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        反井鉆機(jī)小傾角擴(kuò)孔排渣泥巖下落運動學(xué)特征機(jī)理研究

        2021-02-04 11:34:18劉志強荊國業(yè)
        煤炭工程 2021年1期
        關(guān)鍵詞:反井井井排渣

        彭 鳴,劉志強,荊國業(yè)

        (1.煤炭科學(xué)研究總院 建井研究分院,北京 100013;2.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013)

        在地下礦物資源開發(fā)、公路鐵路隧道、水力發(fā)電等地下工程施工領(lǐng)域,豎井結(jié)構(gòu)發(fā)揮著重要的作用。當(dāng)施工各種類井筒時,采用自上向下的掘進(jìn)方式稱作正向鑿井或正向掘進(jìn)法。礦井在建設(shè)和生產(chǎn)過程當(dāng)中,還需要開鑿無地面出口的暗井或者類似工程,這些工程處于礦井的兩個生產(chǎn)水平中間,沒有直達(dá)地面出口,施工易受井下巷道空間的限制,難以做到像地面鑿井布置大量的穩(wěn)絞設(shè)備,由上向下采用普通法鑿井施工,因此,一些工程采用由下向上掘進(jìn)的方法,稱作反向鑿井法,也稱反井法[1-6]。

        近年來,反井鉆井法在地下工程中得到越來越多的應(yīng)用,其成孔質(zhì)量好,鉆進(jìn)效率高,安全環(huán)保,極大地改善了工作條件,成為地下工程領(lǐng)域重要的工藝技術(shù)。當(dāng)前,反井鉆井法已被引入管道工程領(lǐng)域。在管道工程以及豎井施工的輔助斜井中,大部分施工井由于地形、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等原因,要求小傾角施工。因此,需要對小傾角條件下反井?dāng)U孔進(jìn)行研究。

        與垂直或大傾角施工不同,在小傾角反井?dāng)U孔施工過程中,巖渣無法依靠自重穩(wěn)定下落,巖渣停留在井幫內(nèi)會導(dǎo)致井孔堵死。因此,需要通過一定手段輔助小傾角條件下反井井孔內(nèi)的巖渣順利下落排出。目前針對反井鉆機(jī)長斜井的研究中,大部分是關(guān)于長斜井的測斜和糾偏問題,較少涉及反井排渣的問題。因此,本文在在小傾角反井井孔頂部加水沖刷的條件下,研究了巖渣的下落規(guī)律。在研究過程中,可將小傾角擴(kuò)孔排渣模擬為降雨條件下山體坡面型泥石流的情況,對巖渣及較小巖渣遇水而成的泥漿進(jìn)行研究[16]。國內(nèi)外很多學(xué)者做了很多相關(guān)研究。戚國慶[7]等基于泥石流非飽和土力學(xué)理論研究了泥石流抗剪強度,得出降水量不足時,不會發(fā)生泥石流,但可能引起由固體松散物質(zhì)組成的坡面發(fā)生位移;20世紀(jì)30年代,蘇聯(lián)學(xué)者建立了泥石流災(zāi)害的運動特征,從泥石流的流速和泥石流流量兩點 ,以及動力特征值的計算公式[8];康志成[9]等總結(jié)了我國泥石流流速研究及計算方法。

        結(jié)合反井工程實際需要,筆者團(tuán)隊以廣州反井施工巖渣(泥巖)為研究對象,研究了不同條件下巖渣的排渣效率、巖渣掉落規(guī)律等。本文利用試驗驗證了飽和土在水流中的啟動公式[10],研究結(jié)果可為反井鉆井工程提供參考[14]。

        1 排渣試驗

        1.1 試驗臺搭建

        本次實驗在甘肅省天水市麥積區(qū)中灘鎮(zhèn)丁灣村進(jìn)行。依據(jù)反井鉆機(jī)施工實際擴(kuò)孔工況下的傾斜角度、鉆頭擴(kuò)孔時井幫的刮痕形狀、鉆頭單位時間破巖量來制作試驗臺(圖1),試驗方式遵循單一變量原則,和組間一致原則:同一組實驗中除變量外其他條件一致。

        圖1 巖渣溜排試驗布置

        采用20m長半圓形截面混凝土管對溜渣孔進(jìn)行模擬,試驗排水采用10m3水泵。為更加貼合實際溜渣環(huán)境,擬對混凝土管內(nèi)壁做均勻橫向刮痕處理。巖渣收集板布置在半圓形截面溜渣孔底部,充分排水后,收集滾落的巖渣。

        巖渣擋板布置在半圓形截面溜渣孔的初始端。實驗準(zhǔn)備階段,巖渣擋板內(nèi)裝有實際工況下單位時間內(nèi)破巖產(chǎn)生的巖渣。

        水管和擋水板布置在半圓形截面溜渣孔的初始端。通過控制水管出水量,模擬現(xiàn)場不同程度的加水潤滑條件。為貼合實際工況中擴(kuò)孔鉆頭體對水流動能的影響,在噴水口前方設(shè)置擋水板,利用擋板和跌水板消除水流初始動能。

        試驗采用LS300A型流量測速儀每間隔1m安置在溜槽各段,儀器相關(guān)參數(shù)見表1。

        表1 LS300A型流量測速儀參數(shù)表

        1.2 試驗方案

        由施工現(xiàn)場資料可得,飽和泥巖巖渣參數(shù)見表2。

        表2 泥巖巖渣參數(shù)表

        反井施工中,當(dāng)施工角度小于45°時巖渣無法由自重順利排出,因此,試驗分別選取20°、25°、30°、35°四個角度對排渣效果進(jìn)行分析;并結(jié)合實際工況采用0m3/h、5m3/h、10m3/h的水流從上部排水輔助排渣。

        選取自然堆積狀態(tài)下試驗用泥巖分組每份0.08m3鉆頭即鉆進(jìn)1m時巖渣掉落量。實驗過程中,打開擋板,巖渣滾落,模擬擴(kuò)孔鉆頭在實際破巖鉆進(jìn)過程中破巖面掉落的巖渣,巖渣掉落點按最不利位置考慮,即巖放置在平臺上消除重力勢能對初速的影響。試驗具體步驟如下:

        1)將巖渣以自然堆積狀態(tài)放在試驗臺溜槽頂端并用隔板阻止其下落。

        2)打開水閥使水流從巖渣上部噴在擋板上落下以保證其初速為0的狀態(tài),持續(xù)5min使水流充分潤濕溜槽表面。

        3)打開隔板使巖渣下落,此時打開安裝在溜槽各段的流速測試儀進(jìn)行記錄,持續(xù)排水2min直至各部分巖渣完全靜止。

        4)關(guān)閉水閥,將溜槽每5m分為一段以及已排出的泥巖巖渣進(jìn)行收集,曬干并分別稱重并記錄。

        5)改變角度和水流大小,重復(fù)上述步驟。

        1.3 理論分析

        1.3.1 非飽和土力學(xué)平衡分析

        泥巖巖渣在加水前處于非飽和狀態(tài),根據(jù)非飽和土抗剪強度公式[11]:

        τ=C′+(σf-μa)ftanφ′+(μa-μω)ftanφb

        (1)

        式中,C′為莫爾-庫倫剪應(yīng)力軸與破壞包線的延伸的截距,在剪應(yīng)力軸處的凈法向應(yīng)力與基質(zhì)吸力均為0 ,C′也稱作有效粘聚力(由于固體松散物質(zhì)無膠結(jié),有效粘聚力C′很小);σf為破壞時在破壞面上的法向總應(yīng)力;μa為破壞時在破壞面上的孔隙氣壓力;μω為破壞時在破壞面上的孔隙水壓力,試驗中隨著水量的增加破壞時的破壞面逐漸上升。

        (σf-μa)f為破壞時在破壞面上的凈法向應(yīng)力狀態(tài);(μa-μω)f為破壞時破壞面上的基質(zhì)吸力,φ′為與凈法向應(yīng)力(σf-μa)f狀態(tài)變量有關(guān)的內(nèi)摩擦角;φb為抗剪強度隨基質(zhì)吸力(σf-μa)f而增加的速率;(μa-μω)ftanφb為基質(zhì)吸力(μa-μω)f引起的抗剪強度[12,13]。

        試驗剛開始階段,打開擋板和水流,泥巖巖渣處于固體非飽和松散狀態(tài),隨后巖渣含水量逐漸增加并達(dá)到飽和狀態(tài),基質(zhì)吸力導(dǎo)致抗剪強度消失,水壓力μω增加,有效應(yīng)力減少。在此階段巖渣并未隨著水流而下落但巖渣堆發(fā)生了變形和位移。其中巖渣堆的抗剪強度隨孔隙水壓力的關(guān)系為:

        τ=C+(σ-μω)tanφ

        (2)

        式中,C為巖渣堆的粘聚力;φ為飽和狀態(tài)下巖渣堆的內(nèi)摩擦角。

        1.3.2 巖渣水流啟動流速分析

        泥巖巖渣在加水排渣過程中會與水流混合,因此泥巖排渣過程中可類比于泥石流。根據(jù)斯氏改進(jìn)公式采用挾泥巖水流啟動流速來評價其排渣臨界值[15],適用于大比水石流以及挾砂水流,計算方式為:

        2 數(shù)據(jù)分析

        不同條件下的排渣效果如圖2所示。將各狀態(tài)下巖渣掉渣率進(jìn)行計算得出其排渣效率,如圖3所示。根據(jù)圖2可看出:反井井孔角度20°時,排水量為0時泥巖巖渣主要堆積在溜槽頂部,排渣效果不理想,排水量大于2.5m3時主要堆積在溜槽底部;反井井孔角度25°時,排水量為0時泥巖巖渣主要堆積在溜槽頂部,排渣效果仍舊不理想,排水量為2.5m3時泥巖巖渣攪均勻堆積在溜槽各處,排渣效果也不理想,排水量大于5m3時主要堆積在溜槽底部;反井井孔角度30°時,排水量為0時泥巖巖渣主要堆積在溜槽頂部,排渣效果不理想,排水量大于2.5m3時主要堆積在溜槽底部;反井井孔角度35°時,排水量為0時泥巖巖渣主要堆積在溜槽頂部,排渣效果不理想,排水量大于2.5m3時主要堆積在溜槽底部。

        圖2 泥巖排渣效果圖

        圖3 泥巖排渣效率曲線

        持續(xù)的水流使得巖渣堆內(nèi)部水壓力增加,有效應(yīng)力減小,泥巖巖渣滲入的水量來不及流出,加上持續(xù)加水的作用,可看作固體松散物質(zhì)的泥巖巖渣堆將啟動,隨著水流開始下落。此時,判斷巖渣堆啟動的公式為:

        當(dāng)K=1時,巖渣堆處于極限狀態(tài);當(dāng)K>1時,巖渣堆處于穩(wěn)定狀態(tài),不會下落;當(dāng)K<1時,巖渣堆處于不穩(wěn)定狀態(tài),將會沿溜槽落下。

        將各參數(shù)代入式(4)得出不同條件下的K值見表3。

        表3 泥巖排渣K值表

        將求得的K值與試驗中排渣效率進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)K值小于1的條件下巖渣開始下落,當(dāng)K值小于0.7時巖渣能較充分排渣。理論和試驗?zāi)茌^好地吻合。

        試驗測得各條件下挾泥巖水流流速如圖4所示。

        圖4 不同條件下泥巖排渣挾巖水流流速曲線圖

        將試驗數(shù)據(jù)與式(5)計算的理論值進(jìn)行比對,理論計算所得不同條件下巖渣啟動流速Vc,見表4。

        表4 不同條件下泥巖啟動流速表

        將表4結(jié)果與實際數(shù)值比對可知,當(dāng)實際速度大于啟動速度時,泥巖巖渣排渣效果較明顯,但仍存在一定誤差。將兩種巖渣排渣效果評價方式結(jié)果分別與實際排渣結(jié)果進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)果基本吻合。

        3 結(jié) 論

        本文分別將飽和土在運動方向的平衡公式和斯氏改進(jìn)公式的計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比,得出如下結(jié)論:

        1)影響反井鉆機(jī)擴(kuò)孔泥巖巖渣排出效果的主要因素是反井井孔角度、泥巖巖渣堆飽和抗剪強度、剪切面面積和排水流量。而排水流量影響泥巖巖渣堆粘聚力、內(nèi)摩擦角以及產(chǎn)生浮力。

        2)采用飽和土在運動方向的平衡公式來確定反井鉆機(jī)擴(kuò)孔泥巖巖渣排渣效果和斯氏改進(jìn)公式對泥巖排渣啟動速率進(jìn)行分析是可行的。

        3)當(dāng)K<1時,泥巖開始有向下排渣的趨勢;當(dāng)K<0.7時,泥巖具有顯著排渣效果。由K值可得出當(dāng)在反井井孔角度在20°時,沖刷水量大于5m3泥巖巖渣具有明顯的排渣效果;在反井井孔角度在25°時,沖刷水量大于2.5m3泥巖巖渣具有明顯的排渣效果;在反井井孔角度在30°時,沖刷水量大于2.5m3泥巖巖渣具有明顯的排渣效果;在反井井孔角度在35°時,沖刷水量大于2.5m3泥巖巖渣具有明顯的排渣效果。

        4)筆者還對其他類型巖石進(jìn)行了測試,本文應(yīng)用飽和土在運動方向的平衡公式并不適用于各類硬巖,因此在進(jìn)一步的研究中會對排渣率和巖渣種類的關(guān)系進(jìn)行分析,并探究其他類型巖石(如硬巖)巖渣排渣效果的評價方法。

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