地层压力预测等效深度法（安徽理工大学程桦教授）

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创新点

（1）建立了马头门上覆岩层受重复扰动影响发生弯曲变形过程中对井壁产生剪切拉应力的力学模型，给出了井筒围岩分层竖向位移函数，采用最小势能原理推导了井筒附加拉应力解析解。

（2）井筒马头门上覆岩层受施工多次扰动影响，导致在岩层发生弯曲变形时产生作用于井筒之上的竖向剪切拉应力，该拉应力由下而上积累到某一阈值时，在钻井井筒抗拉最薄弱部位即钻井井筒接头处发生第一次拉断破坏，其后，随着岩层弯曲变形的发展，往上发生第二次拉断破坏，并导致底部含层水砂溃入井筒发生淹井事故。

（3）提出了通过钻井井筒竖向受拉等强设计、在钻井井壁与下部基岩段素混凝土井壁连接处设置井壁壁座、在马头门以上至钻井井筒底部基岩段设置 1～2道水平隔离缝、地面 L型注浆加固马头门附近软弱围岩等技术途径，完善现行相关设计规范，确保钻井井筒施工与运行安全。

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作 者

程 桦^1,2,曹广勇^1,3,姚直书¹,荣传新¹,张亮亮¹

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单 位

1. 安徽理工大学 土木建筑学院；2. 安徽大学 资源与环境工程学院；3. 安徽省建筑结构与地下工程重点实验室

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研究背景

2009-04-18,安徽淮南矿区某在建煤矿副井井筒突发涌水溃砂,并引发主、风井次生破坏,造成淹井事故。此后井筒修复揭露的破坏形态表明,该矿副井井壁不但发生了受拉破裂,而且还在不少钻井井壁接头法兰盘上下附近出现了环向压性裂缝,主、风井主要以后者环向压性裂缝为主。其破坏特征与1987年以来我国黄淮地区相继出现的200多个立井井筒因底含疏水固结沉降导致的井壁破坏有本质不同。

国内学者针对黄淮地区立井井筒因底含疏水固结沉降导致的井壁破坏机理,开展了大量研究,并对其破坏原因形成了共识。但其主要是探讨底含疏水沉降引起上覆土层作用于井壁上竖向附加力的分布规律,而针对厚表土薄基岩地层大直径钻井井筒受拉破断突水溃砂机理的研究鲜有报道。

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摘 要

为揭示厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理,以安徽淮南矿区某在建煤矿副井为背景,分析厚表土薄基岩钻井井筒受拉破断过程与特征,建立马头门上覆岩层弯曲变形竖向剪切拉应力力学模型,给出井筒围岩分层竖向位移函数,采用最小势能原理及弹性力学理论推导出井筒竖向拉应力解析解。

分析表明,井筒马头门上覆岩层受施工多次扰动影响发生弯曲变形是产生作用于井筒之上的竖向剪切拉应力的致因;该剪切拉应力产生的作用于井筒之上的拉力由下而上积累到某一阈值,该阈值与井筒自重应力的合力超过钻井井筒极限抗拉强度时,在钻井井筒接头处发生第1次拉断破坏,其后,随着岩层弯曲变形发展,拉断处以上井筒继续受竖向剪切拉应力作用而发生第2次拉断破坏,并导致底部含水层水砂溃入井筒发生淹井事故。

马头门围岩的稳定性对改变上部钻井井筒受力状态有重要影响,其上覆基岩越薄影响越大,越易发生钻井井壁拉断破坏,基岩与风化基岩弹性模量比和风化基岩与底含弹性模量比对井筒发生拉断破坏时的位置,以及对应马头门顶部最大竖向位移影响均较小。通过采用钻井井筒竖向受拉等强设计、钻井井筒底部设置壁座、马头门至钻井井筒底部基岩段设置1~2道水平隔离缝、地面L型注浆加固马头门软弱围岩等技术途径,完善现行相关设计规范,确保钻井井筒运行安全。

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部分图片

地层柱状图以及副井井壁结构

“底含”观1孔水位变化曲线

地表沉降量等值线

副井井壁拉断破坏

井筒受拉分析模型

第1次受拉破坏竖向位移

第1次受拉破坏附加拉力

第2次受拉破坏竖向位移

第2次受拉破坏附加拉力

不同基岩厚度情况下附加拉力

K₁与第1次破坏位置及马头门竖向位移

K₂与第2次破坏位置及马头门竖向位移

作者简介

程桦，男，1956年10月生，安徽巢湖人，博士生导师，教授、安徽省先进工作者。享受国务院特殊津贴，是国家煤炭系统专业技术拔尖人才、安徽省首批高校学科技术带头人、安徽省科技创新学术团队带头人，国家级教学名师。安徽省岩石力学与工程学会副理事长。近年来，获国家科技进步二等奖三项，省部级特等奖二项、一等奖二项、二等奖七项、三等奖三项，教育部科技进步二等奖一项，现主持国家级、省级纵向课题5项，横向课题6项。

研究方向

地下结构计算理论，岩石力学与支护，矿山与岩土工程特殊施工理论与技术

主要成果

“祁南矿井高强钢筋混凝土钻井井壁研究”获原煤炭工业部科技进步二等奖，“不停产采用双卸压槽治理井壁新技术”获鲁煤科技进步二等奖，“淮南矿区特厚表土层冻结法凿井关键技术研究及其应用”荣获安徽省科学技术奖一等奖，“冻胀力控制与释放技术应用研究”获安徽省科技进步二等奖，“沉降地层井筒治理技术及工程研究”获安徽省科技进步三等奖。此外，在专业核心期刊、学术期刊上发表学术论文100余篇，其中，《面向21世纪课程体系的改革》获安徽省教学成果二等奖。

来源：

程桦,曹广勇,姚直书,等. 厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理[J]. 煤炭学报,2021,46(1):100-111.

CHENG Hua,CAO Guangyong,YAO Zhishu,et al. Tensile fracture mechanism of drilling shaft under the special engineering conditions of thick alluvium and thin bedrock[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(1):100-111.

责任编辑：黄小雨

编辑整理：郭晓炜

审核：常 琛

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