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西部钻井法“一钻成井”新型高强复合井壁力学特性

Mechanical properties of a new high-strength composite shaft lining for the “one drilling and forming process” drilling method in western China

作     者:姚直书 许永杰 程桦 方玉 王宗金 王瑞 YAO Zhishu;XU Yongjie;CHENG Hua;FANG Yu;WANG Zongjin;WANG Rui

作者机构:安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心安徽淮南232001 安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 中煤特殊凿井集团有限责任公司安徽合肥230001 

出 版 物:《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期:2023年第48卷第12期

页      面:4365-4379页

核心收录:

学科分类:081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

基  金:国家自然科学基金资助项目(52174104,51674006) 安徽省重点研发计划资助项目(202004a07020034)。 

主  题:钻井法凿井 一钻成井 高强钢板 复合井壁 力学特性 

摘      要:针对西部地区富水弱胶结地层中深、大钻井井筒“一钻成井支护难题,提出采用高强钢板-混凝土复合井壁新型结构。首先,以内蒙古鄂尔多斯市陶忽图煤矿北风井为工程原型,基于相似理论推导了复合井壁结构模型试验相似指标,通过正交模型试验,研究了不同井壁厚度、混凝土强度等级和钢板型号情况下高强钢板-混凝土复合井壁的力学特性。其次,采用数值模拟方法,计算分析了高强钢板-混凝土复合井壁极限承载力的影响因素及其变化规律。然后,根据模型试验与数值计算结果,构建了高强钢板-混凝土复合井壁承载力和混凝土抗压强度提高系数计算公式,并给出了各影响因素的取值范围,同时提供了该种井壁结构的工程应用设计优化方法。最后,分析了复合井壁结构中锚卡的力学作用效应。研究结果表明,在复合井壁结构中,由于高强钢板屈服强度高,可更好地对中间混凝土产生复合约束作用,混凝土抗压强度提高系数可达2.3~2.6,井壁承载力显著提高。在相同条件下,与Q345钢板相比,高强钢板(Q460~Q620)-混凝土复合井壁的极限承载力可提高7.14%~19.46%,井壁厚度可减薄8.18%~19.52%,且增大内层钢板厚度更有助于提高井壁极限承载力。复合井壁结构中锚卡约束着内钢板,使其达到屈服应力后不会过早发生屈曲失稳,同时对中间混凝土提供约束作用,保证其处于三向受压状态,2者起到很好的复合作用,有利于井壁结构整体受力。

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