采动影响下地面钻井的变形破坏机理研究

论文摘要

地面钻井抽采采动影响煤层及采空区瓦斯是进行煤矿瓦斯治理和抽采利用的有效方法。然而,煤层的采动影响使得回采工作面通过地面钻井位置附近时钻井往往迅速发生破坏,不能充分利用地面钻井的抽采效能。本论文依托国家重大基础研究发展计划(973)课题“煤岩瓦斯动力灾害的动力学演化机理”和国家科技支撑计划课题“地面钻孔抽放采动影响煤层及采空区瓦斯关键技术”,对地面钻井的变形破坏机理进行了如下几方面的研究:(1)基于地表沉陷规律和复合岩梁变形规律,分析了采动影响下采场上覆岩层层间剪切滑移和挤压变形规律,构建了采动影响下采场上覆岩层的复合等效岩梁模型,获得了等效复合岩梁层间滑移和挤压变形的分布规律。(2)通过分析地面钻井套管变形形式,构建了采动影响下地面钻井变形破坏的层间剪切滑移破坏模型和挤压变形破坏模型,分析了采动影响下地面钻井的变形破坏机理,获得了地面钻井在采动影响下的“S”型剪切破坏模式和椭圆形挤压破坏模式;(3)基于采动影响下的采场上覆岩层移动规律和建立的地面钻井变形破坏的剪切滑移破坏模型和挤压变形破坏模型,分析了地面钻井剪切滑移变形和挤压变形沿采区倾向方向的空间变化规律和随回采工作面推进的时间变化规律,获得了地面钻井变形破坏的时空影响效应,以为地面钻井布井位置的选择提供理论基础;(4)分析了关键层、厚基岩层、厚表土层等地质因素和采场尺寸、顶板管理方法和回采速度等回采工艺对地面钻井变形破坏的影响效应,为地面钻井的工程防护措施的选择提供理论依据;(5)通过相似材料模型试验和数值模拟试验对采动影响下采场上覆岩层的移动规律、地面钻井变形破坏机理和时空规律及采场上覆岩层物性参数的影响效应进行了验证分析;(6)结合淮南矿业集团谢桥煤矿的地面钻井工程实例,对构建的理论模型进行了应用检验,并结合理论分析给出了工程的改进措施和防护对策;(7)基于理论模型和试验分析,提出了地面钻井的施工布井位置的选择原则、钻井的工程防护措施的设计依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地面钻井与瓦斯抽采
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 国外研究现状
• 1.3 研究的思路和内容
• 1.3.1 研究的思路
• 1.3.2 主要研究内容
• 2 采场上覆岩层移动与地面钻井变形破坏
• 2.1 引言
• 2.2 地面钻井套管的变形机理分析
• 2.2.1 钻井、套管的变形形式分析
• 2.2.2 钻井、套管受力破坏准则
• 2.3 采动影响岩层的弯曲计算模型
• 2.3.1 采动影响下上覆岩层的移动与破坏规律
• 2.3.2 等效岩梁结构挠曲变形的基本规律
• 2.3.3 复合等效岩梁结构挠曲变形规律
• 2.4 煤系岩层地面钻井的变形破坏模型
• 2.4.1 采场覆岩变形原理
• 2.4.2 采动影响下地面钻井变形模型构建
• 2.5 本章小结
• 3 地面钻井变形破坏的时空效应及影响因素分析
• 3.1 引言
• 3.2 地面钻井变形破坏的空间效应
• 3.2.1 地面钻井变形破坏的水平变化规律
• 3.2.2 地面钻井变形破坏的垂向变化规律
• 3.3 地面钻井变形破坏的时间效应
• 3.3.1 采场倾向方向复合岩层变形的时间效应
• 3.3.2 采场走向方向复合岩层变形的时间效应
• 3.3.3 地面钻井变形破坏随工作面推进的时效分析
• 3.4 地面钻井变形破坏的影响因素分析
• 3.4.1 复合岩层物理力学特性的影响效应分析
• 3.4.2 回采工艺的影响效应分析
• 3.5 本章小结
• 4 采动影响钻井岩层变形的相似模拟试验分析
• 4.1 引言
• 4.2 相似模型的构建
• 4.3 相似模拟试验的过程
• 4.3.1 试验条件
• 4.3.2 试验方法
• 4.4 相似模拟试验的结果分析
• 4.4.1 岩层移动的空间变化规律
• 4.4.2 岩层应力、应变的变化规律
• 4.4.3 岩层移动的影响因素分析
• 4.5 本章小结
• 5 地面钻井变形破坏规律的数值模拟分析
• 5.1 引言
• 5.2 模型的建立
• 5.2.1 模型的构建
• 5.2.2 模型物理力学参数的选取
• 5.3 模拟过程
• 5.4 模拟结果
• 5.4.1 模拟过程中上覆岩层及地面钻井套管的应力分布情况
• 5.4.2 地面钻井套管变形破坏空间变化规律分析
• 5.4.3 地面钻井套管变形破坏的时间规律分析
• 5.4.4 关键层的影响效应分析
• 5.4.5 岩层厚度的影响效应分析
• 5.4.6 厚表土层的影响效应分析
• 5.5 本章小结
• 6 地面钻井变形破坏实例分析
• 6.1 引言
• 6.2 淮南矿业集团谢桥煤矿地面钻井工程概况
• 6.2.1 矿井概况
• 6.2.2 谢桥煤矿1242（1）综采工作面概况
• 6.2.3 地面钻井施工工艺概况
• 6.3 抽采过程及结果分析
• 6.3.1 谢桥煤矿地面钻井破坏规律分析
• 6.3.2 数值模拟验证分析
• 6.4 本章小结
• 7 地面钻井变形破坏的防治对策
• 7.1 引言
• 7.2 地面钻井施工的布孔原则
• 7.3 地面钻井破坏的防治措施
• 7.4 地面钻井套管的设计对策
• 7.4.1 钻井结构设计
• 7.4.2 套管强度设计
• 7.5 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及得奖情况