 型 井壁结构的合理应用条件进行研讨． 1深厚表土中钻井井壁的荷载 厚表土层中大直径钻井的井壁一般为地面分 段预制，当钻进工作完成后，井壁分段移运至井口 连结，在洗井液中飘浮下沉至设计深度后，再对井 壁与土帮之间空隙进行充填固井后即完成井筒井 壁施工．按这一工序井壁所受荷载分为施工期间的 施工荷载和施工后地层施加荷载 也称“永久荷 载” ． 施工荷载包括1 井壁预制后移运、提吊时的 自重力；2 井壁在洗井液中飘浮下沉过程的荷载； 3 下沉后壁后充填时充填液压力．设计和工程实 践对钻井井壁施工过程所受荷载明确，并能可靠的 掌握．故本文不作研讨． 永久荷载包括1 常规水平地压；2 竖直附 加力；3 其它荷载． 1 ．1 常规水平地压 深厚表土中水平地压理论和计算方法很多[ 1 ] ． 当前常用的公式是水平地压P H 为 P H K H ， 1 式中K 为系数，其值为1 ～2 ，一般取1 ～1 ．3 ；H 为深度． 1 ．2 竖直附加力 如前所述，在研究深厚表土层井壁破裂机理中 发现了井壁承受竖直附加力．进一步研究获得深度 3 0 0m 范围竖直附加力沿深度分布规律及数 值凹。3 ] ．在含水砂层中为4 0 “ - - 1 4 0k P a ；黏土质砂为 2 0 ～1 0 0k P a ；黏土层为5 ～3 0k P a ；砂质黏土为5 ～5 0k P a ．部分深厚表土层中钻井井壁破裂情况见 表1 ． 表1部分钻井井壁破裂筒况 T a b l e1 S y n o p s i so fs o m ed r i l l i n gs h a f tl i n i n gb r o k e n 从表1 可以看出井壁破裂位置均在表土层与 基岩 或基岩风化带 交接面附近 它与冻结法凿井 的井壁破裂位置相同 ．可以认为这个交接面附近 井壁受有最大竖向应力． 为反求井壁竖直附加总力和平均竖直附加力 作如下简化1 取C 。。混凝土，其力学参数见表2 ； 2 因井壁竖向钢筋按提吊时承受自重设计及布 筋，故反求竖直附加力时从略；3 井壁破裂按第一 万方数据 第4 期崔广心深厚表土中钻井法凿井的井壁外载和结构4 1 1 强度理论，即井壁自重应力 竖直附加力应力≥ 轴心抗压标准值时，井壁即可破裂． 衰2 混凝土力学参数[ 4 3 T a b l e2M e c h a n i c sp a r a m e t e r so fc o n c r e t e 螓县轴心抗压标准值巩／轴心抗压设计值[ d ] ／弹性模量E c ／ C 3 0 2 0 ．1 C 5 03 2 ．4 C 6 03 8 ．5 计算平均竖直附加力的公式如F 7 c D 外∑h { q f 7 H 型一≤O “ b ， { 璐一璐 ‘ ∑h ，q ； 吼p2 万一， 2 3 经推演得 q c p 与笫铲，㈤弋瓦i 疆矿’ J 式中q 。为平均竖直附加力值，k P ac r b 为混凝土轴 心抗压标准值，k P a ；y 为混凝土的密度；H 为计算 深度，m ；D 内为井壁内直径，m ；E 为井壁厚度，m ； h ；为i 土层厚度，m ；g l 为i 土层竖直附加力，k P a ． 用式 4 和表1 中C 。。的资料反求q 。值见表1 ， 序号9 ． 设砂层、黏土层各占表土层总厚度1 ／3 ，砂质 黏土、黏土质砂各占总厚度1 ／6 ．取试验值求平均 附加力 加2 0o ／4 系数 可得q c p t 为 ‰，乩2 [ 半 引半 吉 掣 制2 0 专_ _ 1 0 0 惜] 一 6 0 ．8k P a ． 为研究方便，综合考虑工程反演和实验资料， 本文对井壁结构研究取平均竖直附加力值为q c p 一 6 0k P a ． 1 ．3 其它荷载 已发现的其它荷载有温度荷载、地震荷载、地 层开采沉降时表土层有水平移动荷载等． 温度荷载指由气候变化引起的温度应力．对于 主、副井 因是进风井 在华东地区一般年温差在 2 0 ℃左右，可使井壁的平均温度变化1 5 ℃左 右‘引．它可使井壁在竖向产生4 ～7M P a 的温度应 力．这是厚表土中竖井井壁多在4 ～9 月份发生破 裂灾害的诱因，也是井壁设计应予考虑的因素之 地震荷载和表土层水平移动荷载处于研究中． 据对邢台地震和唐山地震对井壁影响的实测，地震 对井壁破坏多在地面至地面以下5 0m 深处．从已 有观测数据，表土层下沉时水平移动对井壁应力有 一定影响，但尚未达到破坏井壁的程度．故本文研 究井壁结构时暂不考虑． 2 钻井井壁结构及力学特性 在深厚表土层中控制井壁结构的主要外载是 水平地压和竖直附加力．为承受水平地压选择园筒 形井壁结构．为承担竖直附加力按前述的技术路 线，井壁结构有1 “整体的”，即井壁可承受竖直 附加力，简称“抗型”；2 “竖向可缩的”，即井壁竖 向可缩以适应地层变形，消减竖直附加力值，简称 “让型” 图1 ． 匡萋鍪 a 整体的井壁结构 b 有竖同可缩装置的井襞结构 图1 井壁结构示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fs h a f tl i n i n gs t r u c t r e 两种井壁结构力学特性不同．在学术界和技术 界都有不同认识．两种井壁结构的基本特点是 1 “抗型”属常规井壁结构．结构简单、施工方 便．由于提高井壁材料强度或加大井壁厚度，可能 减小了井筒净径，而且加大了成本． 2 “让型”井壁竖向增加“可缩装置”增加了成 本，施工难度稍有增加．优点是井壁竖向可缩，减少 竖向附加力作用，使具有在承受水平地压所需井壁 厚度条件下，即可满足适应竖直附加力作用所需力 学性能． 为分析研究，按式 1 取水平地压P H 一7 H ，竖 直附加力q 。， k P a ，混凝土取C ⋯C 。。，C 。。三种 其 力学性能见表2 ，进行两种井壁结构的计算比较． 钻井井壁厚度E 为 f 厂F 彳一、 E 瑚内【√』[ a ] - - 生Z p H qJ ， 5 式中[ d ] 为轴心抗压设计值 见表2 ；R 内为井壁 内半径． 目前在厚表土层中可钻最大直径为9 ．3m ．随 表土深度增加井壁厚度可达0 ．8 ～1m 或更大．若 按壁厚E 一1m 计，则尺内为 R 内一等一 R 内 E E ， 寺H E 卢， 6 式中D e 为最大钻进直径，m ；E 。为钻井外壁的最 万方数据 4 1 2中国矿业大学学报 第3 4 卷 小充充填厚度，I T I ，一般取E ．一 o ．2 ～0 ．3 I T I ，本文 取0 ．3r f l ；H e 为钻井终深，I T I ，考虑深表土按H 。一 6 0 0m 计；／i 为允许钻进偏斜率，考虑深表土要求 垂直度高，取卢一1 ．5 1 0 13 ．则 R 内一丢 9 ．3 6 0 0 1 ．5 1 0 。 一1 一o ．3 2 ．9 m ． 考虑到井壁联结施工和制造误差，本文按 R 内一2 ．7 5m 进行计算，计算结果见表3 之序号2 ． 表3 不同表土深度的井壁计算 T a b l e3T h es h a f tl i n i n gc a l c u l a t er e s u l t si nd e e pa l l u i v a m 3 4 ．3 4 9 ．1 6 6 ．0 8 5 ．9 1 0 9 ．9 1 3 9 ；3 1 7 6 ．7 2 2 6 ，5 2 9 7 ，0 4 1 0 ．7 1 9 ．8 2 7 ．4 3 5 ．6 4 4 ．7 5 4 ．5 6 5 ．1 7 7 ．0 9 0 ．2 1 0 4 ．9 1 2 1 ．7 1 7 8 137 ．4 2 45 0 49 ．4 3 15 7 31 1 ．5 3 78 8 81 1 ．5 4 55 2 213 ．6 5 35 3 3】5 ．8 6 02 2 415 ．8 6 88 0 018 ．1 7 77 5 42 0 ．4 8 48 2 3 2 0 ．4 3 ．9 5 ．2 6 ．5 7 ．8 9 ．1 10 ．4 1 1 ．7 1 3 ．0 1 4 ．3 1 5 ．6 注地压值P H 一1 ．O H ；q 。26 0k P a ． 考虑到稳定性和施工方便，取1 5 0I T I 深以内E 4 0c m ；1 5 0 ～2 5 0m 时E 一4 0 ～6 0c m ；2 5 0 ～4 0 0 m 时，E 一6 0 ～8 0C H I ；4 0 0 ～6 0 0m 时E 一8 0 ～1 0 0 c m ．并按此求算井壁外壁所受竖直附加力总力及 由此引发的竖直应力值见表3 序号3 ～7 ．井壁所 受竖向总应力及稳定性见表3 序号8 和9 ． 从上述计算结果可知随表土深度增加，钻井 井壁用c 。。已不能保障安全．若仍用“抗”型结构，必 须再提高井壁材料强度或加大井壁厚度，或两者共 用．这将造成成本增加和井筒净直径减小，以至不 能满足生产要求 如副井 ． “让”型井壁结构增加了“可缩装置”，使井壁竖 向可缩，从而减小竖直附加力值至井壁可承受范 围．即要求“可缩装置”的力学特性如图2 所示．即 在竖向恒应力状态下允许有较大竖向变形 一般变 形量为可缩装置高度的6 0 ％以上 ，具有这种力学 特性的可缩装置已研发成功，几种类型已分别获专 利并成功应用于工程 例如大屯矿区、永城矿区 等 ． 图2可缩装嚣的力学特性示意图 F i g ．2 M e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co fr e d u c i b l ee q u i p 3 有关“可缩装置”应用的几个问题 3 ．1 安放的位置 如表1 所示井壁破裂位置一般在表土层与基 岩 或基岩风化带 交界处附近．这是由于自重应力 和竖直附加力均沿深度向下累加 见表3 而基岩 可以认为是“刚体”且和井壁固结，故在土、岩交界 处附近井壁有最大竖向应力，当超过井壁强度极 限，在其薄弱处造成井壁失稳而破裂．因此从理论 上讲可缩装置安置在井壁破裂处最为合理．考虑到 施工和维修方便，可缩装置宜放在隔水层为好． 3 ．2 安置“可缩装置”的数量 从工程实测统计厚表土层由疏排水造成地层 沉降率为o ～3 0m m ／a ．地面因疏水固结的终极下 沉量淮北矿区预测可达2m ；大屯矿区预测在l m 左右．对于山东巨野矿区表土深达7 0 0I T I 尚待 开发，尚无下沉率等资料．若借其它矿区已有资料， 开采后表面因疏水固结终极下沉量估计可达4 ～6 1 T I ．井壁只安装1 个可缩装置其可缩量不能满足要 求．’因此需要安设Ⅳ个可缩装置．计算Ⅳ的公式 为 Ⅳ一竽， 7 式中K 为系数，可取1 ．1 ～1 ．2 ；L 为因疏排水引 起表土层固结下沉总量，I T I ；z 为单个可缩装置的允 许压缩量，m ． 当需要安放的可缩装置大于1 个时，不宜集中 安设．根据地层条件分散安放．一般分散距离可在 1 5 0 ～3 0 0m 为宜． 9 2 O 8 5 2 7 O 4 1凹孔弘∞艚蚴曲飘鞠钾 O 0 5 O 4 8 O 0 1 5孔拍凹∞∞弘勰∞黜 4 5 6 6 7 8 8 9 O O O O 0 O O O O O●● 4 4 O 0 6 6 3 7 0 3拢四弘档叫∞∞∞叫 O O O O O O 0 O O 0∞拍∞弘∞蟠∞诣∞ 万方数据 第4 期崔广心深厚表土中钻井法凿井的井壁外载和结构 4 1 3 3 ．3 安置可缩装置时井筒装备需考虑的问题 1 缶道可缩装置压缩同时，缶道间间隙减 小以至压合后出现弯曲．工程实践是当缶道间隙 接近或等于0 时，切割缶道，保持其间隙在5 ～1 5 m m 即可．应当指出的是间隙减小不是均匀的而 是突然减小后稳定一段时间再突然减小．因此应把 检查和切割缶道工作列为井筒检查的日常内容． 2 排水管在安放可缩装置处，排水管可安 装可伸缩接头或加‘‘儿”型曲折，利用弯头螺纹微动 来调整距离． 3 电缆在安置可缩装置处电缆竖向S 型安 装使其有可压缩量． 4 梯子间梯子可以定期切割调正亦可安设 一段绳梯代替钢梯． 4结论 1 基于厚表土含水层疏排水而固结沉降；给 井壁施加竖直附加力造成井壁破裂这一机理，用增 ，强井壁承载力 即“抗” 的井壁结构和增加竖向可 缩装置 即“让” 的井壁结构，从技术上讲均是可行 的． 2 随表土层深度增加，由竖直附加力造成的 井壁竖向应力增大而成为井壁厚度和稳定性的主 要控制因素的条件下，加竖向可缩装置的“让”型井 壁结构的优越性随表土深度增加而更明显．建议在 2 0 0m 及更深的厚表土层中钻井井壁结构可优先 选用“让”型结构． 3 由于竖直附加力沿井壁深度分布不均匀， 它与含水层位置、土层性质、降水速度等因素有密 切关系．且土层厚度加大土层总沉降量亦加大．因 此可缩装置亦应选择多个且分开布置为好．一般距 离以1 5 0 - - - 3 0 0m 为宜．每个可缩装置压缩量0 ．5 ～1 ．2m 为宜． 4 对于已破裂井壁的治理方法之一是在井壁 破裂处附近开“卸压槽”，槽内置P V C 垫板或木垫 板．这种结构由于压缩量小而使用年限短．宜在槽 内安放可缩装置，即可达蓟卸压作用，可压缩量亦 大．河南永城矿区使用可缩装置治理已破裂井壁的 成功应用即是例证． 5 井筒在更深表土中建造，尚有一些未认识 的工程问题和新理论将出现，而且愈是深部对井壁 维修的技术难度和危险性都将激增．因此对深厚表 土层中井筒井壁设计时考虑到未认识因素，其安全 度应适当加大．保障井筒在生产中安全正常使用才 是最大的节约． 6 现各种治理和预防井壁破裂技术仅有十余 年的历史．有些问题尚未暴露，因此对工程资料和 实验研究应进一步开展． 参考文献 [ 1 - 1 马英明．立井厚表土层地压的理论与实践[ J ] ．中国 矿业学院学报，1 9 7 9 2 4 5 6 9 ． M aYM ．T h e o r ya n dp r a c t i c eo fg r o u n dp r e s s u r eo n s h a f td u ot Ot h i c ko v e r b u r d e n [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n a I n s t i t u t eo fM i n i n gT e c h n o l o g y ，1 9 7 9 2 4 5 6 9 ． [ 2 ] 崔广心．深厚表土中竖井井壁的外载[ J ] ．岩土工程 学报，2 0 0 3 ，2 5 3 2 9 4 2 9 8 ． C u iGX ．L o a d i n go fs h a f tl i n i n gf o rd e e pa l l u v i u m [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ，2 5 3 2 9 4 2 9 8 ． [ 3 ] 崔广心，杨维好，吕恒林．深厚表土层中的冻结壁和 井壁[ M ] ．北京中国矿业大学出版社，1 9 9 8 ．1 3 1 一 1 5 8 ． [ 4 ] 吴德安．混凝土结构设计手册[ J ] ．北京中国建筑 工业出版社，2 0 0 2 ． 责任编辑陈其泰 万方数据