反井鉆機(jī)小傾角擴(kuò)孔排渣泥巖下落運(yùn)動學(xué)特征機(jī)理研究

彭 鳴，劉志強(qiáng)，荊國業(yè)

(1.煤炭科學(xué)研究總院 建井研究分院，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

在地下礦物資源開發(fā)、公路鐵路隧道、水力發(fā)電等地下工程施工領(lǐng)域，豎井結(jié)構(gòu)發(fā)揮著重要的作用。當(dāng)施工各種類井筒時(shí)，采用自上向下的掘進(jìn)方式稱作正向鑿井或正向掘進(jìn)法。礦井在建設(shè)和生產(chǎn)過程當(dāng)中，還需要開鑿無地面出口的暗井或者類似工程，這些工程處于礦井的兩個(gè)生產(chǎn)水平中間，沒有直達(dá)地面出口，施工易受井下巷道空間的限制，難以做到像地面鑿井布置大量的穩(wěn)絞設(shè)備，由上向下采用普通法鑿井施工，因此，一些工程采用由下向上掘進(jìn)的方法，稱作反向鑿井法，也稱反井法[1-6]。

近年來，反井鉆井法在地下工程中得到越來越多的應(yīng)用，其成孔質(zhì)量好，鉆進(jìn)效率高，安全環(huán)保，極大地改善了工作條件，成為地下工程領(lǐng)域重要的工藝技術(shù)。當(dāng)前，反井鉆井法已被引入管道工程領(lǐng)域。在管道工程以及豎井施工的輔助斜井中，大部分施工井由于地形、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等原因，要求小傾角施工。因此，需要對小傾角條件下反井?dāng)U孔進(jìn)行研究。

與垂直或大傾角施工不同，在小傾角反井?dāng)U孔施工過程中，巖渣無法依靠自重穩(wěn)定下落，巖渣停留在井幫內(nèi)會導(dǎo)致井孔堵死。因此，需要通過一定手段輔助小傾角條件下反井井孔內(nèi)的巖渣順利下落排出。目前針對反井鉆機(jī)長斜井的研究中，大部分是關(guān)于長斜井的測斜和糾偏問題，較少涉及反井排渣的問題。因此，本文在在小傾角反井井孔頂部加水沖刷的條件下，研究了巖渣的下落規(guī)律。在研究過程中，可將小傾角擴(kuò)孔排渣模擬為降雨條件下山體坡面型泥石流的情況，對巖渣及較小巖渣遇水而成的泥漿進(jìn)行研究[16]。國內(nèi)外很多學(xué)者做了很多相關(guān)研究。戚國慶[7]等基于泥石流非飽和土力學(xué)理論研究了泥石流抗剪強(qiáng)度，得出降水量不足時(shí)，不會發(fā)生泥石流，但可能引起由固體松散物質(zhì)組成的坡面發(fā)生位移；20世紀(jì)30年代，蘇聯(lián)學(xué)者建立了泥石流災(zāi)害的運(yùn)動特征，從泥石流的流速和泥石流流量兩點(diǎn) ，以及動力特征值的計(jì)算公式[8]；康志成[9]等總結(jié)了我國泥石流流速研究及計(jì)算方法。

結(jié)合反井工程實(shí)際需要，筆者團(tuán)隊(duì)以廣州反井施工巖渣(泥巖)為研究對象，研究了不同條件下巖渣的排渣效率、巖渣掉落規(guī)律等。本文利用試驗(yàn)驗(yàn)證了飽和土在水流中的啟動公式[10]，研究結(jié)果可為反井鉆井工程提供參考[14]。

1 排渣試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)臺搭建

本次實(shí)驗(yàn)在甘肅省天水市麥積區(qū)中灘鎮(zhèn)丁灣村進(jìn)行。依據(jù)反井鉆機(jī)施工實(shí)際擴(kuò)孔工況下的傾斜角度、鉆頭擴(kuò)孔時(shí)井幫的刮痕形狀、鉆頭單位時(shí)間破巖量來制作試驗(yàn)臺(圖1)，試驗(yàn)方式遵循單一變量原則，和組間一致原則：同一組實(shí)驗(yàn)中除變量外其他條件一致。

圖1 巖渣溜排試驗(yàn)布置

采用20m長半圓形截面混凝土管對溜渣孔進(jìn)行模擬，試驗(yàn)排水采用10m3水泵。為更加貼合實(shí)際溜渣環(huán)境，擬對混凝土管內(nèi)壁做均勻橫向刮痕處理。巖渣收集板布置在半圓形截面溜渣孔底部，充分排水后，收集滾落的巖渣。

巖渣擋板布置在半圓形截面溜渣孔的初始端。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，巖渣擋板內(nèi)裝有實(shí)際工況下單位時(shí)間內(nèi)破巖產(chǎn)生的巖渣。

水管和擋水板布置在半圓形截面溜渣孔的初始端。通過控制水管出水量，模擬現(xiàn)場不同程度的加水潤滑條件。為貼合實(shí)際工況中擴(kuò)孔鉆頭體對水流動能的影響，在噴水口前方設(shè)置擋水板，利用擋板和跌水板消除水流初始動能。

試驗(yàn)采用LS300A型流量測速儀每間隔1m安置在溜槽各段，儀器相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 LS300A型流量測速儀參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)方案

由施工現(xiàn)場資料可得，飽和泥巖巖渣參數(shù)見表2。

表2 泥巖巖渣參數(shù)表

反井施工中，當(dāng)施工角度小于45°時(shí)巖渣無法由自重順利排出，因此，試驗(yàn)分別選取20°、25°、30°、35°四個(gè)角度對排渣效果進(jìn)行分析；并結(jié)合實(shí)際工況采用0m3/h、5m3/h、10m3/h的水流從上部排水輔助排渣。

選取自然堆積狀態(tài)下試驗(yàn)用泥巖分組每份0.08m3鉆頭即鉆進(jìn)1m時(shí)巖渣掉落量。實(shí)驗(yàn)過程中，打開擋板，巖渣滾落，模擬擴(kuò)孔鉆頭在實(shí)際破巖鉆進(jìn)過程中破巖面掉落的巖渣，巖渣掉落點(diǎn)按最不利位置考慮，即巖放置在平臺上消除重力勢能對初速的影響。試驗(yàn)具體步驟如下：

1)將巖渣以自然堆積狀態(tài)放在試驗(yàn)臺溜槽頂端并用隔板阻止其下落。

2)打開水閥使水流從巖渣上部噴在擋板上落下以保證其初速為0的狀態(tài)，持續(xù)5min使水流充分潤濕溜槽表面。

3)打開隔板使巖渣下落，此時(shí)打開安裝在溜槽各段的流速測試儀進(jìn)行記錄，持續(xù)排水2min直至各部分巖渣完全靜止。

4)關(guān)閉水閥，將溜槽每5m分為一段以及已排出的泥巖巖渣進(jìn)行收集，曬干并分別稱重并記錄。

5)改變角度和水流大小，重復(fù)上述步驟。

1.3 理論分析

1.3.1 非飽和土力學(xué)平衡分析

泥巖巖渣在加水前處于非飽和狀態(tài)，根據(jù)非飽和土抗剪強(qiáng)度公式[11]：

τ=C′+(σf-μa)ftanφ′+(μa-μω)ftanφb

(1)

式中，C′為莫爾-庫倫剪應(yīng)力軸與破壞包線的延伸的截距，在剪應(yīng)力軸處的凈法向應(yīng)力與基質(zhì)吸力均為0 ，C′也稱作有效粘聚力(由于固體松散物質(zhì)無膠結(jié)，有效粘聚力C′很小)；σf為破壞時(shí)在破壞面上的法向總應(yīng)力；μa為破壞時(shí)在破壞面上的孔隙氣壓力；μω為破壞時(shí)在破壞面上的孔隙水壓力，試驗(yàn)中隨著水量的增加破壞時(shí)的破壞面逐漸上升。

(σf-μa)f為破壞時(shí)在破壞面上的凈法向應(yīng)力狀態(tài)；(μa-μω)f為破壞時(shí)破壞面上的基質(zhì)吸力，φ′為與凈法向應(yīng)力(σf-μa)f狀態(tài)變量有關(guān)的內(nèi)摩擦角；φb為抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力(σf-μa)f而增加的速率；(μa-μω)ftanφb為基質(zhì)吸力(μa-μω)f引起的抗剪強(qiáng)度[12，13]。

試驗(yàn)剛開始階段，打開擋板和水流，泥巖巖渣處于固體非飽和松散狀態(tài)，隨后巖渣含水量逐漸增加并達(dá)到飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度消失，水壓力μω增加，有效應(yīng)力減少。在此階段巖渣并未隨著水流而下落但巖渣堆發(fā)生了變形和位移。其中巖渣堆的抗剪強(qiáng)度隨孔隙水壓力的關(guān)系為：

τ=C+(σ-μω)tanφ

(2)

式中，C為巖渣堆的粘聚力；φ為飽和狀態(tài)下巖渣堆的內(nèi)摩擦角。

1.3.2 巖渣水流啟動流速分析

泥巖巖渣在加水排渣過程中會與水流混合，因此泥巖排渣過程中可類比于泥石流。根據(jù)斯氏改進(jìn)公式采用挾泥巖水流啟動流速來評價(jià)其排渣臨界值[15]，適用于大比水石流以及挾砂水流，計(jì)算方式為：

2 數(shù)據(jù)分析

不同條件下的排渣效果如圖2所示。將各狀態(tài)下巖渣掉渣率進(jìn)行計(jì)算得出其排渣效率，如圖3所示。根據(jù)圖2可看出：反井井孔角度20°時(shí)，排水量為0時(shí)泥巖巖渣主要堆積在溜槽頂部，排渣效果不理想，排水量大于2.5m3時(shí)主要堆積在溜槽底部；反井井孔角度25°時(shí)，排水量為0時(shí)泥巖巖渣主要堆積在溜槽頂部，排渣效果仍舊不理想，排水量為2.5m3時(shí)泥巖巖渣攪均勻堆積在溜槽各處，排渣效果也不理想，排水量大于5m3時(shí)主要堆積在溜槽底部；反井井孔角度30°時(shí)，排水量為0時(shí)泥巖巖渣主要堆積在溜槽頂部，排渣效果不理想，排水量大于2.5m3時(shí)主要堆積在溜槽底部；反井井孔角度35°時(shí)，排水量為0時(shí)泥巖巖渣主要堆積在溜槽頂部，排渣效果不理想，排水量大于2.5m3時(shí)主要堆積在溜槽底部。

圖2 泥巖排渣效果圖

圖3 泥巖排渣效率曲線

持續(xù)的水流使得巖渣堆內(nèi)部水壓力增加，有效應(yīng)力減小，泥巖巖渣滲入的水量來不及流出，加上持續(xù)加水的作用，可看作固體松散物質(zhì)的泥巖巖渣堆將啟動，隨著水流開始下落。此時(shí)，判斷巖渣堆啟動的公式為：

當(dāng)K=1時(shí)，巖渣堆處于極限狀態(tài)；當(dāng)K>1時(shí)，巖渣堆處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會下落；當(dāng)K<1時(shí)，巖渣堆處于不穩(wěn)定狀態(tài)，將會沿溜槽落下。

將各參數(shù)代入式(4)得出不同條件下的K值見表3。

表3 泥巖排渣K值表

將求得的K值與試驗(yàn)中排渣效率進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)K值小于1的條件下巖渣開始下落，當(dāng)K值小于0.7時(shí)巖渣能較充分排渣。理論和試驗(yàn)?zāi)茌^好地吻合。

試驗(yàn)測得各條件下挾泥巖水流流速如圖4所示。

圖4 不同條件下泥巖排渣挾巖水流流速曲線圖

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與式(5)計(jì)算的理論值進(jìn)行比對，理論計(jì)算所得不同條件下巖渣啟動流速Vc，見表4。

表4 不同條件下泥巖啟動流速表

將表4結(jié)果與實(shí)際數(shù)值比對可知，當(dāng)實(shí)際速度大于啟動速度時(shí)，泥巖巖渣排渣效果較明顯，但仍存在一定誤差。將兩種巖渣排渣效果評價(jià)方式結(jié)果分別與實(shí)際排渣結(jié)果進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)果基本吻合。

3 結(jié) 論

本文分別將飽和土在運(yùn)動方向的平衡公式和斯氏改進(jìn)公式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，得出如下結(jié)論：

1)影響反井鉆機(jī)擴(kuò)孔泥巖巖渣排出效果的主要因素是反井井孔角度、泥巖巖渣堆飽和抗剪強(qiáng)度、剪切面面積和排水流量。而排水流量影響泥巖巖渣堆粘聚力、內(nèi)摩擦角以及產(chǎn)生浮力。

2)采用飽和土在運(yùn)動方向的平衡公式來確定反井鉆機(jī)擴(kuò)孔泥巖巖渣排渣效果和斯氏改進(jìn)公式對泥巖排渣啟動速率進(jìn)行分析是可行的。

3)當(dāng)K<1時(shí)，泥巖開始有向下排渣的趨勢；當(dāng)K<0.7時(shí)，泥巖具有顯著排渣效果。由K值可得出當(dāng)在反井井孔角度在20°時(shí)，沖刷水量大于5m3泥巖巖渣具有明顯的排渣效果；在反井井孔角度在25°時(shí)，沖刷水量大于2.5m3泥巖巖渣具有明顯的排渣效果；在反井井孔角度在30°時(shí)，沖刷水量大于2.5m3泥巖巖渣具有明顯的排渣效果；在反井井孔角度在35°時(shí)，沖刷水量大于2.5m3泥巖巖渣具有明顯的排渣效果。

4)筆者還對其他類型巖石進(jìn)行了測試，本文應(yīng)用飽和土在運(yùn)動方向的平衡公式并不適用于各類硬巖，因此在進(jìn)一步的研究中會對排渣率和巖渣種類的關(guān)系進(jìn)行分析，并探究其他類型巖石(如硬巖)巖渣排渣效果的評價(jià)方法。