【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及钻进勘探。具体地说是西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法。
技术介绍
1、钻井法是一种适用于深厚冲积层和复杂软岩地层井筒钻凿的特殊施工方法，得益于深井建设研究的持续推进、装备成果的不断更新，目前我国钻井深度已达660m，最大钻井直径可达10.3m，大直径反井钻机钻进深度达562m，钻井技术发展为我国千米深井建设提供了有力支撑，但由于建井需求差异，大部分使用钻井法的施工案例均在我国东部，千米深井主要集中在华北、华东和东北地区且在深厚冲积层中的应用已趋于成熟。蒙陕矿区作为国家重点建设的亿吨级煤炭基地，煤炭资源整装完好，是我国西部矿区的重要组成部分，而钻井法施工仅在榆林可可盖煤矿有应用，因而在西部的总体发展还处于探索、借鉴、适应阶段。
2、西部蒙陕矿区与我国东部地层构造差异明显。在蒙陕矿区600m以上的地层深度中，构造地应力在地应力构成中将仍然占据主导性，由于各类不同岩层的主应力发展趋势不同，主应力之比在深基岩段将变得更大。从地层岩性和表土层厚度来说，东部地区的表土层厚度可达上千米，而蒙陕矿区地层具有冲积层浅、富水层多、基岩段地质条件复杂等特点，且基岩段多为成岩时间较晚的白垩系、侏罗系岩层，硬度低且易形成破碎带，使得矿区地质更为复杂。
3、国内外均出现过立井井壁破坏的现象。近年来，我国黄淮地区相继发生多起煤矿立井井壁破裂事故，既有冻结井筒也有钻井井筒，经研究发现，这些井筒的破坏原因主要是由于开采活动导致表土层水位下降，土体有效应力增加，地层固结沉降，在钢筋混凝土
4、由于我国千米深井集中于东部，目前对非均匀荷载下的井壁受力特性研究较多地集中在冻结井筒或表土以竖向附加力为主的断面。西部由于表土层浅，基岩岩层种类多样且大部分成岩晚，千米深井尚未大规模建设，钻井井壁在西部特定地层的研究不足，故钻井复合井壁在西部地层非均匀荷载下的受力特性研究亟待开展。
5、由于我国千米深井集中于东部，目前对非均匀荷载下的井壁受力特性研究较多地集中在冻结井筒或表土以竖向附加力为主的断面。西部由于表土层浅，基岩岩层种类多样且大部分成岩晚，千米深井尚未大规模建设，钻井井壁在西部特定地层的研究不足，故钻井复合井壁在西部地层非均匀荷载下的受力特性研究亟待开展。
技术实现思路
1、为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，以我国中东部地区钻井井壁结构设计理论为依据，推导基岩段井壁在水平地压下的受力，以工程背景中的地层数据计算钻井井壁的外荷载参数。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
3、西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，包括如下步骤：
4、(1)设置基本模型：将井壁受到的水平应力的双向不等压模型分解为单向等压模型；
5、(2)以围岩为弹性体，求解单向等压模型下的应力和位移分量；
6、(3)以井壁结构为弹性体，求解单向等压模型下的应力和井壁位移；
7、(4)利用步骤(2)和步骤(3)，求解围岩对井壁的作用条件下的应力和位移；
8、(5)利用步骤(4)，求解内钢板-钢筋混凝土井壁模型的应力和位移。
9、上述西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，在步骤(1)中，
10、(1-1)模型简化：假设有一矩形地层最大水平主应力为x轴方向，最大水平主应力大小为q1，最小水平主应力为y轴方向，最小水平主应力大小为q2，矩形内作一以r为半径的大圆和半径为r的小圆，其中r＞＞r，r相当于井壁位置，得到双向不等压模型；根据叠加原理，双向不等压模型分解为单向等压模型；
11、(1-2)先将直边变换为圆边，然后求得单向等压模型下的应力分量(弹性力学基本公式，利用坐标变换将直角坐标-矩形边界转换为极坐标-圆边界。最终是要解决井壁问题，所以要转换为极坐标)：
12、在大圆周r处随机取一点a，则a点的应力情况与无井筒钻孔时相同：
13、σx＝q1,σy＝0,τxy＝0 (1)；
14、其中：σx为沿x轴方向上的应力，σy为沿y轴方向上的应力，τxy为截面的切应力；
15、根据弹性理论基本公式，将式(1)带入到直角坐标与极坐标的变换式得到：
16、
17、其中，ρ、分别表示径向坐标和环向坐标；为切应力；σρ表示沿ρ方向的正应力，也称为径向正应力；表示沿方向的正应力，也称环向正应力；
18、将矩形边界剥离，加入井壁对围岩的支护力f，则问题进一步转化为：内径为r、外径为r的圆在外边界上受非均匀力，内边界上受井壁对围岩的支护力；
19、井壁对围岩的支护力f进行分解得到q1和q2作用下的支护力，即其中f1和f3分别为在最大水平主应力q1和最小水平主应力q2作用下的均匀载荷在井壁结构上产生的沿径向产生的法向接触力；其中和分别为在最大水平主应力q1和最小水平主应力q2作用下的非均匀载荷在井壁结构上产生的沿径向产生的法向接触力。
20、上述西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，在步骤(2)中，假定围岩为弹性体，求解仅q1作用下的应力与位移分量；
21、根据式(2)，当应力边界条件分解为均匀荷载时：
22、
23、圆环受均匀荷载时，设式(3)中作用力在井壁结构上沿径向产生的法向接触力为f1，根据拉梅解答得各应力分量如下：
24、
25、均匀载荷下的位移分量为：
26、
27、其中，es、μs为围岩弹性模量和泊松比；a、b、c、i、k、h均为常量，uρ为径向位移分量，为环向位移分量；且有：
28、
29、由位移单值条件得b＝0，故化简后代入ρ＝r，得：
30、
31、即得到均匀荷载f1在井壁处产生的井壁结构位移量uρ1。
32、上述西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，根据式(2)，当应力边界条件为非均匀荷载时：
33、
34、圆环在非均匀荷载下时，设式(4)中作用力在井壁结构上产生的沿径向方向的法向接触力为则需补充ρ＝r时的边界条件：
35、
36、根据应力构成，假设应力函数为：
37、
38、将式(10)代入相容方程，得：
39、
40、删去这个因子后，求解这个常微分方程，得：
41、
42、其中，a1、b1、c1、d1均为常数，将式(12)带入式(11)，得：
43、
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【技术保护点】
1.西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，在步骤(1)中，
3.根据权利要求2所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，在步骤(2)中，假定围岩为弹性体，求解仅q1作用下的应力与位移分量；
4.根据权利要求3所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，根据式(2)，当应力边界条件为非均匀荷载时：
5.根据权利要求1所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，在步骤(3)中，将井壁结构视为弹性体，先求解q1作用下产生的正应力引起的井壁位移；
6.根据权利要求5所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，圆环在式(27)非均匀荷载下时，仿照权利要求4的非均匀载荷的
7.根据权利要求6所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，在步骤(4)中，为保证双向不等压力下围岩与井壁的位移协调，此处令q1作用下围岩产生的径向位移等于井壁结构产生的径向位移，q2作用下围岩产生的径向位移等于井壁结构产生的径向位移；
8.根据权利要求7所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，在步骤(5)中，假定钢板-钢筋混凝土复合井壁内力是钢板筒和钢筋混凝土筒各自承担的轴力和弯矩之和，并同时考虑井壁在工作阶段，钢板仍处于弹性变形阶段；
9.根据权利要求8所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，采用不同材料分算的方法将内力转化为截面应力：
10.根据权利要求9所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，采用材料等效核算的方法将内力转化截面应力：
...【技术特征摘要】
1.西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，在步骤(1)中，
3.根据权利要求2所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，在步骤(2)中，假定围岩为弹性体，求解仅q1作用下的应力与位移分量；
4.根据权利要求3所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，根据式(2)，当应力边界条件为非均匀荷载时：
5.根据权利要求1所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，在步骤(3)中，将井壁结构视为弹性体，先求解q1作用下产生的正应力引起的井壁位移；
6.根据权利要求5所述的西部深基岩地层内钢板-钢筋混凝土钻井井壁的非均匀载荷下的应力分布分析方法，其特征在于，圆环在式(27)非均匀荷载下时，仿照权利要求4的非均匀载荷的...
【专利技术属性】
技术研发人员：程守业，荆国业，尹俊，韩博，刘文敬，汤正，
申请(专利权)人：北京中煤矿山工程有限公司，
类型：发明
国别省市：
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