深井掘进技术在厚层高渗透性粉细砂层中适用性的数值模拟研究

科学合理高效开发深层地下空间是城市不断发展的必然趋势与重要难题。深井掘进技术(vertical shaft machine, VSM)是一种开挖超深竖井的新型工法,该技术施作的竖井结构形式简单、结构受力状态好、施工速度快、对周边环境扰动小、适用性广泛,可被广泛用于城市深层地下空间的点状开发。以中国首例使用VSM施工的南京市儿童医院沉井停车库项目为原型,建立在砂性土中开挖60 m竖井的数值模型,重点研究VSM竖井在厚层高渗透性的粉细砂层开挖过程的变形情况与开挖面的稳定性问题。数值模型结果表明：60 m竖井开挖过中地表变形量均控制在毫米数量级,且最大地表变形量不超过13 mm;在水位差1 m的水下施工过程中安全系数均较好控制在2.0以上。对于变形问题,分析不同开挖深度下的井底隆起变形和地表变形情况,表明在60 m开挖深度内,使用VSM开挖砂性土竖井在深度、安全性和对周边环境扰动上均具有明显优势。针对开挖面稳定性,计算分析与竖井内外水位差和竖井深度相关的开挖面安全系数,计算结果可用于指导实际施工,实现分段施工与精细化控制。     

K-means聚类优化井底压力修正模型研究

在钻井过程中，由于井底压力计算模型误差大，而井下实测井底压力时数据容易失真、甚至无数据，因而不能准确测定井底压力，对钻井作业带来极大的安全风险。针对此类问题，提出了一种用K-means聚类方法优化朴素贝叶斯模型，结合井底压力监测原理，形成一套实现井底压力智能动态分析K-means聚类优化的朴素贝叶斯模型，利用该模型修正传统水力学模型井底压力计算值，根据修正结果与实测井底压力值进行对比，使得计算结果误差最小。利用现场数据进行对比分析，结果表明，应用基于K-means聚类的朴素贝叶斯模型修正井底压力计算值其误差较小，处于安全钻井压力监测误差范围内，能够满足现场正常钻井要求。     

大台沟矿区深孔水压致裂原地应力测量及应用

在辽宁本溪大台沟矿区开展水压致裂法原地应力测试,获得本溪地区2个超1 km深孔的原地应力实测结果,给出深度在1 309 m以内的原地应力实测剖面。从原地应力及岩石力学的角度对该矿未来深部的岩爆可能性进行预测。研究结果表明:大台沟矿区300 m以下深度均有发生不同程度岩爆的可能性,特别是1 100 m以下有发生强烈岩爆的危险性,矿区在未来的开发建设中需注意防范。     

欠平衡气侵与重力置换气侵特征及判定方法

在裂缝性碳酸盐岩地层中,地层气体以欠平衡或重力置换方式进入井筒形成气侵。对重力置换气侵和欠平衡气侵类型及进气量进行分析;基于气液两相流理论建立井筒气侵模型,改变边界条件计算精细控压钻井气侵期间井底压力和泥浆池增量的变化;通过改变井口压力观察泥浆池总量或出口流量的变化,分析井底气侵方式。结果表明:井口增加回压后,井底压力由欠平衡状态转变为过平衡状态,泥浆池增量略微增加,而重力置换气侵泥浆池增量保持原趋势增加,由此可以判断出井底的气侵方式;该判定方法在现场试验中得到验证,对精细控压钻井安全快速控制气侵有指导意义。     

A new theory of rock-explosive matching based on the reasonable control of crushed zone

Rational rock-explosive matching is of great importance to enhancing explosive energy effective utili- zation and improving rock fragmentation effect. The traditionally emphasized method of acoustic impedance matching is not rational. Based on blasting breakage mechanism, a new theory of rock-explosive matching in drilling and blasting is proposed. The new approach chooses explosive parameters by reasonable control of the size of crushed zone under the condition of fully fragmentation between adjacent blast holes. This method can directly reflect the blasting fragmentation effect and energy effective utilization, which is easy to implement. Al- so, a modified model is developed, taken adjacent blast hole blasting loading into account. As a result, explo- sive parameters of different grades of rock are given in full coupling on-site mixed explosive charge for different project objectives.     

井底气泡的形成过程及其平均初始直径计算

利用类比的方法对井底气泡的形成过程进行了分析研究。认为垂直井底的气泡形成过程中,气泡膨胀阶段与Kazakis微孔介质气泡形成实验相似;脱离阶段则与水平毛细管气泡脱离过程相同。利用包立炯实验数据对Kazakis微孔介质气泡初始平均直径半经验公式进行了倾角校正,结合井底气层的渗流规律得出了适合井底气泡初始平均直径计算的方法。进行了井底压差和岩石孔吼直径对气泡初始平均直径影响情况的实例分析,结果较为符合实际,能为井底多相流动的微观描述提供一定的依据。     

深埋地下工程岩爆烈度分级预测的RS-功效系数模型

岩爆是深埋地下工程施工过程中常见的动力破坏现象,易造成重大经济损失和人员伤亡,对其进行有效预测预报一直是地下工程界迫切需要解决的难题。在系统分析影响岩爆发生的相关因素的基础上,选取切向应力与岩石单轴抗压强度比??/?c、岩石单轴抗压强度与抗拉强度比?c/?t、弹性变形能指数Wet和岩石脆性指数Is建立评价指标体系,并基于粗糙集理论,将各指标的权重问题转换为由现场实测数据来求解各指标属性重要性问题。然后,基于社会经济学中广泛应用的功效系数法,针对各指标对岩爆的影响特征,构建其功效函数,最终建立岩爆烈度分级预测的RS-功效系数模型,对岩爆发生可能性及其烈度进行预测预报。运用所建模型对国内外一些典型地下工程岩爆实例进行分析计算,并与集对分析模型、物元可拓模型评判结果对比分析。研究表明:RS-功效系数模型评价结果可靠、精度较高且现场可操作性强,具有良好的工程应用前景。     

深埋隧道岩爆预测与声发射特征

岩爆是高地应力区地下工程硐室开挖施工中常见的一类动力失稳地质现象。以秦岭终南山特长公路隧道为背景,通过对2#竖井工程施工过程中岩爆进行综合调查与理论分析,采用声发射(acoustic emission,AE)预报技术进行了综合预测和分析,得出岩爆发生时的声发射特征与动态演化规律,并提出岩爆综合防治措施,保证了安全施工。     

锦屏二级水电站施工排水洞岩爆机理及特征分析

利用FLAC3D软件模拟锦屏二级水电站施工排水洞典型洞室断面围岩开挖应力调整过程,通过关键点应力监测分析洞壁不同深度围岩应力变化过程特征及岩爆潜在动力源分布情况,同时,据自洞壁围岩应力释放率分析研究岩爆滞后性特征。研究结果表明:洞壁浅表层围岩最大、最小主应力皆为降低过程,发生应力降低型屈服却不易积聚弹性应变能;距洞壁一定距离处围岩发生塑性屈服并积聚较高弹性应变能,形成岩爆潜在动力源,随围岩屈服过程不同程度地释放能量,对浅表层屈服围岩的稳定产生影响进而发生岩爆灾害;深部弹性区围岩亦聚集较高的应变能,会进一步加剧岩爆的等级及破坏性;围岩应力释放率较低时不会发生岩爆灾害,应力释放率逐渐变大,围岩弹性应变能及塑性应变能分布特征逐渐变化,释放率达到70%～80%时围岩将发生岩爆灾害。     

低渗高气油比油井合理井底流压研究

对于低渗透油井,合理的井底流压是保持低渗高气油比油井稳产、高产的关键.通过分析低渗油藏油气水三相流动的流入动态,并利用拟合系数和油井完善系数对其修正,结合低渗岩石的压力敏感性,利用油井具体动、静态参数给出了低渗高气油比油井合理井底流压确定的过程.现场实例计算结果表明,低渗油藏三相流入特征修正法充分考虑了低渗高气油比油井的特点和地层参数随压力变化特征,能够准确确定油井的合理流压,具有适应性广、精度高的特点.