地面钻井剪切变形破坏的时空规律分析

为有效预防地面瓦斯抽采钻井的剪切变形破坏,建立了基于采场上覆岩层层面剪切滑移效应的采场任意点地面钻井剪切变形破坏模型,并对套管变形随回采工作面推进的空间分布和时间变化规律进行了分析,同时运用3DEC数值模拟软件对模型进行模拟分析并与现场工程实例进行了对比验证。指出地面抽采钻井应优先布置在采场中部区域以减小剪切变形,模型描述的规律对地面钻井的施工布井和钻井防护具有较强的工程指导意义。     

深厚表土地区地面瓦斯抽排钻孔套管设计

为了研究深厚表土地区地面瓦斯抽排钻孔套管设计,从模型的建立、套管工作荷载的选取、套管稳定性计算公式选择等方面进行了研究。结果表明:从永久使用方面考虑,套管受力模型和钻井法井壁相似,故可参考钻井法井壁结构设计,对其使用阶段所受的荷载进行考虑;根据薄壁圆筒理论,从受力的角度分析指出瓦斯抽排钻孔套管使用高强度钢材不合理;从受力和施工等方面考虑,深厚表土地区地面瓦斯抽排钻孔护壁套管和工作套管的安全系数应进行不同考虑。     

轴向拉应力对钻井套管剪切变形时应力特征的影响规律研究

基于煤层开采条件下上覆岩层的运动规律,采用Ansys软件建立了钻井套管剪切变形数值模拟模型,研究了轴向拉应力对套管剪切变形时的应力特征的影响规律。结果表明随着套管承受拉应力的增大,剪切面上Mises应力最大值和套管上承受较大Mises应力的区域面积均增大,说明拉应力越大,套管越易发生剪切破坏,且套管易发生剪切破坏的区域也越大。研究结论解释了工程中套管剪切破断的区域主要位于软硬岩层交界处(上硬下软组合)和关键层区域的原因。     

地面钻井变形破坏的相似模拟试验研究

采场上覆岩层的移动与变形是造成地面瓦斯抽采钻井变形破坏的根本原因。为了获得地面钻井变形破坏的直观规律,本文通过构建相似模拟平面模型,对采场覆岩移动进行了相似模拟,并通过设置竖向位移监测线模拟钻井的变形规律,通过应力-应变传感器监测覆岩层应力分布情况,从而获得了地面钻井层间滑移变形和层内挤压变形的直观规律,为地面钻井变形破坏机理的研究和防护措施的制定奠定了基础。     

远距离下保护层开采卸压特性及钻井抽采消突研究

我国西部部分矿区地质构造复杂,瓦斯灾害特别是煤与瓦斯突出十分严重,威胁了矿井的安全生产,制约了煤炭资源的开发。针对这些矿区构造复杂、煤层渗透性差及煤层群开采的特点,以消除煤与瓦斯突出危险性、降低煤层瓦斯含量为切入点,对远距离下保护层开采及钻井抽采卸压瓦斯、消除煤与瓦斯突出危险性进行了系统研究。构建了采场相似模型和数值分析模型,研究了远距离下保护层开采的卸压特性:①下保护层开采期间,被保护层可实现充分卸压,其透气性系数大幅度提高,为抽采卸压瓦斯提供了条件;②针对双保护层开采条件,揭示了工作面风巷、机巷内错40~50 m区域的被保护层均为膨胀区,是布置钻井的合理位置;③提出了远距离双保护层开采的重复卸压模型,首采保护层回采后形成的采空区具有"缓冲效应",减弱了次采保护层开采期间上覆煤层的卸压程度。建立了地面钻井稳定性分析的力学模型,研究得出:①邻近岩层的强度相差越大,对钻井的挤压、剪切作用越大;②在套管和井壁之间留设间距后,套管上的最大剪切应力平均降低50.8%,减小了套管剪切破坏的概率;③生产套管长度越大,其挠度值越大,抗弯曲变形能力越强。对此,设计了防剪切破断的钻井井身结构:生产套管采用贯穿井身的整管,与固井套管或井壁之间留设"缓冲容移间距",筛管段采用了"套管强化技术",有效提高了钻井稳定性。揭示了地面钻井抽采卸压瓦斯规律:①阐明了工作面回采距离(表征上覆煤层和裂隙带的透气性)是影响钻井产气率的关键参数;②得出了保护层工作面回采期间地面钻井产气率"快增慢减"的变化机制,并确定了钻井的最佳布井参数;③建立了卸压煤层及采空区的瓦斯流量计算模型,为钻井抽采卸压瓦斯消突效果的评价提供了依据;④提出了钻井下段增阻提高卸压瓦斯抽采量的方法。远距离下保护层开采及钻井抽采消突技术在神华集团乌兰煤矿进行了工程试验,结果表明地面钻井抽采卸压瓦斯消突效果显著:试验区钻井的总产气量为1 512.96×104m3,机巷侧、风巷侧钻井的最大布井间距分别为150和169 m,被保护层的残余瓦斯含量分别降低至3.63和3.14 m3/t,抽采率分别达到65.8%和68.0%,彻底消除了煤层的突出危险性。     

基于三维形貌参数的岩石节理峰值剪切强度模型研究

要 基于 Grasselli 提出的节理粗糙度参数,通过揭示 3 种粗糙度参数表征视倾角的分布规律,分析了粗糙度 参数和初始剪胀角和折减函数的关系,优化剪胀角模型中粗糙度参数的形式;通过文献对比分析,突出了岩石抗拉强 度对节理抗剪强度的影响。 采用法向应力、抗拉强度和节理粗糙度参数,提出了一种负指数形式的节理峰值抗剪强 度新模型。 最后通过 73 组试验数据和反算 JRC 值验证新模型准确度,并与经典模型对比。 结果表明 Gasselli 模型和 Tang 模型在各自的试验数据中准确度较高,新模型和 Xia 模型误差较低,但新模型波动较小。 新模型对 Grasselli 模 型、Xia 模型、Tang 模型中存在的不符合摩尔库伦准则、物理含义不清晰、剪胀角边界条件不正确、未体现粗糙度等问 题进行了改进。     

地面钻井剪切变形破坏模型及其空间规律分析

抽采煤层瓦斯是解决煤矿井下瓦斯超限难题的根本措施.但受煤层回采的影响,当回采工作面推过地面瓦斯抽采钻井位置后钻井套管迅速发生破坏,无法充分发挥其抽采采空区瓦斯的效应.因此,基于采场上覆岩层层面剪切滑移效应建立了地面钻井剪切变形破坏模型,并对套管随回采工作面推进在采场倾向方向上的位移变化规律进行了研究,指出:钻井剪切滑移...     

瓦斯抽采钻井挤压变形破坏分析

作为一种有效解决回采工作面和采空区瓦斯超限难题的瓦斯治理方式,地面瓦斯抽采正在全国各大矿区逐步推广。但受煤层回采的影响,当回采工作面推过地面钻井位置后钻井套管迅速发生破坏,无法充分发挥其抽采采空区瓦斯的作用。这与地面抽采钻井套管受到的非均布挤压效应是密不可分的,因此,建立了基于采场上覆岩层挤压变形效应的地面钻井挤压变形破坏模型,为地面抽采钻井布孔位置的选择和防护提供工程指导,同时,运用3DEC离散元数值模拟程序对模型进行了模拟验证。结果证明,模型描述的规律性是可靠的,具有较强的工程指导意义。     

大直径地面钻井井身稳定特性分析及工程控制

高强度开采条件下地面钻井受剧烈采动影响易破坏失效,运用有限差分程序FLAC3D对采动条件下不同直径钻井套管的受力进行了模拟计算,结果表明岩层分界面处套管变形较大,套管直径越大其变形和承受应力更小,钻井直径加大失效的风险降低。针对常规直径钻井在抽采过程中受采动影响发生严重破坏的问题,余吾煤业公司开展进行了大直径地面钻井抽采采空区瓦斯的工程试验,取得了良好的效果,现场试验结果表明采用大直径地面钻井可避免钻井完全失效,延长钻井抽采有效期。     

深井温度对套管强度的影响探讨

随着钻井深度的增加,井下温度的增加对套管强度的影响增大,这同时关系到安全钻井和油气井寿命,同时也影响到钻井成本。早期套管强度设计没有考虑温度的影响。实践证明,深井中温度对套管柱的抗挤强度、抗拉强度等都有影响。实际上,套管柱在井内受各种力的作用,但总结起来是三轴应力的作用,即周向应力、径向应力和轴向应力。现在将温度考虑进套管强度设计中,针对深井条件下温度对套管柱强度的影响问题,对套管柱在深井中进行了受力分析,建立了深井温度对套管柱强度影响的计算模型,利用建立的模型对套管柱强度进行了计算分析,优化套管柱设计,所以对于分析温度对套管强度的影响具有重要的意义。     

深井无煤柱煤与瓦斯共采的技术挑战与对策

深井留巷钻孔法煤与瓦斯共采中留巷围岩变形大,留巷钻孔易破坏、抽采效果差。结合淮南矿区煤与瓦斯共采实践,通过力学分析构建了钻孔在采动作用下的破坏模型,对各参数的影响规律进行了分析,通过套管-水泥环-围岩三维数值模拟计算,探讨了水泥环与围岩性质对钻孔稳定性的影响,得出:采动应力集中易导致钻孔发生挤压型失稳,而岩层层间滑移易导致钻孔发生剪切型失稳,采用厚壁套管、柔性充填、危险层位扩孔让压等措施可以有效提高钻孔稳定性。进而提出了深井超前留巷强化钻孔与高位回风巷强化钻孔的瓦斯抽采技术,并在朱集矿1111(1)工作面与1112(1)工作面进行了试验。试验结果表明:强化钻孔的抽采效果及钻孔稳定性显著优于普通抽采钻孔,单孔最大瓦斯抽采流量达8.1 m3/min,有效抽采距离达150 m以上,实现了深井无煤柱煤与瓦斯的高效共采。     

排采降压诱发煤层剪切破坏机理与防控对策

煤层压力衰减会导致煤岩体剪切破坏,诱发井壁失稳、套管损坏和出煤粉等井下复杂事故。为预防煤层破坏,以沁水盆地南部二叠系山西组3号煤层为研究对象,基于单轴应变模型分析了排采降压过程中的煤层应力路径及其破坏行为,明确了煤层破坏影响因素,并提出了控制井底流压和CO_2-ECBM相结合的防控技术对策。结果表明:煤层水平有效应力在排水阶段随孔隙压力的降低而线性增大,但在解吸阶段却随孔隙压力的降低而非线性减小,气体解吸能够加速煤层剪切破坏;煤层初始水平应力越小,垂向应力、初始孔隙压力、临界解吸压力越大,气体吸附效应越强,煤岩体弹性模量、泊松比越大,单轴抗压强度越低,则煤层临界破坏孔隙压力就越大;煤层破坏前转注CO_2既能有效避免煤层破坏,也可提高煤层气采收率,不失为CO_2-ECBM的良好作业时机。     

过老采空区水源井最佳孔位确定和安全性分析

为了确定峰峰矿区经过老采空区的水源井的最佳孔位,研究其安全性,利用FLAC建立数值模型,参照地表最大可能残余沉降对模型中垮落断裂带岩体进行参数调整,计算分析不同位置处水源井的竖向变形和井壁的竖向允许变形。结果表明:FLAC可以很好地模拟多煤层不同开采方法和边界组合情况下老采空区上覆岩体的移动变形情况;水源井的最佳位置是煤壁的支承影响区域;穿过老采空区的水源井,其竖向变形最大值点位于采高2~5倍的垮落断裂带内;选择K55型的钢管即可满足水源井安全性的要求。     

深部巷道裂隙围岩危险体判定及应力监测预警

工程岩体是由节理、裂隙等结构组成的不连续介质体,深部巷道处于高地压、强扰动的复杂工程环境中,裂隙岩体的稳定性是深部工程安全稳定性研究的重要课题。本文以矿井深部巷道为研究对象,构建离散裂隙网络模型,获得等效岩体参数,并以此建立裂隙岩体工程模型;分析工程巷道裂隙围岩的应力、变形和破坏特征。模拟试验结果表明:斜联巷、釆联巷、水仓与主运输巷交叉等位置是应力集中区,易产生张拉、剪切破坏;根据数值模拟获得的应力集中危险区域分布特点,布设围岩应力监测网络,成功预警位于斜联巷和水仓连接巷的顶板塌落事故,为矿山设备、人员安全提供了可靠的保障。     

基于FLAC3D数值模拟的钻孔变形特征及围岩稳定性研究

为了对钻孔变形特征及围岩稳定性进行研究,采用FLAC^3D数值模拟软件,建立了卸压开采数值模型,采用多维耦合数值模拟方法,研究了开采煤层顶板垂直应力随工作面推进的运移规律以及钻孔的挤压安全系数分布规律和剪切滑移量分布规律,分析了钻孔破坏的影响特征。研究得出:随着工作面的开采,上覆煤层产生了同步的位移,且岩层移动范围比下层煤开采范围大;随着开孔位置距离煤层顶板的偏移,当钻孔避开了顶板5~11 m挤压失稳区,钻孔挤压破坏危险区域也相对随之缩小,提高了钻孔开孔位置高度,有效减少了钻孔危险区范围。研究为钻孔的合理布置提供技术支持。     

Influence of anisotropies in borehole stability

This paper discusses an anisotropic model for assessing the mechanical stability of a deep borehole subjected to an internal wellbore pressure and a far-field stress tensor. The model consists of a three-dimensional stress analysis around an inclined borehole combined with a generalized three-dimensional anisotropic strength criterion for assessing shear fracturing. Parametric studies indicated that the stability of a wellbore is influenced significantly by rock anisotropy, rock strength anisotropy, and in-situ stress differentials when it is highly inclined and oriented in the direction parallel to the maximum horizontal in-situ stress. The influence of anisotropies is more pronounced on passive shear failure caused by wellbore pressurization.