可縮性井壁接頭的豎向穩(wěn)定性研究

2016-08-15 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:當作用在井壁上的豎向附加力達到一定值時,可縮性井壁接頭便產(chǎn)生壓縮變形,使積聚在井壁內的豎向應力得以釋放,從而可防止井壁破壞。采用ANSYS有限元軟件對祁南二礦箕斗井的可縮性井壁接頭豎向穩(wěn)定性進行計算分析,即接頭的特征值屈曲分析和非線性屈曲分析。計算結果表明:可縮性井壁接頭發(fā)生豎向失穩(wěn)的臨界荷載為24.42 MPa,而其豎向極限承載力為20.30 MPa,由此可見該可縮性井壁接頭不會發(fā)生豎向失穩(wěn)破壞,豎向極限承載力即為設計計算的控制荷載。

祁南二礦箕斗井穿過的地層為第四含水層,直接覆蓋在煤系地層之上,礦井開采后底部含水層的水滲入井下采空區(qū)域,使含水表土地層失水后土層固結,導致地層的壓縮沉降,對井壁產(chǎn)生巨大的豎向附加力,為了防止新建井壁發(fā)生破壞,在表土與基巖交界面處附近設置豎向可縮性井壁接頭。鋼結構可縮性井壁接頭的應用可以有效的減少井筒破裂事故[1-3]。目前,鉆井、凍結井壁可縮性接頭已在多個立井井筒中得到工程應用。為進一步研究可縮性井壁接頭的性能,本文對不同高度的可縮性井壁接頭豎向穩(wěn)定性進行分析。

1可縮性井壁接頭方案設計

可縮性接頭放置不同位置效果迥異, 將接頭放在風化基巖段中部最優(yōu), 最大附加力比放在其它位置都小, 平均附加力也小于接頭位于底部含水層處[4]。故祁南箕斗井在層位364m的位置設置豎向可縮性井壁接頭1個,其井壁結構模型如圖1所示,模型的幾何參數(shù)如表1所示。

祁南箕斗井可縮性接頭:井壁接頭高500 mm,上、下法蘭盤厚30 mm,弧板厚25 mm,內、外立板厚40 mm。該接頭為組合鋼結構,采用Q235-B鋼材質,焊縫連接(見圖2)。

圖2祁南箕斗井可縮性井壁接頭方案(累深364 m)

2豎向極限承載力計算

對于可縮性接頭來說,豎向極限承載力是一個至關重要的參數(shù)。如果此值設計偏小,則井壁會在施工荷載、自重和裝備等荷載作用下出現(xiàn)壓縮;相反,如果此值設計偏大,當豎向附加力作用較大時,井壁已出現(xiàn)破壞時,但可縮性接頭仍未發(fā)生可縮、卸載,從而失去預防井壁破裂的作用。而屈曲分析時同樣要先對豎向極限承載力進行模擬計算,當極限承載力小于非線性屈曲荷載時,可縮性井壁接頭不會發(fā)生屈曲,反之即發(fā)生屈曲。

采用有限元分析軟件ANSYS對該可縮性井壁接頭進行數(shù)值分析:該計算模型為軸心對稱結構,單元類型為4節(jié)點PLANE42二維實體單元,采用理想彈塑性模型,鋼材的彈性模量取2.1×105 MPa,泊松比取0.25,屈服應力取235 MPa,屈服模量取0。模擬計算井壁接頭豎向極限承載力時,模型的下端面視為固定端,弧板面上承受水壓力4.8 MPa(該控制層的最大水壓地壓為恒定值4.8 MPa)[5],在上端面不斷施加荷載,直至接頭發(fā)生破壞。按照祁南二礦箕斗可縮性井壁接頭尺寸,分別取可縮性井壁接頭高400 mm、500 mm、600 mm進行對比。

4結語

1) 比較三個不同高度的豎向極限承載力。可縮性井壁接頭的極限承載力與高度無關系,主要跟立板的截面和位置有關。

2) 對比極限承載力和非線性屈曲臨界載荷,三個高度的可縮性井壁接頭都不會發(fā)生豎向失穩(wěn)破壞,豎向極限承載力即為其各自的豎向設計計算控制荷載,但高度600 mm的可縮性井壁接頭其穩(wěn)定性趨于危險。

3) 根據(jù)理論計算,祁南二礦箕斗井的可縮性井壁接頭豎向承載力為20.30 MPa,小于其可縮性井壁接頭的豎向臨界荷載為24.42 MPa,祁南二礦箕斗井的可縮性井壁接頭不會發(fā)生屈曲,其可縮性井壁接頭高度500 mm滿足彈塑性穩(wěn)定性要求。

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