一種砂巖地層立井凍結(jié)施工安全監(jiān)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及砂巖地層立井凍結(jié)施工領(lǐng)域，具體設(shè)及一種砂巖地層立井凍結(jié)施工安 全監(jiān)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的進(jìn)一步提高，我國的能源需求量逐年上升。 傳統(tǒng)能源不僅關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)的長遠(yuǎn)發(fā)展，還牽設(shè)到國家的政治安全。目前，我國煤炭資源 在不可恢復(fù)類能源消費結(jié)構(gòu)中所占比重仍達(dá)60%左右，且在未來一定時期內(nèi)運種局面仍將 不會發(fā)生根本改變。盡管我國為了治理環(huán)境污染而采取新的環(huán)保政策，原煤生產(chǎn)將得到一 定的壓縮和控制，但煤炭作為我國主要能源的局面發(fā)生根本性變化的可能性很小。為確保 我國煤炭資源戰(zhàn)略安全，在部分老舊礦區(qū)煤源逐漸枯竭、大量小煤礦逐漸關(guān)停的情況下，適 時、適地建設(shè)一批新的大型、特大型礦井仍然很有必要。
[0003] 隨著煤炭資源開采深度的不斷增加，其生產(chǎn)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，礦井工程地質(zhì)條 件也愈加復(fù)雜，巖爆與沖擊地壓劇增、巷道圍巖變形嚴(yán)重、瓦斯積聚度驟升、突水災(zāi)害頻繁 發(fā)生W及采場失穩(wěn)破壞程度日益增大等問題W的出現(xiàn)對礦山建設(shè)工程技術(shù)和安全生產(chǎn)都 提出了更高的要求。如陜西彬長、山東巨野及安徽顧橋等礦區(qū)都具有沖積層厚、井筒深、井 型大、水文地質(zhì)條件惡劣及施工技術(shù)難度高的顯著特點，嚴(yán)重影響運些礦井井筒的正常掘 進(jìn)和采煤工作的安全進(jìn)行。因此，必須采用一些特殊防治措施。目前，在松散不穩(wěn)定含水地 層或在涌水量很大的穩(wěn)定裂隙巖層中，通常采用圍巖加固、堵水、超前支護(hù)或大型鉆機(jī)進(jìn)行 施工，采用的主要施工方法包括壓力注漿、凍結(jié)施工、帷幕法及降低水位法等。其中，凍結(jié) 法鑿井技術(shù)具有適應(yīng)性廣、施工靈活、安全高效等優(yōu)點。
[0004] 然而，立井凍結(jié)工程建設(shè)規(guī)模的迅速擴(kuò)大導(dǎo)致新的實際問題不斷出現(xiàn)，許多理論 研究滯后于工程實際的需要。因此，需要在施工過程中提高信息化程度，遇到問題或安全隱 患及時改進(jìn)設(shè)計或優(yōu)化施工方案，運樣才能確保工程安全。從20世紀(jì)80年代W來，盡管我國 的凍結(jié)鑿井實踐起步較早，特別是在特厚沖積層凍結(jié)鑿井理論和實踐方面取得的成果和成 功經(jīng)驗更遠(yuǎn)超于其他國家，但針對西部白聖系地層特別是洛河組砂巖地層立井凍結(jié)方面的 研究成果還十分有限。同時，與其他一些國家相比，在對鑿井設(shè)備、監(jiān)控技術(shù)及施工風(fēng)險管 理和災(zāi)害控制技術(shù)等凍結(jié)鑿井的核屯、問題的研究方面差距較大。
[0005] 凍結(jié)法鑿井技術(shù)發(fā)展至今，現(xiàn)在面臨著挑戰(zhàn)600-700m井深，甚至超過1000 m的艱巨 挑戰(zhàn)。地層深度越來越大，且開鑿?fù)ㄟ^的地層條件也越來越復(fù)雜，使得凍結(jié)法鑿井過程中的 安全風(fēng)險越來越高，原本不曾遇到的問題也越來越多，亟需新的理論來指導(dǎo)工程施工。例 如：原有的彈塑性理論計算公式的適用范圍不斷縮小、一些特殊地層中的凍結(jié)壁厚度需要 采用新的理論重新確定;凍結(jié)施工信息的無法預(yù)先得知而導(dǎo)致突發(fā)問題頻繁出現(xiàn);針對特 殊地層中可能出現(xiàn)的施工風(fēng)險缺乏系統(tǒng)的綜合評價模型。
[0006] 隨著井筒深度的增加，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，在深厚軟巖地層特別是在洛河組砂 巖地層中凍結(jié)管斷裂問題頻繁發(fā)生，情況嚴(yán)重時會導(dǎo)致凍結(jié)施工無法進(jìn)行甚至淹井事故的 發(fā)生，危及工程安全，產(chǎn)生較大的社會和經(jīng)濟(jì)損失。此外，凍結(jié)壁設(shè)計厚度和掘進(jìn)段高的設(shè) 計不合理導(dǎo)致凍結(jié)壁變形過大甚至井壁開裂等問題，嚴(yán)重制約著凍結(jié)施工的安全高效進(jìn) 行，同時，也給凍結(jié)施工的風(fēng)險管理和災(zāi)害控制技術(shù)帶來了較大的難題。如何盡可能將施工 風(fēng)險降低到最低限度，及時發(fā)現(xiàn)問題及時解決，成為目前富水軟巖地層立井凍結(jié)施工需要 解決的核屯、問題之一。在深厚洛河組砂巖地層中采用凍結(jié)法開鑿井筒時，由于針對性的施 工經(jīng)驗不足，無法通過工程類比來確定凍結(jié)壁穩(wěn)定性、形成規(guī)律、平均溫度W及井筒掘進(jìn)段 高等參數(shù)。綜上所述，有必要開展施工安全評價W期為洛河組砂巖地層立井凍結(jié)施工安全 高效進(jìn)行提供理論依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種砂巖地層立井凍結(jié)施工安全監(jiān)控方法。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0009] -種砂巖地層立井凍結(jié)施工安全監(jiān)控方法，包括如下步驟：
[0010] S1、確定因素集:影響評判對象的各個因素構(gòu)成風(fēng)險因素集U，可表示為：
[0011] U={Ui} = {Ul，U2...，Un}
[001^ 式中，U功若干影響因素；
[0013] S2、確定評價集:對各因素進(jìn)行評判后得到風(fēng)險評價集V，可表示為：
[0014] V={vj} = (Vl，V2，...，Vm)
[001引式中= I，2，一m)為評判結(jié)果，通過模糊綜合評判，能夠從評價集V中獲得一 個最佳的評判結(jié)果；
[0016] S3、權(quán)重集的建立:確定單位權(quán)值，并對確定的權(quán)值進(jìn)行統(tǒng)計：
[0017] 將
的個數(shù)A記在第j行上，如第1行第5列的數(shù)值為32,表示有32個人認(rèn)為第 1個因素比第5個因素重要；
[001引將每一行上的數(shù)值相加得SA，然后求級差，令I(lǐng)： Amax對應(yīng)的W = 10，I： Amin對應(yīng)的W =1，則級差為：
[0020] 求權(quán)值Wi:
[0022] S4、單因素模糊綜合評價：
[0023] 設(shè)評價集中第j個元素 Vj的隸屬程度為ru，則評判因素集中第i個因素 Ui的單因素 評判集為：
[0024] R=(rii,ri2,--- ,Tin)
[0025] 式中，R為評價集V上的模糊子集；
[0026] 在此基礎(chǔ)上，得到R評判矩陣，即：
[0028] S5、確定模糊合成算子:該模型采用W下算法： ",
[0029] = v(0"八 V)，（ k=l，2,…P; 1=1，2,…m)
[0030] S6、模糊綜合評判：
[0031 ]確定因素權(quán)重集A和評判矩陣R后，即可得到模糊綜合評判集B，即：
[0033] 式中也(j = l，2,…m)為評判對象對評價集V中第j個元素的隸屬度。
[0034] S7、評價指標(biāo)分析：
[00對得到隸屬度bj后，利用最大隸屬度法，即把max (bj)相對應(yīng)的評價集Vj作為最終的 評判結(jié)果，對于一個確定的復(fù)雜系統(tǒng)，其影響因素往往可分成若干層次，為繼續(xù)求出目標(biāo)層 的綜合評價，必須進(jìn)行多級模糊綜合評判。
[0036]其中，還包括凍結(jié)壁最大位移的回歸計算，通過W下公式獲得：
[0038] 式中:Um為凍結(jié)壁最大徑向位移值(cm);D為凍結(jié)壁厚度(m) ;hd為開挖段高度(m) ;d 為開挖直徑(m); T為凍結(jié)壁平均溫度rC); e為自然對數(shù)的底數(shù)。
[0039] 本發(fā)明還確定了凍結(jié)壁厚度D與掘進(jìn)段高h(yuǎn)d的擬合公式為：
[0040] D = 0.0 597hd^+0.0616hd^-〇. 0909hd+0.7159；
[0041] 凍結(jié)壁厚度D與段高暴露時間t(min)的擬合公式為：
[0042] D = -2.16t^+3.24t^+6.66t+l. 0381 ；
[0043] 凍結(jié)壁厚度D與徑向變形量u(mm)的擬合公式為：
[0044] 0 = 399.29U-1'"機(jī)；
[0045] 凍結(jié)壁厚度D與平均溫度絕對值Tp的擬合公式為：
[0046] D = -0.03737；3+1.30517；2-19.1057；+61.682。
[0047] 本發(fā)明具有W下有益效果：
[0048] 根據(jù)凍結(jié)壁粘彈塑性理論，建立了洛河組砂巖地層凍結(jié)壁厚度與各影響因素的回 歸擬合計算公式；同時，考慮洛河組砂巖地層凍結(jié)壁溫度和厚度、井筒掘進(jìn)段高及地下水滲 流等因素對凍結(jié)壁受力和變形的影響，采用數(shù)值模擬方法，分析得出洛河組砂巖地層凍結(jié) 壁最大徑向位移計算公式，為洛河組砂巖地層立井凍結(jié)壁穩(wěn)定性研究提供了一定的理論支 撐;在對工程施工常用安全評價方法分析的基礎(chǔ)上，采用模糊數(shù)學(xué)理論，考慮凍結(jié)巖石強(qiáng) 度、凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)溫度、井筒掘進(jìn)段高、地下水滲流、凍結(jié)地層壓力、凍結(jié)管偏斜及停電 時間等主要風(fēng)險影響因素，提出了洛河組砂巖地層立井凍結(jié)施工安全綜合評判方法，對降 低建井成本、提高施工速度和豐富我國凍結(jié)鑿井理論等方面都具有一定的理論和現(xiàn)實意 義。
【具體實施方式】
[0049] 為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步 詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0050] 本發(fā)明實施例提供了一種砂巖地層立井凍結(jié)施工安全監(jiān)控方法，包括如下步驟：
[0051] S1、確定因素集:影響評判對象的各個因素構(gòu)成風(fēng)險因素集U，可表示為：
[0化2] U=化 i}=化1，化...，Un}
[0053] 式中，Ui為若干影響因素；
[0054] S2、確定評價集:對各因素進(jìn)行評判后得到風(fēng)險評價集V，可表示為：
[0055] V={vj} = (Vl，V2，...，Vm)
[0056] 式中，V^j = I，2,…m)為評判結(jié)果，通過模糊綜合評判，能