岩盐溶腔稳定性及失稳控制研究

【摘要】： 本文针对岩盐钻井水溶开采溶腔稳定性问题进行了详细研究，用三维有限元法分析了地应力场对溶腔稳定性的影响，用相似材料模拟试验研究了溶腔失稳的发生发展过程及围岩应力分布规律，用FLAC分析了溶腔的大变形问题，同时，将突变理论应用于溶腔稳定性分析，获得了符合现场实际的突变模型。 用3D-Sigma有限元数值分析计算程序，分析了不同采深、单溶腔开采和双溶腔开采时岩盐溶腔围岩的地应力场分布规律，获得了溶腔围岩中主应力场的分布规律，研究了溶腔内水压和双溶腔开采时溶腔顶板跨度对围岩应力场分布的影响。 相似材料模拟实验能定性反映溶腔顶板破坏的发生发展过程。随着采深和溶腔跨距的增加，溶腔围岩的压力峰值的大小及峰值点距溶腔边缘的距离也在不断增加，而溶腔的极限跨距则减小。当溶腔超过极限跨距，顶板垮塌后，溶腔上覆岩层将显现明显的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。 对于岩盐溶腔这种特殊的地下工程结构和围岩条件，溶腔围岩具有典型的非线性大变形特征，这些力学特征用常规的数值方法很难分析。本文采用的拉格朗日元法（FLAC）很好地解决了这一问题，使相关的水压作用、大变形以及溶腔的动态侧切过程等力学响应得到了合理的模拟与分析。 采用固支大变形圆板突变模型研究了单井溶腔顶板的稳定性，得出了溶腔顶板岩层失稳的必要条件。用平直梁尖点突变模型，并考虑了自重侧压压力及水平构造应力的综合作用力研究了连通井顶板的失稳突跳，得出了连通井顶板失稳的充要条件。采用固支梁－矿柱模型，研究了井组间矿柱的稳定性并分析了矿柱突跳失稳的释能机制。 地应力场的大小与方向，对溶腔稳定性影响较大。在连通井组开采，特别是水力压裂连通井组开采中，两井的连线最好与最大主应力方向一致。这样既有利于水力压裂裂隙的发展，也有利于连通后井组开采溶腔的稳定性。 岩盐开采后，溶腔内的水压力使溶腔围岩处于三向受力状态，同时水压对顶板也起到了很好的支撑作用。在一定范围内，溶腔内水压越高，溶腔越稳定。同时渗透水对顶板岩层的强度及稳定性的影响很大，因此，在开采时应尽量避免水渗透到顶板岩层，应留一定厚度的岩盐层保护顶板。