不同軟弱夾層對地質(zhì)鉆探孔壁圍巖的穩(wěn)定性影響分析

閆曉龍

摘要：含軟弱夾層的鉆孔孔壁穩(wěn)定性是制約鉆探的關(guān)鍵問題，其穩(wěn)定性的制約因素眾多。在分析圓孔彈塑性理論的基礎(chǔ)上，建立軟弱夾層三維鉆孔模型，采用摩爾-庫倫判別準(zhǔn)則，研究不同地質(zhì)鉆孔孔徑、軟弱夾層傾角、厚度以及其彈性模量、內(nèi)聚力和泊松比條件下，孔周的圍巖穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律。結(jié)果表明：（1）完整圍巖（軟弱夾層厚度0 m）明顯高于含軟弱夾層孔壁的穩(wěn)定性系數(shù);（2）孔壁的穩(wěn)定性隨孔徑大小增加而降低，隨軟弱夾層傾角和厚度的增加而降低;（3）孔壁的穩(wěn)定性隨泊松比的增加而降低，隨彈性模量和內(nèi)聚力的增加，變化規(guī)律則相反，穩(wěn)定性系數(shù)對泊松比、內(nèi)聚力、彈性模量的靈敏性依次降低。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)鉆探;軟弱夾層;孔壁;圍巖穩(wěn)定性

中圖分類號：TD262

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0176-06

Analysis of different weak interlayers on the stability influence of geological drilling hole

YAN Xiaolong

（Shaanxi Railway Engineering Survey Co.， Ltd.， Xi'an 710014， China

）

Abstract：The stability of drilling holes wall with weak interlayers is the key issue to restrict geological drilling， and the stability is restricted by many factors. Based on the analysis of the elastic-plastic theory of circular hole， this paper establishes a three-dimensional borehole model of weak intercalation， and uses the Moore-Coulomb criterion to study the variation law of stability coefficient of surrounding rock under the conditions of different geological borehole diameter， dip angle and thickness of weak intercalation， as well as its elastic modulus， cohesion and Poisson's ratio. The research results show that （1） the stability coefficient of the intact surrounding rock （the thickness of weak interlayer is 0 m） is significantly higher than that of the hole wall with weak interlayer; （2） the stability of the hole wall decreases with the increase of the diameter of the hole， and decreases with the increase of the dip angle and thickness of the weak interlayer; （3） the stability of the hole wall decreases with the increase of Poissons ratio， and the change law is opposite with the increase of the elastic modulus and cohesion. The sensitivity of stability coefficient to Poissons ratio， cohesive force and elastic modulus decreased successively.

Key words：geological drilling; weak interlayer; hole wall; surrounding rock stability

在工程地質(zhì)鉆探過程中，鉆孔的穩(wěn)定性問題是巖土工程中關(guān)注的問題之一，直接關(guān)系到鉆探精度和取芯質(zhì)量。在天然狀態(tài)下，自然巖土層的初始應(yīng)力和孔隙壓力的共同作用下，處于平衡狀態(tài);而鉆孔取樣對土層的卸荷作用，使得鉆孔壁失去原有的支持，取而代之的是孔內(nèi)泥漿靜水原理，孔壁的應(yīng)力發(fā)生重新分布。在圍巖作用下，孔壁的應(yīng)力短時(shí)間內(nèi)無法達(dá)到平衡狀態(tài)，當(dāng)孔壁的巖土體的強(qiáng)度不足以抵抗集中的應(yīng)力，將出現(xiàn)孔壁失穩(wěn)現(xiàn)象，使得孔內(nèi)巖土固體顆粒被擾動和懸浮移位，造成擴(kuò)孔、卡孔、埋鉆等危害，為孔內(nèi)測試工作帶來不利影響，甚至廢孔，使得鉆孔周期增長、鉆探成本增加。

有學(xué)者對破碎地層的鉆探施工進(jìn)行研究，提出采用LBM沖洗液體系提高孔壁穩(wěn)定性的措施[1];研究直井和斜井兩種工況條件下巖石軟弱面產(chǎn)狀對井壁穩(wěn)定性的影響，并給出相應(yīng)的研究成果[2];采用數(shù)值模擬的手段對鉆孔周圍的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，并考慮鉆孔暴露時(shí)間和上覆土壓力等因素的影響[3];研究了軟弱巖層的流變性對鉆孔孔壁的穩(wěn)定性的影響，指出軟弱巖層的埋深和厚度會加劇孔壁的失穩(wěn)[4-11]。由此可知，現(xiàn)階段對鉆孔壁穩(wěn)定性研究主要集中在處理手段、軟弱圍巖的工程性質(zhì)方面，而對于地質(zhì)鉆孔大小、軟弱圍巖傾角、厚度以及其力學(xué)性質(zhì)對孔壁穩(wěn)定的系統(tǒng)定量研究有待深入。966EFE25-E08C-4BF2-B537-570FA76483A6

本文在分析圓孔彈塑性理論的基礎(chǔ)上，建立軟弱夾層三維鉆孔模型，采用摩爾-庫倫判別準(zhǔn)則，研究在不同地質(zhì)鉆孔孔徑、軟弱夾層傾角、厚度以及其彈性模量、內(nèi)聚力和泊松比條件下，孔周的圍巖穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律，以期為含有軟弱夾層轉(zhuǎn)孔的穩(wěn)定性、安全性評價(jià)和地質(zhì)鉆孔防縮孔、擴(kuò)孔、塌孔方案的確定提供參考。

1軟弱夾層對孔壁穩(wěn)定性影響的彈塑性理論

鉆孔彈性力學(xué)分析模型，具體如圖1所示。

如圖1所示，假設(shè)地層為彈性半無限空間體，且各向同性;忽略地下水和孔內(nèi)泥漿的滲透作用;鉆孔為垂直、圓形孔洞，其深度遠(yuǎn)大于孔徑;認(rèn)為初始應(yīng)力分布均勻，圍巖體內(nèi)任意一點(diǎn)側(cè)向應(yīng)力系數(shù)均相等。根據(jù)彈性理論可以求解鉆孔壁應(yīng)力分布：

2數(shù)值模型的建立

為研究軟弱夾層圍巖體的力學(xué)行為，將軟弱圍巖的力學(xué)參數(shù)與周圍正常硬質(zhì)圍巖區(qū)分開，巖體的力學(xué)參數(shù)的選取參考文獻(xiàn)[10]、文獻(xiàn)[11]，結(jié)果如表1所示。

考慮模擬的可操作性和含夾層地層“上下硬、中間軟”的特性，采用巖土有限元分析軟件MIDAS GTS建立鉆孔和地層三維數(shù)值模型，具體如圖2所示。為避免邊界效應(yīng)和反映模型的變形和受力規(guī)律，整體模型選取為150 m×50 m×50 m，其中軟弱夾層為水平分布，厚度為2.0 m，位于這個(gè)模型的最中間位置;地質(zhì)鉆孔位于模型最中心，為絕對垂直和絕對圓形轉(zhuǎn)孔，孔徑為91 mm。除孔口表面為自由表面外，其余表面約束條件均為固定約束。模擬時(shí)，忽略暴露時(shí)間、地下水和泥漿液滲流、水溫度等因素對分析的影響。

3數(shù)值模擬成果分析

3.1孔徑大小對孔壁穩(wěn)定性的影響

為考慮鉆孔孔徑對軟弱夾層孔壁穩(wěn)定性的影響，僅改變鉆孔孔徑參數(shù)，軟弱夾層傾角為0°（軟弱夾層傾角定義如圖7所示），地層特征參數(shù)保持不變，分別設(shè)置《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程》（JGJT 87—2012）[12]中常用的地質(zhì)鉆孔孔徑，即91、110、130、150 mm，模擬結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，無論何種鉆孔直徑，由于模擬力學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)的對稱性，導(dǎo)致其孔周不同位置處的穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)軸對稱的規(guī)律。隨著孔徑的增加，軟弱夾層孔壁的穩(wěn)定性系數(shù)也逐漸降低，這是由于孔直徑的增加，加大了土體的取出量和對原位土體的擾動程度，因此軟弱夾層土體的受到擾動后的塑性區(qū)范圍變大，抗剪強(qiáng)度變低。最后使得其穩(wěn)定性系數(shù)降低。

由于孔周穩(wěn)定系數(shù)的軸對稱性，因此選取孔周角分別為0°、30°、60°、90°的穩(wěn)定系數(shù)分析，具體如圖4所示。

從圖4可以看出，在孔周角0°～90°內(nèi)，隨著鉆孔孔徑和孔周角的增加，軟弱夾層孔壁的穩(wěn)定性系數(shù)呈擬線性下降規(guī)律。

3.2軟弱夾層厚度對孔壁穩(wěn)定性的影響

為考慮軟弱夾層厚度對孔壁穩(wěn)定性的影響，僅通過軟弱夾層的厚度，分別設(shè)置為0（完整圍巖）、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0 m，軟弱夾層傾角為0°，地層其余特征參數(shù)保持不變，模擬結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5可以看到，完整圍巖（軟弱夾層厚度0 m）明顯高于含軟弱夾層孔壁的穩(wěn)定性系數(shù)。隨著孔周角的變化，完整圍巖和含軟弱夾層孔壁的穩(wěn)定性系數(shù)均呈現(xiàn)軸對稱規(guī)律，但前者的變化幅度顯著大于后者。隨著軟弱夾層厚度的變大，鉆孔孔壁的穩(wěn)定性逐漸降低，甚至在軟弱夾層厚度等于10.0 m時(shí)，孔壁的穩(wěn)定系數(shù)小于1.0，孔壁出現(xiàn)坍塌，鉆孔孔周不同位置的穩(wěn)定性系數(shù)也逐漸趨于一致; 在圖6中可以得到相同結(jié)論。

3.3軟弱夾層傾角對孔壁穩(wěn)定性的影響

為考慮軟弱夾層傾角對孔壁穩(wěn)定性的影響，設(shè)置軟弱夾層厚度為2.0 m，傾角分別設(shè)置為0°、30°、60°、90°，結(jié)果如圖7所示。地層其余特征參數(shù)保持不變，并采用完整圍巖（軟弱夾層厚度為0 m）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。

由圖8可知，與圖5類似，完整圍巖（軟弱夾層厚度0 m）明顯高于含軟弱夾層孔壁的穩(wěn)定性系數(shù)，隨著孔周角的變化，完整圍巖和含軟弱夾層孔壁的穩(wěn)定性系數(shù)均呈現(xiàn)軸對稱變化，但前者的變化幅度顯著大于后者。隨著軟弱夾層傾角的變大，鉆孔孔壁的穩(wěn)定性逐漸降低，當(dāng)軟弱面傾角增加到某個(gè)數(shù)值時(shí)，分布于最小水平主應(yīng)力方向的軟弱面的穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，表現(xiàn)為孔周的最小穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)“拔尖”情況。

從圖9中也可以看到，在孔周角為90°、軟弱夾層傾角為60°時(shí)，孔壁的穩(wěn)定系數(shù)開始增加。綜上所述，孔壁的穩(wěn)定性與軟弱夾層的傾角密切相關(guān)，對于小傾角的孔壁穩(wěn)定性系數(shù)甚至可以達(dá)到高傾角的2.0倍以上。

3.4軟弱夾層力學(xué)參數(shù)對孔壁穩(wěn)定性的影響

軟弱夾層的力學(xué)參數(shù)與孔壁的穩(wěn)定性息息相關(guān)，對影響其力學(xué)性質(zhì)最為重要的3個(gè)指標(biāo)：內(nèi)聚力c、彈性模量E、泊松比μ進(jìn)行控制指標(biāo)的方法進(jìn)行研究。指標(biāo)控制結(jié)果如表2所示，地層其余特征參數(shù)和鉆孔參數(shù)保持不變。

軟弱夾層孔壁穩(wěn)定系數(shù)模擬結(jié)果如圖10所示。從圖10可看出，隨著泊松比的增加，軟弱夾層孔壁穩(wěn)定系數(shù)最大值和最小值都呈下降趨勢;而隨著彈性模量和內(nèi)聚力的增加，則恰好相反。

4結(jié)語

（1）完整圍巖（軟弱夾層厚度0 m）明顯高于含軟弱夾層孔壁的穩(wěn)定性系數(shù)，隨著孔周角的變化，完整圍巖和含軟弱夾層孔壁的穩(wěn)定性系數(shù)均呈現(xiàn)軸對稱的變化規(guī)律，但前者的變化幅度顯著大于后者;

（2）孔壁的穩(wěn)定性與孔徑大小和軟弱夾層傾角、厚度緊密相關(guān)，隨孔徑大小增加而降低，隨軟弱夾層傾角和厚度的增加而降低，當(dāng)軟弱面傾角增加到某個(gè)數(shù)值時(shí)，分布于最小水平主應(yīng)力方向的軟弱面的穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng);

（3）力學(xué)參數(shù)是影響孔壁穩(wěn)定的最主要因素，孔壁的穩(wěn)定性隨泊松比的增加而降低，隨彈性模量和內(nèi)聚力的增加，變化規(guī)律則相反，穩(wěn)定性系數(shù)對泊松比、內(nèi)聚力、彈性模量的靈敏性依次降低。966EFE25-E08C-4BF2-B537-570FA76483A6

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