基于有限元强度折减法的地面钻井安全性判识方法研究

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地面瓦斯抽采技术是近年来兴起的治理矿井瓦斯超限的一种有效的手段,但是由于地面瓦斯抽采井要经历煤层在回采过程中上覆岩层的剧烈的移动变形,其受力形式是比较复杂的。正因为如此地面瓦斯抽采井的安全性评估成为一直困扰着人们的难题。本文将岩土工程中广泛使用的有限元强度折减法应用到地面钻井安全性的评估中,对地面钻井进行了以下几个方面的研究:(1)通过数值模拟煤层开挖过程得出岩层界面处是位移和应力比较集中的地方,尤其是关键层与下部岩层交界处是钻井破坏的高危位置;(2)建立不同直径和不同壁厚的地面钻井套管的三维模型,通过对煤层开采的模拟得到拉伸应力和剪切应力在地面钻井套管横截面上的分布规律,并得到了地面钻井套管最大拉伸和剪切应力随直径和壁厚的变化规律;(3)引入有限元极限分析思想,通过对套管抗拉强度和抗剪强度进行折减分别得到地面钻井套管的抗拉和抗剪安全系数,并且通过套管塑性区随折减系数的变化情况得到了地面钻井套管抗拉和抗剪的破坏形式和破坏过程;(4)通过数值模拟计算安全系数的方法得到晋城煤业集团某煤矿4308工作面的抗拉和抗剪安全系数,并对安全系数和岩层位移监测数据进行了比较,通过对比较结果的分析证明了用安全系数来评估地面钻井的安全性是可行的。
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