一种适用于深部地层的可缩性井壁接头及其施工方法

1.本发明涉及矿井建设领域，尤其是一种适用于深部地层的可缩性井壁接头。


背景技术：

2.自上世纪80年代以来，我国安徽两淮、江苏徐州、河南永夏、山东兖州和黑龙江东荣等矿区相继发生大量的立井井壁破裂事故(据统计，已达150多个)，轻者产生井壁混凝土开裂剥落、钢筋弯曲外露、立井井筒变形、涌水和卡罐等现象，重者造成井壁破裂、突水溃砂、淹井、工广地表沉降、地面建筑物开裂和矿井停产等重大安全事故，给煤矿带来巨大的经济损失，严重威胁着煤矿安全生产和职工人身安全。
3.现场观察表明，上述立井井壁破裂带均发生在表土层与风化基岩段的交界面附近，大多数在表土层底部含水层中，少数在风化基岩段中。根据立井井壁的破裂位置和形态，揭示了矿井生产运营期间的立井井壁破裂机理，即破裂井壁所穿过表土层的底部含水层直接覆盖在风化基岩段之上，缺乏隔水层，且与下伏煤系岩层有水力联系，随着矿井开采生产的疏排水，引起底部含水层水位下降，造成底部含水层固结压缩沉降，导致上覆地层随之沉降。由于地层疏水沉降产生作用于井筒之上的竖向附加力(负摩擦力)是造成立井井壁破裂的主要原因。
4.现有技术中，该井钻井井壁可缩接头结构形式为，采用弧形外圈支承侧向地压，内、外两立板圈承受竖向荷载，所采用的两种可缩接头结构形式如附图4～5所示；其存在以下不足：1)接头结构压缩后止水效果无法保证：接头压缩后容易漏水；2)对于深部地层适应性差：该接头结构承担的竖向承载力较小；3)施工便捷性差：对于各个钢板焊接质量的要求较高，因为需保证止水要求。


技术实现要素：

5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。
7.因此，本发明所要解决的技术问题是接头结构压缩后止水效果无法保证：接头压缩后容易漏水。
8.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种适用于深部地层的可缩性井壁接头，包括，接头上组件，包括上法兰盘、与所述上法兰盘连接的上焊接结构；接头下组件，包括下法兰盘、与所述下法兰盘连接的下焊接结构；所述上法兰盘与所述下焊接结构之间设置有第一支撑板，所述下法兰盘与所述下焊接结构之间设置有第二支撑板。
9.作为本发明所述适用于深部地层的可缩性井壁接头的一种优选方案，其中：所述上焊接结构为环形，包括与所述上法兰盘下表面连接的第一环状立板、与所述第一环状立板连接的第一环状水平板、与所述第一环状水平板连接的第一环状斜面，所述第一环状斜
面另一端连接至所述上法兰盘下表面。
10.作为本发明所述适用于深部地层的可缩性井壁接头的一种优选方案，其中：所述下焊接结构为环形，包括与所述下法兰盘上表面连接的第二环状立板、与所述第二环状立板连接的第二环状水平板、与所述第二环状水平板连接的第二环状斜面，所述第二环状斜面另一端连接至所述下法兰盘上表面。
11.作为本发明所述适用于深部地层的可缩性井壁接头的一种优选方案，其中：所述上法兰盘、上焊接结构围成的空间横截面为直角梯形形状；所述下法兰盘、下焊接结构围成的空间横截面为直角梯形形状。
12.作为本发明所述适用于深部地层的可缩性井壁接头的一种优选方案，其中：所述第一环状立板位于所述上法兰盘的下方，所述第二环状立板位于所述下法兰盘的上方，所述第二环状斜面与所述第一环状斜面平行。
13.作为本发明所述适用于深部地层的可缩性井壁接头的一种优选方案，其中：所述第一环状斜面靠近所述第二环状斜面的侧面上连接有一圈密封环，所述密封环表面为弧形。
14.作为本发明所述适用于深部地层的可缩性井壁接头的一种优选方案，其中：所述上法兰盘下表面与第二环状水平板之间设置有弧形板，所述弧形板整体为环形，所述弧形板的横截面为圆弧形。
15.作为本发明所述适用于深部地层的可缩性井壁接头的一种优选方案，其中：所述第一环状立板设置有第一注浆孔，所述第二环状立板设置有第二注浆孔。
16.作为本发明所述适用于深部地层的可缩性井壁接头的一种优选方案，其中：所述第一支撑板上设置有第一注入孔，所述第二支撑板上设置有第二注入孔。
17.作为本发明所述适用于深部地层的可缩性井壁接头的一种优选方案，其中：所述下法兰盘与所述第一环状水平板之间设置有内层立板，所述内层立板设置有沥青孔；所述内层立板为环形且直径小于所述第二支撑板的直径。
18.作为本发明所述适用于深部地层的可缩性井壁接头的一种优选方案，其中：所述下法兰盘连接有环形钢垫板，所述环形钢垫板内侧边缘设置有振捣孔。
19.作为本发明所述适用于深部地层的可缩性井壁接头的一种优选方案，其中：所述上法兰盘上表面连接有第一防水钢圈，所述环形钢垫板下表面连接有第二防水钢圈。
20.作为本发明所述适用于深部地层的可缩性井壁接头的一种优选方案，其中：适用于深部地层的可缩性井壁接头施工方法包括以下操作步骤：
21.s1：施工前准备，将第二防水钢圈焊接在环形钢垫板上，在施工井壁时将第二防水钢圈插入井壁中；
22.s2：将下法兰盘与环形钢垫板焊接起来，焊点设置在井筒内侧，向下法兰盘注入混凝土并通过振捣孔对混凝土进行振捣，再将下焊接结构与下法兰盘焊接完成，内层立板和第二支撑板一端焊接在下法兰盘上；
23.s3：将第一支撑板一端焊在第二环状水平板，将上焊接结构、第一防水钢圈与上法兰盘焊接完成，把密封环焊接在第一环状斜面上，将第一支撑板、第二支撑板、内层立板的另一端与上部的接头上组件焊接完成；
24.s4：将弧形板一端焊接在上法兰盘上，另一端焊接第二环状水平板；
25.s5：各部结构组装完成，通过沥青孔两个贯通的第一注入孔、第二注入孔将热沥青注入，再通过两个混凝土注浆孔第一注浆孔、第二注浆孔将混凝土浆液注入到上焊接结构和下焊接结构中；
26.s6：向上法兰盘中注入混凝土并通过振捣孔振捣完成，在浇筑上部井壁，将第一防水钢圈插入井壁中。
27.本发明的有益效果：
28.1)本发明通过在井壁竖向设置若干个可缩性接头，可以有效降低竖向作用在井壁上的竖向附加力，确保井壁结构的安全性，现场试验结果表明，在高竖向荷载作用下，可缩性井壁接头具有良好的竖向可缩性、很高的卸压能力、可靠的防水能力。该技术的实施，有效的防止井壁结构因为竖向力作用而发生的破坏，节省了井壁结构的后期维护费用，保证了煤矿开挖的安全进行。
29.2)本发明在结构压缩后仍具有较高止水效果，通过对内部结构的优化设计和材料物理力学特性的应用，保证了可缩性结构在压缩变形后的止水效果。
30.3)本发明可以适用于竖向压力较大的深部井壁结构，通过对内部结构的优化设计和材料物理力学特性的应用，提高了可缩性接头结构的竖向极限承载能力。
31.4)本发明对施工焊接的质量要求较低，通过对内部结构的优化设计和材料物理力学特性的应用，降低了对结构焊接质量的要求。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
33.图1为本发明提供的一种实施例所述的适用于深部地层的可缩性井壁接头的横截面结构示意图；
34.图2为本发明提供的一种实施例所述的适用于深部地层的可缩性井壁接头中破坏后可缩性井壁接头截面；
35.图3为本发明提供的一种实施例所述的适用于深部地层的可缩性井壁接头中环形钢垫板的结构示意图；
36.图4为本发明提供的一种实施例所述的a方案的结构示意图；
37.图5为本发明提供的一种实施例所述的b方案的结构示意图。
具体实施方式
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
39.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
40.其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表
示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
41.再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
42.实施例1
43.参照图1～3，本实施例提供了一种适用于深部地层的可缩性井壁接头，包括接头上组件100和接头下组件200，接头上组件100和接头下组件200组成一个可缩性井壁接头，整体为环形；其中，接头上组件100包括上法兰盘101、与上法兰盘101连接的上焊接结构102，上法兰盘101环形盘，上焊接结构102也为环形；接头下组件200，包括下法兰盘201、与下法兰盘201连接的下焊接结构202，法兰盘201为环形盘，下焊接结构202也为环形；上法兰盘101与下焊接结构202之间设置有第一支撑板103，下法兰盘201与下焊接结构202之间设置有第二支撑板203，第一支撑板103与第二支撑板203为环形圈，连接方式采用焊接。
44.进一步的，上焊接结构102为环形，包括与上法兰盘101下表面连接的第一环状立板102a、与第一环状立板102a连接的第一环状水平板102b、与第一环状水平板102b连接的第一环状斜面102c，第一环状斜面102c另一端连接至上法兰盘101下表面，第一环状立板102a焊接在上法兰盘101的内边缘，且轴线垂直于上法兰盘101，第一环状水平板102b平行于第一环状立板102a焊接。
45.相对应的，下焊接结构202为环形，包括与下法兰盘201上表面连接的第二环状立板202a、与第二环状立板202a连接的第二环状水平板202b、与第二环状水平板202b连接的第二环状斜面202c，第二环状斜面202c另一端连接至下法兰盘201上表面，即第二环状立板202a一端焊接在下法兰盘201的外侧边缘，第二环状水平板202b平行于下法兰盘201。
46.其中，上法兰盘101、上焊接结构102围成的空间横截面为直角梯形形状；下法兰盘201、下焊接结构202围成的空间横截面为直角梯形形状，即第二环状斜面202c和第一环状斜面102c竖直横截面即不水平也不垂直，其为倾斜的，倾斜的角度优选为与水平面夹角为45～60
°
之间。第一环状斜面102c与第二环状斜面202c为锥形的面，第一环状斜面102c与上法兰盘101接触的一端直径大于其与第一环状水平板102b连接的一端，第一环状斜面102c与第二环状斜面202c结构一致。
47.应当说明的是，第一环状立板102a位于上法兰盘101的内侧，第二环状立板202a位于下法兰盘201的外侧，第二环状斜面202c的竖直横截面与第一环状斜面102c的竖直横截面平行。
48.较佳的，第一环状斜面102c靠近第二环状斜面202c的侧面上连接有一圈密封环300，密封环300表面为弧形，其中密封环300为铜制，因为铜制的材料相对于钢制的比较软；当接头出现较大的纵向载荷时，接头上组件100和接头下组件200收缩，第一环状斜面102c上的密封环300与第二环状斜面202c接触并挤压，使密封环300与第二环状斜面202c紧密接触形成能够防水的密封环。
49.进一步的，上法兰盘101下表面与第二环状水平板202b之间设置有弧形板400，弧形板400整体为环形，弧形板400的横截面为圆弧形，弧形板起着加厚竖向立板圈的作用。
50.进一步的，第一环状立板102a设置有第一注浆孔102d，第二环状立板202a设置有
第二注浆孔202d，用于混净土注浆。第一支撑板103上设置有第一注入孔103a，第二支撑板203上设置有第二注入孔203a，用于通过沥青的注入。
51.较佳的，下法兰盘201与第一环状水平板102b之间设置有内层立板500，内层立板500设置有沥青孔501；内层立板500为环形且直径小于第二支撑板203的直径，沥青孔501同于注入沥青。
52.其中，下法兰盘201连接有环形钢垫板600，环形钢垫板600内侧边缘设置有振捣孔601，用于对内部的混凝土振捣。
53.进一步的，上法兰盘101上表面连接有第一防水钢圈700，环形钢垫板600下表面连接有第二防水钢圈800，用于安装在井壁内，均起到防水的作用。
54.本实施例通过在井壁竖向设置若干个可缩性接头，可以有效降低竖向作用在井壁上的竖向附加力，确保井壁结构的安全性，现场试验结果表明，在高竖向荷载作用下，可缩性井壁接头具有良好的竖向可缩性、很高的卸压能力、可靠的防水能力。该技术的实施，有效的防止井壁结构因为竖向力作用而发生的破坏，节省了井壁结构的后期维护费用，保证了煤矿开挖的安全进行，在结构压缩后仍具有较高止水效果，通过对内部结构的优化设计和材料物理力学特性的应用，保证了可缩性结构在压缩变形后的止水效果；可以适用于竖向压力较大的深部井壁结构，通过对内部结构的优化设计和材料物理力学特性的应用，提高了可缩性接头结构的竖向极限承载能力。
55.实施例2
56.参照图1～5，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，且与上一个实施例不同的是：
57.为了了解可缩性井壁接头受力全过程的力学与防水性能，本实施例提供的接头与现有技术中两种接头分别采用以下加载模型：(1)竖向荷载作用下,可缩接头模型竖向变形特性试验；(2)侧向荷载作用下,可缩接头模型强度试验(平面应变)；(3)三轴荷载作用下,可缩接头模型强度试验。
58.其中，设定图4为方案a，图5为方案b，本申请为方案c。
59.本实施例中的接头与现有技术的两种接头模拟相似条件，首先得出如表1所示的竖向加载可缩性接头模型试件尺寸，该试验在2000kn长柱式压力机上进行,模型尺寸受制于压力机加压板面积,故可缩性模型尺寸几何相似比选用cl＝15。
60.表1
[0061][0062]
表2为侧向加载可缩性接头钻井井壁模型试件主要参数，该试验是将可缩性接头焊在上、下段普通双层钢板混凝土复合井壁中部(上、下段普通双层钢板混凝土复合井壁也
按相同缩比模拟)组成可缩性钻井井壁结构。模型材料采用a3钢板和c60混凝土。模型试件的几何缩比为：cl＝6700/925＝7.243。
[0063]
表2
[0064][0065]
表3为三轴加载可缩性接头钻井井壁模型试件主要参数，模型采用与原材料相同的材料，模型试件的几何缩比为：cl＝6700/360＝18.611。
[0066]
表3
[0067][0068]
试验方法如下：
[0069]
(1)竖向加载试验：在加工好的模型试件的内、外主板圈和弧形板上沿圆周方向粘贴6片竖向电阻应变片，以测量模型试件在加载过程中的应力情况；在其四周布置4个电阻式位移计以测量模型试件的压缩量，采用数据实时采集和处理系统测量数据；
[0070]
(2)侧向加载试验：试验在井壁高压加载装置中进行，竖向利用上紧螺杆进行刚性约束，侧向施加液压模拟均匀地压；采用分级稳压加载，每级稳压10～20min，采集数椐后，进行下一级加载，直至试件破坏，在试件可缩接头处对称布置4个竖向电阻式位移计用于量测试件竖向变形特性；在上、下段井壁的内、外缘中间可缩接头的弧板和内立圈上沿圆周方向分别粘贴6片电阻应变花，用于量测试件结构在加载进程中的应力应变；
[0071]
(3)三轴加载试验：该试验在井壁结构三轴高压加载装置中进行；首先，将试件装入加载装置中，然后放在长柱式压力机上，其中油压模拟水平地压，压力机施加于井壁试件端面的压力模拟井壁实际承受的竖向荷载；试验首先按竖压：侧压为2：1的比例加载，当侧压值达到地压设计值时，固定侧压不变，再分级稳定增加竖压直至可缩接头压缩到极限为止。
[0072]
表4为其竖向变形压缩率荷载：
[0073]
表4
[0074]
可缩接头方案竖向压缩量/mm竖向压缩率/％b18.2130.4c19.8433.1
[0075]
表4表明，方案c的可缩接头方案具有较大的竖向变形压缩率,可有效地衰减井壁竖向附加力，且较方案b有较大的提升效果，竖向压缩量和竖向压缩率均有较大的进步。
[0076]
表5为三轴加载可缩性井壁模型试验结果：
[0077]
表5
[0078][0079]
由表5看出，方案c即本实施例可缩接头的压缩率要明显大于方案b。
[0080]
表6为三轴加载可缩接头模型试件临界荷载试验结果：
[0081]
表6
[0082][0083]
由表6可知，相对于a、b两个方案，本申请的竖向临界荷载、井壁混凝土竖向应力均大于a、b两个方案，且接头压缩破坏后侧压力到18.4mpa不漏油，密封效果提升很明显。本实施例的接头比a、b两个方案更加安全可靠。
[0084]
然后对抗测压能力和防水性进行测试，表7为侧向加载可缩性钻井井壁试验结果，其中，可缩接头的防水性可由侧压加载和三轴加载试验结果分别加以说明，表7表明,在侧压作用下，直至可缩接头上下节井壁破坏，可缩接头均没出现漏油现象：
[0085]
表7
[0086][0087][0088]
由表7可知，方案c即本申请，对于防水性能的测试，明显优于b方案，因为接头收缩时，第一环状斜面102c上的密封环300与第二环状斜面202c接触并挤压，使密封环300与第二环状斜面202c紧密接触形成能够防水的密封环。
[0089]
现场试验结果表明，在高竖向荷载作用下，可缩性井壁接头具有良好的竖向可缩性、很高的卸压能力、可靠的防水能力，通过对内部结构的优化设计和材料物理力学特性的应用，保证了可缩性结构在压缩变形后的止水效果，通过对内部结构的优化设计和材料物理力学特性的应用，提高了可缩性接头结构的竖向极限承载能力。
[0090]
实施例3
[0091]
参照图1～3，为本发明第三个实施例，该实施例基于第一个实施例，且与上一个实施例不同的是：
[0092]
一种适用于深部地层的可缩性井壁接头施工方法包括以下操作步骤：
[0093]
s1：施工前准备，将第二防水钢圈800焊接在环形钢垫板600上，在施工井壁时将第二防水钢圈800插入井壁中；
[0094]
s2：将下法兰盘201与环形钢垫板600焊接起来，焊点设置在井筒内侧，向下法兰盘201注入混凝土并通过振捣孔601对混凝土进行振捣，再将下焊接结构202与下法兰盘201焊接完成，内层立板500和第二支撑板203一端焊接在下法兰盘201上；
[0095]
s3：将第一支撑板103一端焊在第二环状水平板202b，将上焊接结构102、第一防水钢圈700与上法兰盘101焊接完成，把密封环300焊接在第一环状斜面102c上，将第一支撑板103、第二支撑板203的另一端与上部的接头上组件100焊接完成；
[0096]
s4：将弧形板400一端焊接在上法兰盘101上，另一端焊接第二环状水平板202b；
[0097]
s5：各部结构组装完成，通过沥青孔501两个贯通的第一注入孔103a、第二注入孔203a将热沥青注入，再通过两个混凝土注浆孔第一注浆孔102d、第二注浆孔202d将混凝土浆液注入到上焊接结构102和下焊接结构202中；
[0098]
s6：向上法兰盘101中注入混凝土并通过振捣孔601振捣完成，在浇筑上部井壁，将第一防水钢圈700插入井壁中。各部件采用焊接技术进行连接，接头设置在井筒内层井壁居多。
[0099]
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
[0100]
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
[0101]
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
[0102]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。