关键词：
反井钻井
竖井
全断面开挖
风险评估
围岩监测
摘要：
井筒作为地下工程中的关键基础设施,在煤矿、金属矿山、非金属矿山、水利水电、蓄能电站、公/铁路隧道等多行业发挥着不可替代的作用。反井钻井法因其全断面、滚压破岩的机械化凿井方式,具有出渣便捷、成井速度快、作业人员少、机械破岩围岩扰动小等优势,在各行业竖井工程中得到了广泛应用。然而,现有反井钻井技术在大直径竖井建设中仍面临诸多挑战,如地质灾害感知预警不足、支护工艺不完善等,亟需系统性的风险评估与监测技术。
本研究围绕“反井钻井施工风险精准评估与有效监测”这一关键科学问题,首先,梳理了反井钻井施工活动和风险因素,建立了反井钻井项目的动态风险评价模型,明确了控制性施工活动和主要风险;其次,提出了大直径反井钻井地质灾害风险评估方法,具体面向挤压变形和岩爆两类灾害,分别构建了灾害预测模型,并验证了模型的应用效果;第三,形成了大直径反井钻井稳定性控制及协同支护计算方法,综合考虑地层冻结改性和锚喷支护作业,讨论了井筒围岩承载力及协同支护关系。最后,面向工程实际,开展了反井钻井围岩监测与控制实例研究,形成了大直径反井钻井围岩稳定性监测方案,研发了反井扩孔随钻喷浆支护工艺及装备,并完成工业性试验。本论文主要研究内容和成果如下:
(1)以梳理反井钻井施工活动与风险源、评估风险影响程度为目标,首先,采用工作分解结构-风险分解结构(WBS-RBS)分析方法,将反井钻井施工过程划分为反井钻井施工准备、反井导孔钻进施工和反井扩孔钻进施工3个主要施工阶段,以及机械设备、人员操作、项目管理和地质环境4类主要风险,进一步梳理了合计11项主要施工活动和42项细分风险源,构建了WBS-RBS耦合矩阵;其次,分别面向3个主要施工阶段,建立了3个动态风险分析贝叶斯模型,完成了动态贝叶斯模型的拓扑结构构建、风险节点先验条件概率赋值和转移条件概率计算;最后,基于已建立的模型,分析了各类风险对反井钻井施工的影响程度,明确了反井扩孔作业为控制性施工活动,应具备对地质灾害风险的评估预警能力和对井帮围岩的稳定性控制手段。
(2)以实现地质灾害风险的评估预警为目标,首先,基于(1)中已建立的动态风险分析贝叶斯模型,分析评价灾害预警对反井作业风险的积极影响,并确定具体研究对象为软岩地层易发生的围岩挤压灾害和硬岩地层易发生的岩爆灾害;其次,针对围岩挤压风险评价问题,提出了基于条件表格生成对抗网络(CTGAN)和深度随机森林(DRF)的评估模型,有效解决了数据不足和类别不平衡的问题,通过对比分析,该模型的预测准确率达到92.86%,宏观F1分数达到0.9292,模型表现显著优于传统机器学习模型;最后,针对短期岩爆风险评价问题,提出了基于微震监测数据的短期岩爆风险评估模型,采用局部异常因子引导的合成少数类过采样(LOF-SMO)和极度随机森林与C5.0决策树(C5.0DT-ERF)的混合建模方法。该模型准确率达到90.91%,宏观F1分数达到0.9141,对低强度和高强度岩爆均具有较高的预测可靠性。
(3)以明确地质灾害风险的控制策略为目标,首先,基于(1)中已建立的动态风险分析贝叶斯模型,分析评价灾害控制措施对反井作业风险的积极影响,并确定具体研究对象为反井扩孔井帮围岩的稳定性控制;其次,建立了考虑冻结区影响的井筒开挖扰动应力场分析模型,提出了同时考虑支护强度与支护时机的冻结井筒围岩稳定性控制分析方法。研究结果表明,冻结加固系数、支护力和支护时机对井筒围岩稳定性具有显著影响。通过有限离散元耦合(FDEM)方法的数值模拟计算和理论分析,揭示了冻结加固系数、支护力和支护时机之间的协同控制条件,为大直径反井钻井施工的井帮稳定性控制和协同支护作业提供了理论支撑。
(4)以提出反井钻井工程切实可用的围岩监测与随钻支护技术为目标,首先,提出了钻孔式+固定式测斜仪组合的大直径反井钻井围岩监测方法,探究了井筒掘进区域应力效应、扩孔钻进扰动效应及其演化规律,形成了大直径反井钻机钻井围岩稳定性监测方案。依托直径5.0m、垂深约250m的实际反井钻井工程,采用BK-X01A固定式测斜仪采集围岩变形数据,完成2个定向钻孔22套监测传感器布置和数据分析;其次,考察总结了3项反井扩孔阶段井筒局部破坏特征,提出了反井扩孔随钻喷浆支护工艺,包含8个核心步骤。研发了一套适配于BMC600型反井钻机的反井扩孔随钻喷浆支护装备,开展了关键工艺参数试验,确定了最优工艺参数。依托直径6.0m、垂深77m的实际反井钻井工程,完成了工业性试验。
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