可缩性井壁接头的竖向稳定性研究

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摘要：当作用在井壁上的竖向附加力达到一定值时，可缩性井壁接头便产生压缩变形，使积聚在井壁内的竖向应力得以释放，从而可防止井壁破坏。采用ANSYS有限元软件对祁南二矿箕斗井的可缩性井壁接头竖向稳定性进行计算分析，即接头的特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。计算结果表明：可缩性井壁接头发生竖向失稳的临界荷载为24.42 MPa，而其竖向极限承载力为20.30 MPa，由此可见该可缩性井壁接头不会发生竖向失稳破坏，竖向极限承载力即为设计计算的控制荷载。

关键词：特殊地层；可缩性井壁接头；竖向稳定性；屈曲分析

中图分类号：TD262文献标志码：A

祁南二矿箕斗井穿过的地层为第四含水层，直接覆盖在煤系地层之上，矿井开采后底部含水层的水渗入井下采空区域，使含水表土地层失水后土层固结，导致地层的压缩沉降，对井壁产生巨大的竖向附加力，为了防止新建井壁发生破坏，在表土与基岩交界面处附近设置竖向可缩性井壁接头。钢结构可缩性井壁接头的应用可以有效的减少井筒破裂事故[1-3]。目前，钻井、冻结井壁可缩性接头已在多个立井井筒中得到工程应用。为进一步研究可缩性井壁接头的性能，本文对不同高度的可缩性井壁接头竖向稳定性进行分析。

1可缩性井壁接头方案设计

可缩性接头放置不同位置效果迥异， 将接头放在风化基岩段中部最优， 最大附加力比放在其它位置都小， 平均附加力也小于接头位于底部含水层处[4]。故祁南箕斗井在层位364m的位置设置竖向可缩性井壁接头1个，其井壁结构模型如图1所示，模型的几何参数如表1所示。

祁南箕斗井可缩性接头：井壁接头高500 mm，上、下法兰盘厚30 mm，弧板厚25 mm，内、外立板厚40 mm。该接头为组合钢结构，采用Q235-B钢材质，焊缝连接（见图2）。

图2祁南箕斗井可缩性井壁接头方案（累深364 m）

2竖向极限承载力计算

对于可缩性接头来说，竖向极限承载力是一个至关重要的参数。如果此值设计偏小，则井壁会在施工荷载、自重和装备等荷载作用下出现压缩；相反，如果此值设计偏大，当竖向附加力作用较大时，井壁已出现破坏时，但可缩性接头仍未发生可缩、卸载，从而失去预防井壁破裂的作用。而屈曲分析时同样要先对竖向极限承载力进行模拟计算，当极限承载力小于非线性屈曲荷载时，可缩性井壁接头不会发生屈曲，反之即发生屈曲。

采用有限元分析软件ANSYS对该可缩性井壁接头进行数值分析：该计算模型为轴心对称结构，单元类型为4节点PLANE42二维实体单元，采用理想弹塑性模型，钢材的弹性模量取2.1×105 MPa，泊松比取0.25，屈服应力取235 MPa，屈服模量取0。模拟计算井壁接头竖向极限承载力时，模型的下端面视为固定端，弧板面上承受水压力4.8 MPa（该控制层的最大水压地压为恒定值4.8 MPa）[5]，在上端面不断施加荷载，直至接头发生破坏。按照祁南二矿箕斗可缩性井壁接头尺寸，分别取可缩性井壁接头高400 mm、500 mm、600 mm进行对比。

4结语

1） 比较三个不同高度的竖向极限承载力。可缩性井壁接头的极限承载力与高度无关系，主要跟立板的截面和位置有关。

2） 对比极限承载力和非线性屈曲临界载荷，三个高度的可缩性井壁接头都不会发生竖向失稳破坏，竖向极限承载力即为其各自的竖向设计计算控制荷载，但高度600 mm的可缩性井壁接头其稳定性趋于危险。

3） 根据理论计算，祁南二矿箕斗井的可缩性井壁接头竖向承载力为20.30 MPa，小于其可缩性井壁接头的竖向临界荷载为24.42 MPa，祁南二矿箕斗井的可缩性井壁接头不会发生屈曲，其可缩性井壁接头高度500 mm满足弹塑性稳定性要求。

参考文献：

[1]程桦，杨俊杰，姚直书，等.钻井井壁可缩性接头模型试验研究[J].煤炭学报，2001，26（6）：584-589.

[2]荣传新，程桦，蔡海兵.冻结井可缩性井壁接头力学特性研究及其应用[J].煤炭科学技术，2005，33（9）：37-45.

[3]荣传新，程桦，姚直书.钻井井壁可缩性接头力学特性研究[J].煤炭学报，2003，28（3）：270-274.

[4]苏俊.钻井井壁可缩性接头位置的优化分析 [J].安徽理工大学学报：自然科学版，2004，24（4）：28-32.

[5]裴庆夏，姚直书，张永坤. 信湖煤矿钻井井筒可缩性井壁接头设计及数值模拟研究 [J].煤炭工程，2012（3）： 9-11.