稳定围岩中高压孔隙水致裂井壁机理研究

发布时间：2020-03-21 09:21

【摘要】：近年来,随着我国煤矿开采向西部地区转移,大量井筒穿越深厚稳定的富水砂岩地层。在高孔隙水压作用下,如何合理设计单层井壁是一个待解的难题。揭示稳定围岩中高压孔隙水致裂井壁的机理,是破解这一难题的基础。本文采用数值模拟结合物理模型试验的方法对稳定基岩中高压孔隙水致裂井壁的机理进行了研究。首先,建立了多孔介质平面应变模型,运用FLAC3D有限差分数值模拟软件,对围岩-孔隙水压-井壁相互作用的全过程进行了模拟。对于影响井壁在孔隙水压增长过程中的变形和壁后等效水荷载的一些参数进行了对比研究;模拟了井壁在水压恢复全过程中的破坏形式,分析认为井壁的破坏形式主要为剪切破坏。其次,基于相似理论,对井壁-围岩-孔隙水压之间的相互作用进行了物理模型试验研究。研制了井壁相似材料,掌握了围岩相似材料力学特性;试验中实现了水平地压与孔隙水压的独立加载,通过电阻应变计和分布式光纤对井壁变形规律进行了测试。综合数值模拟与物理模型试验结果认为,孔隙水压恢复过程中,井壁变形可以分为三个阶段:1、围岩与井壁紧密贴合阶段。该阶段井壁的变形受孔隙水压增长影响小,孔隙水压力影响系数显著小于围岩的孔隙率。2、围岩与井壁(局部)分离阶段。该阶段孔隙水压影响系数不断增大。井壁与围岩的分离从点开始向局部区域发展,随着孔隙水压不断填充,分离速度不断加快。在此阶段,井壁可能会承受较大的不均匀力。3、井壁与围岩完全分离阶段,井壁承受全水压。这一阶段若保持孔隙水压不断增长,井壁变形快速增长直至井壁破坏。最后,通过分析数值计算和物理模拟研究中井壁的破坏过程,认为稳定岩层中高压孔隙水是导致井壁破裂的主要原因。其作用机理是:在第二阶段,井壁和围岩发生局部分离,局部区域受到的等效外水荷载显著增大,井壁受力不均匀发生剪切破坏;在第三阶段,围岩与井壁完全分离,在全水压作用下井壁快速变形破坏。基于此,提出增大井壁径向刚度、增大井壁与围岩粘结力、减小分界面孔隙率等高压孔隙水害防治措施。
【图文】：

1 绪论积很小，所以忽略。，如图 1-1 所示，截面总面积为 A，总荷载为 A，粒的接触点，作用在各接触点的接触力 Ps的作用量法则将其分解为竖向和水平两个方向的分量，竖衡式。所有土颗粒之间的接触点力在平面法向上的分量比 = /c ci A A可以忽略，所以就得到了(1- 4)式。 svic= 1PuA

受当量水荷载环向应变的 84%，即当井壁和围此时井壁受到的等效水力荷载近似于孔隙水压段所受的外水荷载，已经有了一些实测研究：号井风井实测了 250m 以下冻结基岩井筒的水压表 1- 2 测试水平最大水压及水压系数ble 1- 2 Maximum hydraulic pressure and hydraulic coeff/m 水头高度/m 理论水压/MPa 实测水压/M.0 325.8 3.193 2.200 .0348.33.413 2.376 .0362.83.555 2.936 外水压力较静水压力有一定的折减，，但是是在土工程研究所对门客庆煤矿副井-670m 孔隙型壁有一定渗漏）。测量时间跨度为冻结壁解冻如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD313

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本文编号：2593122