姚直書,喬帥星,王 瑞,方 玉,王宗金,亓燕秋

(1.安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學土木建筑學院,安徽 淮南 232001;3.中煤特殊鑿井集團有限責任公司總工程師辦公室,安徽 合肥 230001)

鉆井法鑿井雖在我國中東部地區(qū)礦井建設中得到推廣應用,但在西部地區(qū)深厚含水軟弱巖層中目前還沒有成功應用[11]。與中東部地區(qū)地層條件不同,西部地區(qū)鉆井法施工穿過的地層主要為白堊、侏羅系巖層,由于其自身穩(wěn)定、圍巖變形小、富含水,如果壁后充填不密實,井壁與圍巖間的空隙就會像凍結孔環(huán)形空間一樣形成導水通道[12-13],造成涌水淹井事故,嚴重威脅著礦井安全生產[14]。特別是隨著鉆井井筒深度的增加,壁后充填質量對今后井筒使用期間的防治水工作至關重要[15-16],也是目前井筒施工過程中亟待解決的技術難題。在鉆井法鑿井壁后充填技術研究方面,文獻[17]針對西部地區(qū)含水軟弱巖層鉆井法鑿井工程地質和水文條件,開展了充填層作用機理及材料配制研究。文獻[18]結合實際工程案例,提出采用多管道均勻注漿和大功率水泥砂漿泵機充填的方法提升固井質量。文獻[19]針對鉀鹽礦鉆井法施工工程環(huán)境,進行了水泥漿壁后充填材料配合比試驗。文獻[20]提出在深井井筒施工中,深部壁后充填應采用井內注漿技術。文獻[21]對鉆井井筒壁后充填水泥砂漿進行了試驗研究。文獻[22]針對中東部地區(qū)深厚沖積層中水泥漿壁后注漿效果較差的問題,通過研究水灰比、砂灰比、外加劑和粉煤灰摻量對水泥砂漿的影響,配制的充填材料在信湖煤礦鉆井井筒壁后充填局部段高進行了初步實驗。

綜上所述,雖然鉆井法鑿井壁后充填材料已有研究,并提出采用比重大、強度高和抗?jié)B性的水泥砂漿作為深井鉆井井筒的壁后充填材料[23-24],但目前這一新型充填材料在我國西部鉆井法鑿井工程中還沒有得到應用。為此,本文以我國西部地區(qū)第一口采用鉆井法施工的可可蓋煤礦中央回風立井為工程原型,通過模擬試驗方法,對鉆井井筒壁后充填效果進行研究,以解決西部地區(qū)深立井鉆井井筒壁后充填的技術難題,并為下一步的工程應用提供技術支持。

1 壁后充填模擬試驗設計

1.1 相似準則求導

模擬試驗以西部地區(qū)正在采用鉆井法施工的可可蓋煤礦中央回風立井為工程背景,這也是我國西部地區(qū)第一個采用鉆井法施工的立井井筒。該鉆井井筒深521m,凈直徑6.0m,井壁和充填層有效厚度分別為0.6m和0.35m。通過分析發(fā)現影響壁后充填效果的主要因素有井壁內外半徑、充填層厚度及高度、泥漿及充填材料的參數等,具體如表1所示。

表1 模擬試驗主要參數定義及其量綱

參數方程如下

F(RW、Rn、Dc、hc、hh、hn、ρh、ρn、ηh、ηn、g、Sc、Ph、Pn)=0

根據相似第二定理和量綱分析法[25],可求得相似準則組成的π方程(見表2)。

表2 不含要求模擬試驗相似準則表

1.2 相似模型設計

鉆井法鑿井工程中的鉆進深度往往達到數百米,其豎向尺寸比橫向的直徑大,如果對工程中整個深度的鉆井井筒充填層采用同一幾何相似比進行模擬,則會導致幾何縮比過大、模型充填層厚度過小,無法進行模擬試驗。因此,針對實際工程情況,采用變態(tài)相似的模型進行試驗,其結果仍具有工程指導意義[26]。為此,基于推導的相似準則,本文采用變態(tài)試驗模型,對最上部一段壁后充填進行模擬試驗,根據實驗室條件,設計模型高度為9.6m。

This research is conducted on the basis of Qingdao harbor, Dong Jiakou port, bulk grain project. on the basis of this situation, to do this research on conveyor head or tail frame′s forces as follow shown in Figure 1.

工程中充填層設計有效厚度為350mm,現設計模型充填層厚度為150mm,則幾何相似比(CL)為2.333。工程中充填進料管直徑為118mm,根據幾何相似比可取為50mm。

同時,為了易于滿足相似準則進行模擬試驗,充填材料和護壁泥漿采用原材料,因此有

Cρn=Cρh=Cηn=Cηh=1

2 壁后充填模擬試驗系統

2.1 模擬試驗系統

在模擬試驗過程中,為了便于觀察試驗中充填材料置換情況,試驗鉆孔采用亞克歷材料的圓管進行模擬。同時,為方便模型制作、運輸和安裝,將9.6m高模型管分為6節(jié),每節(jié)之間采用法蘭盤連接。充填進漿管采用硬質PVC管,設計直徑為50mm。實驗室內構建的壁后充填模擬試驗裝置如圖1所示。

(a)壁后充填模擬試驗系統 (b)模擬試驗情形

2.2 護壁泥漿配制

護壁泥漿是鉆井法施工中不可或缺的材料,在使用鉆頭鉆進時,護壁泥漿可以清潔井底、排碴,避免重復切削、提高鉆進效率;同時鉆頭高速旋轉產生大量熱量需要通過泥漿冷卻并潤滑鉆頭。井壁筒懸浮下沉后,井壁與鉆進孔壁的環(huán)形空間內仍然充滿著泥漿,需通過壁后充填工藝進行置換固井。根據可可蓋煤礦鉆井施工現場提供的泥漿參數,通過配制試驗,得到與現場性能一致的護壁泥漿,其比重1.21,粘度32Pa·s,初始靜切力2.4Pa,最終靜切力2.3Pa。

2.3 充填材料配制

充填材料的性能關系到壁后充填的質量,壁后充填過程即充填材料置換護壁泥漿的過程。因此,充填材料應具有良好的流動性、較高的強度、適當的凝結時間和微膨脹特性?；谝陨闲阅芤?并結合充填材料配制試驗結果,本次試驗采用的配合比為水泥∶水∶砂∶粉煤灰∶膨脹劑∶泵送劑=1∶0.47∶1.5∶0.2∶0.08∶0.0128,配制后漿體比重2.16,粘度300Pa·s,初始靜切力12Pa,最終靜切力6Pa。

3 試驗結果及分析

高性能微膨脹充填材料置換護壁泥漿時,充填材料發(fā)生水化反應凝結、硬化形成壁后充填層。模擬試驗在一定程度上反映了鉆井井筒工程壁后充填層實際情況,為分析新型壁后充填材料置換效果,需要對固結后的壁后充填層進行物理力學性能研究。

3.1 模擬試驗充填效果分析

充填材料置換泥漿后,選取充填層表觀形態(tài)和充填材料置換泥漿的百分率作為充填效果的評價指標,并進行相關分析。試驗結束并養(yǎng)護2d后,將充填管模型進行分段拆除。用清水沖洗掉充填層表面泥漿,從斷面和表面觀察各段的置換情況,具體如圖2所示,將整個9.6m充填層固結體分成15段,并按照數字排序從高到底依次編號為1～15。由圖2可知,從外觀形態(tài)來看,采用高性能微膨脹充填材料置換護壁泥漿的總體充填效果良好,并且中下部整體置換效果明顯比上部好,最上部較差。

圖2 充填層拆除分段圖

充填完成后,通過觀察透明的亞克力管發(fā)現,在局部地方充填層表面存在白色殘留泥漿,如圖3(a)所示,位于第4段中。通過破除亞克力管,取出充填層固結體,采用鋼絲刷刷掉泥漿,露出內部充填層,結果發(fā)現只有表面部分泥漿沒有被充填置換,其余部分均為充填材料固結體,如圖3(b)所示。出現這種情況的主要原因是充填材料從中間充填進料管進入泥漿中后,充填砂漿從中間向四周、再從下往上不斷置換泥漿。由于模擬試驗裝置選擇的亞克力管內表面具有一定的摩阻力,因此在其表面附著護壁泥漿不易被完全置換,但只在表面出現,沒有影響充填置換效果。在實際工程中,鉆孔側壁常出現粗糙不平現象,但通?？妆诒砻鏁阶o壁泥漿的“泥皮”,這又減小了充填砂漿置換泥漿的摩阻力,使得側壁粗糙度的影響主要局限在其表面,對整個充填層厚度的總體置換率影響很小。

(a)清理前

充填置換率是評價充填效果的重要指標之一,與充填材料與護壁泥漿的密度差相關。密度差越大,置換效果越好。為提高西部地區(qū)深立井鉆井井筒壁后充填置換效果,防止井筒滲漏水,本次模擬試驗采用了比重大的水泥砂漿代替過去工程中常用的水泥漿充填材料。因此,為分析新型充填材料對護壁泥漿的置換程度,以充填層固結體試驗段密度與充填材料原密度之比表示該充填材料對泥漿的置換率,計算公式為

(1)

式中,K為充填材料的置換率,%;ρL為試驗充填層取芯試件測量密度,g/cm3;ρc為充填材料原密度,為2.16g/cm3。當充填層的密度越接近充填材料原密度時,說明充填層中混入的護壁成分越少,充填固井效果越好,試驗結果如表6所示。

表6 充填模擬試驗各節(jié)段置換率

由表6可知,本次模擬試驗置換率均達到了97%以上,平均置換率為99.0%。在泥漿未發(fā)生沉淀的1～8m段,充填材料的置換效果良好,而在9～9.6m段置換效果相對較差。為進一步分析,現將1～9m所有充填層試件密度繪制于圖4。

圖4 充填層1～9m密度變化趨勢

由圖4可知,充填段在初始段1m、4～5m以及9m處均出現其密度低于原始充填材料密度的情況,且在9m處的密度最低。這一現象對應在9m處試驗充填時出現了少量泥漿沉淀、置換困難,而在最下層1m處也出現少量泥漿與砂漿混合,導致該處充填層密度下降。在充填模擬段底部1m處,所對應區(qū)域即為實際工程壁后充填段底部,通常該位置因為泥漿沉淀后比重較大,易形成較為粘稠的泥漿沉淀層,致使該處置換效果偏低,易對下一步的破鍋底施工構成不利影響。因此,實際工程中在進行壁后充填前,應當調整泥漿參數、充分循環(huán)泥漿,使鉆孔底部泥漿不出現沉淀、密度分布均勻,提高充填置換效果。

3.2 充填層單軸抗壓強度試驗

為研究充填層固結體的抗壓強度與充填高度的變化特征,對模擬試驗的充填層固結體進行鉆取芯樣,并加工成φ50mm×100mm的圓柱體試件進行單軸抗壓強度試驗,采用1 000kN單軸試驗機,加載速率設為1mm/min,單軸抗壓強度試驗結果如圖5所示。

(a)3d 抗壓強度

由圖5可知,模擬試驗充填層固結體抗壓強度在初始段1m、2m處,中間段5m處以及9m處強度較低,這是由于充填過程中的泥漿置換不徹底,充填層固結體中混有微量泥漿所致。與前面充填層密度分析相對應,在密度較低的充填段抗壓強度也相對較低。泥漿的主要成分為膨潤土,具有較強的吸水能力,如果充填材料中混有泥漿,將影響水泥的水化反應,使固結體早期強度發(fā)展緩慢,水泥石生成不足而影響其強度;而在水化反應后期,隨著水分不斷減少,泥漿沉淀中的膨潤土失水后收縮,充填層產生孔隙,密實度降低,從而也會降低充填層的強度。因此,鉆井井筒壁后充填工作中充填置換效果十分重要。

3.3 充填層滲流試驗結果及分析

考慮到實際工程中充填層同時受到自重應力、圍巖壓力以及地下水作用,僅采用單軸試驗并不能真實反映充填層的實際受力狀態(tài)。為此,本研究利用TAW-2000三軸試驗機進一步分析充填層的流固耦合作用特性。

由可可蓋煤礦地質勘查資料可知,鉆井井筒最底部為侏羅系中統延安組砂巖孔隙裂隙承壓含水層,埋深約500m,以該處圍巖壓力和水壓作為流固耦合試驗加載值。同時,為了簡化試驗量,選取充填層段1m、3m、6m、9m處的4組試件進行流固耦合作用試驗。對充填層固結體取芯后,放入養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護,到達28d期齡后進行試驗。試件加載前,先施加1kN軸力固定好試件,再加載圍壓,最后加載水壓。試驗主要研究充填層試件在滲透水壓與圍壓耦合作用下的抗?jié)B性能和抗壓強度,抗?jié)B性能采用滲透系數表示,試驗結果如圖6所示。

(a)三軸抗壓強度

由圖6(a)可知,在1m、9m處的充填層強度較低,與前面單軸抗壓強度結果基本一致。這是因為在最上段加入的充填材料量少,與護壁泥漿難以形成較大壓力差,置換效果不好;而在最下段,泥漿出現少量沉淀,比重增大,充填材料與護壁泥漿壓力差減小,置換效果也不好,充填層中混合有少量泥漿,而泥漿中的膨潤土強度較低,這就導致了充填層在1m和9m處的強度降低。同時,充填層中混合的泥漿膨潤土后期產生收縮,且膨潤土顆粒的粘附性較差,在水壓作用下,水的滲流不斷帶走膨潤土顆粒,從而導致混有泥漿的充填段試件滲透率較高,而置換效果較好的3m處滲透率較低,抗?jié)B效果較好,如圖6(b)所示。

為了更好地對比高性能微膨脹充填材料與傳統充填材料(水泥漿)的抗?jié)B性能,將水灰比為0.6的水泥漿制成φ50mm×100mm的圓柱體試件,進行相同圍壓和水壓條件的流固耦合試驗,結果表明,其28d三軸抗壓強度為26.3MPa,滲透系數為2.82×10-6m/d;由此可見,高性能微膨脹充填材料的三軸抗壓強度均大于40MPa,滲透系數遠小于常用的水泥漿,其充填固井和防水性能優(yōu)于傳統的水泥漿充填材料。

根據可可蓋煤礦中央回風立井井筒檢查孔勘探資料可知,該井筒穿過的白堊系、侏羅系巖層的強度低,局部地層巖石單軸抗壓強度只有10～25MPa,其滲透系數約為4.0×10-6～2.5×10-5m/d。而本次模擬試驗充填層固結體抗壓強度達到了30～41MPa,其滲透系數約為3.1×10-7～4.7×10-7m/d。由此可見,不論是抗壓強度,還是滲透性,砂漿充填材料固結體的性能都優(yōu)于富水弱膠結圍巖,密實的壁后充填層對井壁受力和防水都十分有利。

4 結論與展望

以可可蓋煤礦中央回風立井鉆井井筒為研究對象,基于相似理論原理構建了模擬試驗系統,采用高性能微膨脹充填材料進行了鉆井井筒壁后充填模擬試驗。研究發(fā)現,高性能微膨脹充填材料各段置換率均達到97%以上,平均置換率為99.0%;高性能微膨脹充填材料固結體的3d抗壓強度大于10MPa,28d抗壓強度大于30MPa,其強度高、充填固井效果好,相較于傳統水泥漿充填材料有更高的抗壓強度和更好的抗?jié)B性能,適宜作為深立井鉆井井筒壁后充填材料。

本文通過模擬試驗研究發(fā)現在模型最下部的泥漿沉淀區(qū)域置換效果相對較差,在材料選擇上也僅選了高性能微膨脹水泥砂漿,具有一定的局限性。后期可以著重研究如何提高底部泥漿置換率,同時研究不同充填材料對置換泥漿效果的影響。