陈四楼矿中央风井井壁安全监测技术

　　关键词　钻井井壁　井壁破裂　安全监测　钢筋计

　　自80年代以来，徐淮等地的几个矿区共有30多个生产矿井发生井壁破裂，其中包括钻井法钻凿的井筒井壁局部破裂，因而造成了一些矿井停工停产，使矿上蒙受巨大的经济损失。煤科总院北京建井研究所自80年代初以来，对徐沛地区、两淮地区、山东龙口地区的10口井多种地层共18个水平进行了钻井井壁内外力长期安全监测。测试表明，大部分井筒在成井数年后，井壁受力趋于稳定，但也有个别井筒受力不够稳定，如大屯的龙东风井，通过测试表明，其竖向应变急剧增加，在向有关部门提出了井壁受力异常的情况报告后不久，龙东主井(冻结法施工)即发生井壁破裂事故，这是国内首次测出竖向受力异常的成功实践。可见，钻井井壁内外力长期测量可监视井壁的受力，提供安全预报信息；井壁安全监测结果还可对今后该地区的井壁结构设计与研究提供有关参考资料，使设计更趋安全、合理、完善。
　　陈四楼矿冲积层厚，测试位置深，监测要求时段长；因此，如何筛选元件和确保元件埋设密封、确保元件工作可靠以及排除测试干扰，是该井长期安全监测的关键，也是技术上需要特别加以重视之处。

1　地质概况

　　陈四楼中央风井地理位置和徐淮地区邻近，井筒穿过的第三系、第四系冲积层厚达360.2m，占全井深的86.8%，多数为粘土层，其中夹有钙质粘土及次生灰岩，部分地层具有较大膨胀性，共有14层含水砂层(总厚112.4m)。井筒穿过基岩53.4m，以泥岩、砂岩、铝质泥岩和砂质泥岩为主，岩层倾角10°，浅部达15～20°。新生界和石炭系含水量较大。

2　井壁结构

　　陈四楼矿中央风井井壁设计75节，9种类型。混凝土强度25，30，40，50，55MPa5种。井壁外径φ6.5m；内径上部28节φ5.6m，下部47节φ5.2m。在井筒表土段深部有双层钢板混凝土井壁14节。井壁底为半球壳和筒柱组合结构，见图1。

3　安全监测方案及实施

3.1　安全监测方案
　　根据钻井井壁受力特点、井壁制作工艺及地层条件和测点位置(水平)，确定了采用钢弦元件作为传感器，用电测法有线遥测的测试方案。主要测试内容：水平外载荷，井壁环向和竖向应变。以地表高程34.47m为±0.000计，测试位置(水平)设在-142.8m和-310.8m处，两水平所处地层均为砂质粘土。

图1　中央风井钻井井壁结构与壁后充填
1—钢筋混凝土井壁；2—钢板混凝土井壁

　　测力元件选用抗干扰性强、温度影响小、防水性好的弦式传感器，而测试仪器则选用抗干扰性强、易于长距离测试的数字化频率仪。根据测试内容确定元件的种类和元件最大能力，通过标定来筛选元件，淘汰稳定性差、性能不好的元件。

3.2　实施监测的措施
　　针对钻井施工工艺的特点，在制作井壁时将测试元件预埋进预定深度的相应井壁中，所有元件的引线集中于一集线箱，再经由1根多芯屏蔽的测试电缆将元件信号引上地面，在地面进行全部测试工作。因此，测试元件本身的密封以及引线连接及整个测试系统的密封是确保测试成败的关键，要求在高出现场实际最大水压力值45%以上的水压力作用下，元件以及上述部件能保证不渗不漏，工作正常。为此，采用了可靠的化学密封和机械密封并举的方式。
　　元件标定结果的好坏直接影响后续数据处理的结果。采用与测试等级相匹配的万能压力试验机，首先对元件施压到额定标定荷载120%的程度，再逐级进行标定。
　　测试过程中，存在诸多干扰因素，如电焊及其它施工因素，所以测试中要采取抗干扰的措施，排除各种影响因素，确保测试数据的真实性和可靠性。
　　钻井井壁内外力安全监测是一项长期观测内容，保护好测试电缆也是确保长期监测必不可少的条件。

3.3　监测工作过程
　　1990-09-03进行陈四楼中央风井第24号井壁制作，同时完成了测试水平-142.8m的元件埋设，并进行了长线连接、密封及缠绕，元件埋设后经检查均工作正常。
　　陈四楼中央风井于1991年5月钻井完毕开始下沉井壁，测试工作与井壁下沉同时进行。在整个下沉过程中，第1水平测试21次，第2水平测试11次。
　　1991-07-12井壁下沉到底，开始充填，7月22日进行第1段高水泥浆内管充填，段高为96.65m，边充填边测量。在充填过程中进行的测量表明，各元件工作正常，受力变化趋势与实际工况理论分析相当接近。8月18日混凝土封井口，充填结束。

图2　钻井井壁各工艺过程结构应力变化规律
1—环向应力；2—竖向应力；a—配重水淹过测量点；
b—第1段高充填完毕；c—部分充填物开始凝固；
d—马头门及附近巷道开始掘进

　　钻井法施工结束后，井壁进入了正常使用阶段，井壁外侧所受压力即是永久地压，但随着接续的井下巷道开拓或马头门井底车场以及井底连络巷道的施工，地层的内力有一重分布的过程，从而对井筒受力产生一定的影响。从该阶段的测试结果看，能比较准确地反映出井壁正常使用阶段的受力情况，见图2。

4　结　语

　　陈四楼矿经过7a施工，于1997年10月顺利投产。中央风井历经井筒施工、壁后充填、马头门开拓、井下巷道开拓掘进等一系列过程，到1996年11月，通过对中央风井井壁内外力长期安全监测表明，该井在钻井施工过程中受力正常；在进入正常使用阶段的前两年内，其受力尚属不稳定阶段，随着时间的推移，外部采动、开拓对井筒受力的影响会逐渐减小，井壁内外力会逐步稳定下来。从测试结果看，井壁环向受力变化的程度较小，趋于稳定，而竖向应力尚不够稳定，但从总的测试情况看，该两水平位置的井壁受力属于正常范围。有以下几点经验：
　　(1)对钻井井壁进行长期安全监测，必须重视元件选用和各个环节的密封，这是确保测试成功的关键；
　　(2)制定一个合理的测试方案，并采取一切措施排除影响测试结果真实性的因素，可保证监测有效，从而作为判断井筒安全与否的依据。
　　(3)对井壁内外力进行长期安全监测，可提供井筒安全预报信息，有利于确保井筒安全可靠地服务于生产。对测试数据进行分析研究，以便为钻井井壁结构的深入研究奠定基础。

第1作者简介

　　刘日辉，男，1962年生，高级工程师。1982年毕业于东北工学院，1987年于煤炭科学研究总院研究生毕业，获硕士学位。现在北京建井研究所从事钻井永久支护结构研究、试验和实测，以及钻孔灌注桩等工程的施工。已发表论文10余篇。