油页岩原位开采防渗墙技术方案1

来源：99网

分类号：单位代码：10183

学号：密级：

吉林大学学士学位论文

油页岩原位开采防渗墙技术方案

Design of Cut-off Wall Technique In Situ Mining of Oil Shale

作者姓名：尹相鹏

专业：勘察技术与工程指导教师：陈晨教授

培养单位：吉林大学建设工程学院

2011年 6 月

摘要 ........................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................... II 第1章绪论........................................................................................... 1

1.1 选题的背景 ................................................................................... 1 1.2 论文研究的目的 ........................................................................... 4 1.3 论文研究意义 ............................................................................... 4 1.4 论文的主要研究内容................................................................... 5 1.5 论文的研究路线 ........................................................................... 5 第2章防渗墙技术研究 .......................................................................... 7

2.1 概述 ............................................................................................. 7 2.2 设计前的准备工作..................................................................... 10 2.3 油页岩原位开采概述................................................................. 28 2.2 油页岩性质 ................................................................................. 31 2.3 油页岩原位开采技术................................................................. 33 第3章油页岩原位开采防渗墙技术方案 ............................................ 36

3.1 开挖导沟和修筑导墙................................................................. 36 3.2 泥浆 ............................................................................................. 37 3.3 槽段接头 ..................................................................................... 37 3.4 槽段设计 ..................................................................................... 38 3.5 防渗墙设计 ................................................................................. 40

第4章结论与展望 ................................................................................ 45

4.1 结论 ............................................................................................. 45 4.2 展望 ............................................................................................. 45 结束语 ....................................................................................................... 46 参考文献 ................................................................................................... 47 外文科技论文翻译 .................................................................................. 49

摘要

防渗墙技术是20世纪50年代发展起来的一种起挡土防渗作用的技术。现在，地下防渗墙已成为一种多功能的结构型式和施工技术，得到工程技术界的普遍重视，并取代了某些传统的深基础和深基坑的施工方法。因而对油页岩原位开采防渗墙作设计方案具有一定的现实意义。

本文通过理论联系实际的方法，阐述了防渗墙的理论计算和实际施工。对防渗墙发展的历史、研究现状和理论分析方法做了较为系统的论述；对防渗墙的槽段、接头、施工泥浆、内力位移以及防渗等级等计算方法进行了分析，指出可防渗等级进行稳定验算的方法对防渗墙的外部整体稳定性进行验算；而对防渗的内部稳定性则可通过极限平衡法进行验算.给出了外部稳定性验算和内部稳定性验算在当前工程中适用的相应公式。

论文以吉林农安油页岩原位开采为研究对象，针对该地区的工程地质特征、条件，进行防渗墙设计，并对其内力防渗等级进行稳定性分析和评价。

关键词：防渗墙设计；油页岩原位开采；

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Abstract

Cut—off wall was developed form the fifth of the twentieth century. Compared with traditional reinforcing techniques, Cut—off wall has the advantage of short installing period, low costs and easy fixing.

So Cut—off wall was widely used in support of the side slope. Thus the research for the cut off wall support has certain practical meanings.

Through the method of linking theory with practice, this paper focuses on the theoretical computation and practical construction of the Cut—off wall support systems and does more systematic exposition of the cut off wall the history of the development, research and theoretical analysis of the status quo approach. At the same time, analyzing the calculation method of Cut—off wall force and pointing out that in accordance with the gravity retaining wall stability in the method of checking the external stability of soil nail. While the internal stability of the soil nail can be through the limiting equilibrium method checking. Has given the exterior stable checking calculation and the internal stable checking calculation in the current project the suitable corresponding formula.

This paper as the Rose Valley of Changchun to study, according the engineering geological characteristics、conditions of the side slope to design cut off wall.

Key words: Cut—off wall design, Oil Shale

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第1章绪论

1.1 选题的背景

防渗墙技术是一项比较成熟的技术, 在水工建筑物中得到了广泛应用。近几十年来我国的防渗墙技术由最初的引进到吸收、发展、创新，初步形成了具有中国特色的防渗墙技术，达到满足防渗、变形、防裂及稳定性等要求。

随着国民经济的飞速发展，能源的需求量与日俱增，世界石油市场高油价时代已经来临。近年来，国际油价一直在60 美元/ 桶以上跌宕起伏，现今已经100美元/桶以上，在这种经济背景的制约下世界各国不得不开始积极寻找新技术开发新的替代能源，而油页岩就是替代的能源之一。因此油页岩生产成本在今天变得很经济，但是油页岩矿在原位开采前需要对矿区的周边做好防渗工作，以利于油页岩的原位开采[1-2]。因此，需要研究油页岩矿区的防渗墙设计。

目前我国已经探明的油页岩储量约315.67亿t，主要分布在吉林、辽宁、广东、山东、内蒙等近20个省区。吉林省的油页岩探明的储量约174.27亿t，占全国总量的55.5%，主要分布在农安、桦甸和汪青的罗子沟。吉林省农安县页岩矿区的大地构造单元属天山兴安地槽褶皱区。吉黑褶皱系, 松辽中断陷东南隆起之莺山-王府凹陷。矿区属于以嫩江组为核部的哈拉海向斜的一部分[3]。出露地层有中生界白垩系下统嫩江组和新生界第四系下更新统、中更新统和全新

统(图1-1) 。区域上嫩江组分布比较稳定，横向变化不大，主要沿第二松花江西南岸丘陵状台地出露，总体走向北西，倾向南西，分布长度大于20km。地层

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图1-1 农安油页岩矿区地质图第1章绪论

厚度200 - 400m，最厚699m。嫩江组上部为第四系覆盖。第四系下更新统白土山组(Q1b) 下部为含高岭土砂砾石层，局部夹高岭土透镜体；中部为灰白色，灰黄色含高岭土的中粗砂层；上部为褐红色砂砾石、含砂砾卵石的亚粘土层。由于后期强烈隆起形成高台地，同时遭受强烈风化剥蚀作用，局部残留厚度16m 左右。中更新统荒山组(Q2h) 在矿区内广泛分布，下部以灰白色、黄褐色细砂为主，底部为砂砾石层，层理发育；上部为黄褐色及棕黄色的黄土状粉砂土(黄土)，局部含砂、细砾，夹黑土层，厚15m 左右。第四系全新统(Q4) 为砂、砂砾石、亚粘土[2]。矿区内断裂构造不发育,仅在局部地段见有规模较小的正断层。矿床赋存于嫩江组第三段, 主要岩性为灰黑色含粉砂泥岩, 灰黑色粉砂质泥岩,其中夹灰白色含粉砂泥岩、粉砂岩薄层, 夹层厚度从几毫米至2cm。该处出露的嫩江组泥岩均为陶粒页岩矿石。矿石为灰黑色含粉砂泥岩及灰黑色粉砂质泥岩, 呈灰黑色, 泥质结构,块状构造, 主要由泥质、粉砂级碎屑矿物和少量的碳酸盐矿物、金属硫化物、有机质、碳质等组成。泥质成分质量分数占60%-70%,粉砂级碎屑主要由石英和少量长石组成,质量分数占20%-30%,粒径0.01-0.05mm,其它矿物占10%。矿体总体产状走向北西, 倾向南西, 倾角多在3- 5,最大为9。矿层分布稳定, 在垂向、水平方向变化甚小, 顶板围岩为第四系下、中更新统砂、砂砾石及黄土。至底部标高180m侵蚀基准面范围内均为矿层(图1-2)，平均厚度15m,平均容重为2.08g/ cm3[3-5]。

本文针对吉林省农安县油页岩赋存条件，结合已有的防渗墙技术，提出了针对吉林省油页岩原位开采的防渗墙设计。油页岩抗压、抗拉、抗剪切强度三者之间关系是σ压＞σ 拉＞σ 剪，单轴抗压强度一般为25MPa～30MPa。油页岩的硬度较炭质页岩硬度大。岩质页岩普氏硬度系数f=2-3，而油页岩普氏硬度系数f= 4.5。

但因普通混凝土弹模高出土石坝填筑料弹模100多倍乃至1000多倍，坝体受到渗透水压力和自身压缩固结的作用。不可避免地产生较大的变形，因其弹模的巨大差异及变形的不协调性，会使防渗墙承受巨大的拉力而导致混凝土防渗墙遭受破坏。因此，普通混凝土防渗墙不太适用于土石坝坝体防渗处理。20世纪60年代，国外通过对普通混凝土掺加一定量黏土或膨润土的改性，来替代普通混凝土中的大部分水泥，出现了塑性混凝土(其弹模小1000MPa，抗压强度低

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第1章绪论

5MPa)，并开始应用于土石坝坝体的防渗处理, 引起了国际大坝工程界的高度关注。80年代中后期, 我国开始塑性混凝土研究，并在一些临时围堰及低坝坝体中应用，但因水泥用量过于偏少，对坝体使用运行过程中的耐久性心存疑虑，未被业内人士普遍认同。近20年来，随着我国混凝土防渗墙施工技术的发展，为设计方案选择开扩了思路和提供了技术支撑，人们一直在摸索将其应用于大坝除险加固的防渗处理。浙江省提出了弹模与强度稍高于塑性混凝土的低弹模混凝土(其弹模小于10000MPa，抗压强度低于10MPa)，先后应用于20多座水库大坝除险加固处理中，并已成为土石坝病险水库坝体防渗处理最主要的措施之一。虽然浙江省近期大量采用低弹模混凝土防渗墙进行水库大坝除险加固处理，并取得了较好成效，但对防渗墙的工作性态、低弹模混凝土材料的特性、配合比、弹强比、施工质量控制及检测等方面的认知程度还有限，仍需在工程中作进一步研究和实践。露天采矿工业是近代工业迅速发展的基础,其开采的矿物已占世界矿物产量的75%以上，由于我国矿产资源的自然条件和矿业开发的历史原因，国内露天矿的发展与国外同类矿山相比还存在着较大差距, 为了振兴我国矿业，提高矿山企业的生存能力和竞争能力，必须客观地分析和掌握国内露天矿现状，跟踪国际矿业发展方向，依靠科技进步和技术创新，强化技术开发，逐步缩小与国外矿山的差距，克服自身的薄弱环节，促进我国矿业的持续发展。建国以来，我国冶金矿山得到了空前的发展，取得了令人瞩目的成绩，为国民经济的发展提供了有力的物资保障, 做出巨大贡献，而在新的历史条件下，它们却面临着重大困难，主要表现为以下几方面。矿床中贫矿多、富矿少、赋存状况差。据统计，我国保有铁矿资源总储量为496 亿t ，平均品位为3216 %，贫矿占98 %。其中工业储量为252 亿t，平均品位为3410 % ，比世界平均品位低12 个百分点，而且目前可供利用的储量仅为200 多亿t ，占总储量的48124 %，其赋存状态为急倾斜，倾向延深大，走向长度小，图1-2所示[6-8]。

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第1章绪论

图1-2 农安县油页岩矿区勘探线剖面图

1.2 论文研究的目的

本文研究的目的是针对油页岩原位开采的现状，开展油页岩原位开采防渗墙技术方案的设计，包括防渗墙的导墙结构形式、槽段开挖的施工工艺和槽段长度、接头以及防渗墙的结构形式等。通过对吉林省油页岩矿区的工程地质条件，及油页岩原位开采的施工需要的调查研究，提出合理的油页岩原位开采防渗墙技术方案。

1.3 论文研究意义

通过深入的研究吉林油页岩地层条件和原位开采技术，最终提出油页岩原位开采的防渗墙技术方案，满足油页岩原位开采条件下的防渗要求，解决当前油页岩原位开采防渗的难题。混凝土防渗墙是深厚覆盖层上心墙堆石坝最常见的基础处理形式。有些工程在大坝基础防渗墙施工结束后，先对防渗墙基础的岩体进行帷幕灌浆，然后再填筑坝体，这种坝体在河床部位不设灌浆廊道；也有一些工程河床基础的帷幕灌浆量比较大，为加快施工进度，在防渗墙顶部专门设置灌浆廊道，帷幕灌浆安排在灌浆廊道里与大坝同步施工，灌浆廊道与防渗墙的连接方式有分离式和整体式两种。20 世纪，国外个别土石坝的基础防渗和灌浆廊道采用的就是分离式。近年来，国内如瀑布沟、跷碛、狮子坪等工程的灌浆廊

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第1章绪论

道与防渗墙采用了整体结构设计，灌浆廊道在河床范围内通常不设结构缝，为适应防渗墙在蓄水后的变形要求，只在与岸坡连接的部位设置了环向结构缝。混凝土防渗墙技术是水工建筑物基础防渗处理中常用和重要的工程措施之一,它具有防渗性能可靠、能适应各种不同地基条件、工效高、工期短、经济效益高等一系列的优点。因此,在坝基防渗处理中得到广泛的应用。近几年来,随着在深厚砂砾石覆盖层上建坝越来越普遍。特别是通过冶勒、下坂地等大型水电工程的实践,防渗墙施工技术在造孔机械、防渗墙槽段的连接以及泥浆、墙体材料的选择、配比等方面取得了很大的进展。文章着重从防渗墙的布置型式、接头方式、施工设备、墙体材料、墙体质量检测等方面介绍深厚砂砾石覆盖层混凝土防渗墙[9-11]。

因此本文研究油页岩原位开采防渗墙技术方案具有重要的意义，需要做深入的研究。

1.4 论文的主要研究内容

（1）研究油页岩原位开采过程中对地下水和地质条件的影响；（2）总结国内外的各种防渗墙技术的工艺和方法；

（3）研究针对油页岩原位开采过程中的地质条件下的适合的防渗墙的技术方案。

1.5 论文的研究路线

在查阅的国内外大量的防渗墙技术资料的基础上，针对吉林农安油页岩矿区的地质条件后通过计算稳定性条件及抗压强度等，进行防渗墙技术方案的设计。具体实施的步骤如图1-3所示。

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第1章绪论

1-3 论文研究路线图

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图第2章防渗墙技术研究

第2章防渗墙技术研究

2.1 概述

2.1.1 防渗墙施工方法的定义

防渗墙施工方法是一种不用模板在地下建造的用于防渗工程的地下墙。其工艺是采用适合的挖槽（孔）设备，沿着开挖工程的周边轴线，在泥浆护壁的条件下，挖出一个具有一定长度、宽度与深度的深槽（孔槽），并在槽内设置预先做好的钢筋笼，然后采用导管法往槽内浇筑混凝土形成一个单元墙段，依次施工再以适当的接头形式将各单元墙段相互连接起来，最终构成完整的地下防渗墙体。

20世纪50年代初，从意大利开始研究地下防渗墙技术。经过60年的推广与改造，现在世界上主要的发达国家都已将这一技术作为深基础施工的一种重要手段。我国水电部门早在1958年在山东省月子口水库和北京密云水库，就采用冲击钻机成孔施工排桩式（亦称柱列式）浇灌素混凝土的地下防渗墙的实例，是世界上建造和使用混凝土防渗墙最早的国家之一。目前，我国已将地下防渗墙技术推广到工业和民用建筑、城建、交通和矿山等建设工程中，成为深基础施工的重要方法。

地下防渗墙适用于建造建筑物的地下室、地下商场、停车场、地下油库、挡土墙、高层建筑等的深基础、逆作法施工的围护结构、工业建筑的深池、坑、竖井、邻近建筑物基础的支护以及水工结构的堤坝防渗墙、护岸、码头、船坞、桥梁墩台、地下铁道、地下车站、通道或临时围堰工程等。 2.1.2 防渗墙施工方法的优缺点

1. 优点

（1）墙体的刚度大，强度高，可承重、挡土、截水、抗渗，耐久性能好。（2）用于密集建筑群中建造深基础，对周围地基无扰动，对相邻建筑物、地下设施影响较小；可在狭窄场地条件下施工，与原有建筑物的最小距离可达0.2m左右；对附近场地交通影响较小。

（3）可用于逆作法施工，使地下部分与上部结构同时施工，大大缩短工期。

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第2章防渗墙技术研究

（4）比常规挖槽施工可节省大量挖土石方工作量，且无须降低地下水位。（5）施工机械化程度高，精度高，劳动强度低，挖掘功效高。（6）施工振动小，噪音低，有利于保护城市环境。 2. 缺点

（1）防渗墙施工，需要较多的机具设备，一次性投资较高，适宜于较多规模的地下工程。

（2）地下防渗墙施工方法虽然对地层的适应性很强，但是，由于这种方法主要靠泥浆护壁，在槽壁大面积地失去地基土的侧压力的条件下，对于岩溶地区含有较高承压水头的夹层，细、粉砂层，不稳定的流塑软粘土，具有动水渗流的细、粉砂层以及漂石或大的卵石层施工难度较大。

（3）施工工艺较为复杂，技术要求高，质量要求严，施工队伍须具有相当的技术水平。

（4）施工中的废浆和弃土量较大，尤其是前者，处理起来费用较高。 2.1.3 地下防渗墙的类型

1. 根据地下防渗墙的结构形式分类：

1. 开挖槽段；2.未开挖槽段图2-1 壁板式地下防渗墙（1）壁板式地下防渗墙（见图2-1）。采用挖槽设备，在泥浆护壁的条件下，在地下挖出一个具有一定长度、宽度和深度的深槽，并在槽内吊入钢筋笼，然后采用导管法往槽内浇灌混凝土形成一个单元墙段。然后，将各个单元墙相互连接起来，最终构成一道完整的地下防渗墙体。

（2）排桩式地下防渗墙（如图2-2）。将单个桩依次施工、连接，形成一道连续的墙体。

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第2章防渗墙技术研究

（a）相切式（b）塔接式

（c）交错式（d）间隔式

图2-2 排桩式地下防渗墙

（3）组合式地下防渗墙。将壁式和排桩式结合起来施工而建成的组合墙体。 2. 按挖槽方法

可以大体分为抓斗式、冲击式、回转式和冲击回转式四种。 3. 按墙体材料

可以分为钢筋混凝土、素混凝土、黏土、自凝泥浆和混合墙体材料等若干种。 4. 按墙体施工方法

可分为就地浇筑、预制及二者组合成墙。 2.1.4 实用条件

（1）地层。可用于多种地质条件，包括淤泥、粘性土、冲积土、砂性土及粒径50mm一下的砂砾层中施工。但不适用于在基岩地段、含承压水很高的细砂粉砂地层、很软的黏性土层使用。

（2）地下防渗墙厚度和深度。地下防渗墙常采用厚度为0.4-1.2m；深度可达100m以上[12-16]。 2.1.5 施工流程

地下防渗墙施工流程如下图2-3所示。

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图2-3 防渗墙施工的基本流程土 2.2 设计前的准备工作

在进行设计前，应具有防渗墙设计地区的场地水文地质、工程地质勘查报告，现场的调查报告等资料。本文研究的吉林省农安油页岩矿区的地质资料如下：

矿石为灰黑色含粉砂泥岩及灰黑色粉砂质泥岩, 呈灰黑色, 泥质结构,块状构造, 主要由泥质、粉砂级碎屑矿物和少量的碳酸盐矿物、金属硫化物、有机质、碳质等组成。泥质成分质量分数占60%-70%,粉砂级碎屑主要由石英和少量长石组成,质量分数占20%-30%,粒径0.01-0.05mm,其它矿物占10%，断裂构造不发育。 2.2.1 施工平面布置

施工平面布置的内容包括：施工平台、混凝土系统、泥浆系统、风水电系统以及场内交通、仓库等主要设施的平面布置。布置时要注意各部分相互间的关系，同主体建筑物施工的协调，施工期渡汛的影响以及防渗墙分期、分段施工的衔接等问题，并要统筹安排，尽量减少施工干扰和辅助设施的工程量。 2.2.2 施工平台

施工平台要求平坦、坚固、稳定。平台地面应高于施工期地下水位2m。在坝和围堰顶上施工时，施工平台应经过分析验算，保证稳定和满足施工场面的要求。平台宽度取决于钻孔机械类型和布置方式、钻灌施工方法以及泥浆系统和混凝土浇筑系统布置等，一般宽为18~25m。在坝和围堰顶上施工时，顶宽以不小于20m 为宜。钻机可布置于防渗墙的一侧，垂直于墙轴线；根据机具类型和工方法也可“骑墙”布置，一般多采用一侧的布置形式。在槽孔安装钻机的一侧，平行于墙轴线设置4~6 条轻轨，钻机平台车在轨道上移动；在槽孔的另一侧布

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置排渣、排浆系统、混凝土浇筑场地及场内交通运输道路等。 2.2.3 导向槽

导向槽的作用是：标定防渗墙位置，钻孔导向；锁固槽口，保持泥浆压力，防止坍塌和阻止废浆脏水倒流入槽以及用作吊放钢筋笼、安置导管和埋设仪表等的定位与支承。导向槽设置的好坏，关系着防渗墙施工的成败。导向槽有木结构、钢木结构和混凝土结构等形式，如图2-4。(a)木结构；(b)钢木结构；(c)混凝土结构图。导向槽结构形式示意图导向槽的结构形式和断面尺寸要根据地质条件、施工荷载、材料来源、施工方法和施工工期来计算和选用。导向槽的槽深一般为1.5~2.0m。

槽净宽宜大于防渗墙厚0.2m 2.槽段长度划分的原则槽段长度划分要考虑地层特性、地下水位及流速大小、墙深、施工部位及工期要求、造孔方法和混凝土浇筑强度等因素，尽量做到墙段的接头少，施工速度快，能均衡和安全施工。一般原则是：

（1）密实稳固的地层槽孔可长些；松疏、易坍塌的地层宜短些；

（2）墙深宜短，墙浅可长；

（3）地下水位高，渗透性强的地段宜短；反之，可长；

（4）槽孔长度应与采用

（c）图2-4 导向槽型式（a）（b）的造孔机械、钻头直径、造孔方法和接头型式相适应；

（5）槽孔长度应与混凝土浇筑强度相适应，能够保证混凝土浇筑均衡上升

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速度大于2m/h 的要求；

（6）若地层中含有坚硬的大孤石时，把已查明的大孤石尽量划入一个槽孔内处理。根据施工经验，一般地层槽孔长6~12m。 2.2.4 槽段的接头设计

地下防渗墙各槽段之间的连接，将影响墙体的整体性受力、变形和防渗性能，因而倍受重视。槽段接头可以非刚性接头和刚性接头两类。前者适用于地下槽段之间的非整体连接，后者可将各槽段自下而上形成一个整体。非刚性接头不传递墙体内力，可兼起伸缩缝作用。当个墙段之间需要传递部分或全部内力或对墙段之间相对变形有严格时，则应设置刚性接头。

因本文设计的油页岩原位开采防渗墙需要具有较好的防渗功能，故需采用刚性接头。

常用的刚性接头型式有：

（1）带单侧U型锚筋的Ⅰ型钢板接头（见图2-5）

带单侧U型锚筋的Ⅰ型钢板接头的一侧与钢筋笼焊接（一期槽段），其连接的强度取决于钢筋笼的横向配筋及其与Ⅰ型翼板得焊接强度；Ⅰ型钢板的另一侧与U型锚筋焊接，其连接的强度取决于U型锚筋的受拉承载力及其与Ⅰ型钢翼板连接的受剪承载力。

（a）剖面

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（b）平面

图2-5 带单侧U型锚筋的I型钢板接头

①当承受可变荷载或偶然作用时，U型锚筋接头的受剪承载力设计可取式（2-1）和（2-2）计算得到的较小的值（均以每延米深计算）：

1V1ndsle(0.3fle) （2-1）

3V22tsfs （2-2）

式中，V——带单侧U型锚筋Ⅰ型钢板接头的受剪承载力设计值，MN；

n——每延米深的U型锚筋肢数；

dg——U型锚筋直径，m；

le——锚筋的有效长度，等于15d，m；

flc——混凝土局部受压强度设计值，MPa，可按式（3-3）计算：

flc0.8fcube2dg （2-3）

且flc5fcu （2-4）

fcu——混凝土抗压强度标准值，MPa； be——地下防渗墙的有效厚度，b=b-2a，m；

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a——混凝土保护层厚度；

ts——Ⅰ型翼板厚度，m；

fs——Ⅰ型钢板抗剪强度设计值，MPa；

上式（2-3）也可按国家标准《混凝土结构设计规范》（GBJ10-）第四章第五节的有关规定进行复核。

②当承受永久荷载时，带单侧U型锚筋Ⅰ型钢板接头的受剪承载力设计值可按照下式确定：

V1Vmin （2-5） 1.5式中，Vmin——按式（2-1）和（2-2）确定的最小值。

（2）十字型穿孔钢板接头（见图2-6）

十字型穿孔钢板接头，应配合接头箱埋入一期槽段的端部。其中，穿孔钢板应在槽段接缝处骑缝对称放置。这种接头方式适用于墙段同时承受剪力和拉力的情况，而不宜只用于承受拉力的场合。

同济大学和上海有关单位曾进行过十字型穿孔板得试验，并根据试验结果在某些工程中使用了这一接头型式。穿孔钢板的计算应同时满足两个条件：

①穿孔钢板（一个槽段内）的受剪承载力设计值应大于墙段接头处的剪力设计值；

②穿孔钢板（一个槽段内）与混凝土的粘结力和穿孔内混凝土的局部受压承载力应大于墙段接头处的剪力设计值。

exp(0.3293V0.902VpTV) （2-6） 126.5A1.045fcAc （2-7） VPVA0fc （2-8）

由此，可按下列各式计算十字型穿孔钢板接头的受剪承载力设计值：式中，V—接头的受剪承载力设计值，MN，当按极限承载力计算或按抗裂计算时应分别具有相当于安全系数为2或3的安全储备；

T——接头处的拉力设计值，MN；

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——穿孔钢板受纯剪时的极限承载力设计值，MN； VPA——扣除开孔面积后的钢板两表面的净面积，厚度方向的表面积不计在内，m2；

——穿孔板的总局部受压面积，m2； Act——穿孔板得厚度，m；

l——十字型钢板的总局部受压边长，m，其值等于半块钢板的孔洞数乘以

一个孔洞的一个水平边长加上钢板的一半长度；

A0——钢板在接头处的截面积，m；

fc——混凝土轴心抗压强度设计值，MPa。

上面介绍了常用的或性能较好的槽段接头形式。由于本文研究的吉林省农安地区的地质条件，从施工的角度来看，应选择第一种形式，即带单侧U型锚筋的Ⅰ型钢板接头。由于成槽宽度比墙体的设计厚度大，因此，为了防止在浇灌混凝土时，Ⅰ型钢板翼板或接头箱与槽壁之间的缝隙漏浆，可在翼板处设置自下而上的橡胶止浆带，或在接头的适当位置加设槽段端板（端部分隔离板）、充气软管（气囊）或罩布。 2.2.5 地下防渗墙设计

防渗墙规划设计的程序可见图2-7。 1. 设计原则

地下防渗墙结构设计应采用极限状态设计法，以满足下列三方面的要求。（1）地基承载力和稳定性

①如侧向承载力所产生的侧向位移不受严格，则可允许墙侧部分土体到底极限平衡状态。

②在基坑开挖期间，对于防止基坑土体剪切破坏和丧失稳定性方面，应具有足够的安全性。

③侧向承载墙应具有抗倾覆和抗滑动的稳定性。

④在基坑开挖期间，应满足抗渗稳定性要求，防止流砂、管涌等现象发生。 ⑤竖向承载墙应满足地基承载力验算的要求。（2）地基变形

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①侧向承载墙的侧向位移不应超过该工程所允许的限定值，同时作为竖向承载墙或当墙外有重要地下设施时，宜进行墙体侧向位移的计算和监测，以免影响墙体的竖向承载能力和周围环境。

②当地基持力层为强风化软质岩石或土层时，竖向承载墙应进行地基变形验算，以免影响房屋或结构物的使用功能和外观。

（3）墙体和支撑构件的强度和刚度

①地下防渗墙体对于所承受的侧向荷载和竖向荷载，必须具有足够的承载力和刚度，必要时尚应进行墙体裂度和裂缝宽度的验算。

②地下防渗墙体的结构设计，应根据建筑物的安全等级、场地条件和地基岩土条件的类别、结构特点和功能要求，确定其结构形式、平面布置、墙体宽度和埋置深度以及单元形状和长度，并按各施工阶段和实际情况，分布对下列项目进行相应的计算。

①作用效应及其组合；

②墙体和支撑构件的内力及其承载力； ③墙体和支撑构件的变形； ④基坑土体稳定性；

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功能与使用要求1. 主体建筑（1）建筑物类型、使用要求、安全等级；（2）建筑物的规模、地下部分的深度、面积；（3）建筑物的性能、变形限定值和使用年限。2. 施工条件（1）建筑用地面积；（2）建筑用地四周情况；（3）地上和地下设施及障碍物。3. 地形和地质条件（1）地形地貌与环境；（2）工程地质条件；（3）水文地质条件。调查与勘测设计条件设定确定结构形式施工方法比较是否适合地下防渗墙方案不适合另寻他法适合墙体结构初步设计根据使用要求、受力情况、地基岩土条件和施工工艺条件来设计：（1）地下防渗墙的厚度及墙段间的连接；（2）与主体结构的适合和连接；（3）入土深度及其稳定性计算；（4）施工技术水平。用作临时结构的承载力和位移计算用作主体结构的承载力和位移计算（1）按临时地下防渗墙的荷载及其组合计算；（2）墙体及其支撑的内力和承载力计算；（3）墙体变形和地基沉降计算；（4）基坑稳定性验算；（1）按使用期地下防渗墙的荷载及其组合计算；（2）墙体结构的内力和位移计算（3）承载力的计算；（4）沉降及变形验算。经济性、安全性、合理性及其工期的研究研究结果可施工计划否图 2-7 防渗墙设计施工程序

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⑤地下防渗墙的地基承载力和地基变形； ⑥防渗与抗渗稳定性。 2. 墙体材料

目前,墙体材料主要向2个方向发展:一是塑性混凝土防渗墙;二是高强低弹混凝土防渗墙。塑性混凝土的特点是水泥用量少,膨润土等柔性材料用量大,因而弹模较低,对地层变形的适应性好,适宜作防渗墙墙体材料。长江三峡二期围堰防渗墙采用了塑性混凝土,建成后围堰运行良好。在围堰拆除后,对混凝土墙体进行了大量的检测,检测结果表明墙体性能指标与设计和科研成果一致[14] 。高强低弹混凝土适用于承受高水头、高应力条件的高坝深基础防渗墙工程。这种混凝土具有良好的自流扩散能力, 扩散过程中粘聚性良好, 适合于防渗墙的施工。目前,此种墙体材料还不成熟,处于研究阶段。在冶勒工程中,对高强低弹混凝土进行了大量的试验分析,找出了比较理想的配合比,发现了一些可选材料及配制规律,如用粉煤灰取代部分水泥,可以延缓胶凝材料的水化过程,对混凝土防渗墙的变形性能有一定的改善,从试验资料可以看出,掺40%粉煤灰的混凝土比掺30%粉煤灰的混凝土的弹性模量低[15] ,这些将对进一步研究高强低弹混凝土材料起到极大的指导作用。目前,对于墙体质量的检测更倾向于无损检测技术。因为以往采用的钻孔取芯、开挖、围井和常规压水等检查方法,不仅对防渗墙墙体有或多或少的破损,费力、费时、费用高,而且量少,有的只能以点面进行质量评价,且不具有代表性,已经不能满足工程检测的要求。对于深厚砂砾石层,由于技术的不成熟性和地质条件的复杂多变性,只有个别工程采用了无损检测技术。

因此本文研究的油页岩原位开采防渗墙墙体材料应采用高强低弹混凝土适用于承受高水头、高应力条件的高坝深基础防渗墙工程。以此，来满足地下深部（500m以下）防渗墙的设计要求。 3. 防渗墙的结构型式

用作永久性或临时性结构的地下防渗墙，可采用不同的结构型式。按其受力和支承情况，可分为自力式（悬臂式）、支撑式（如图2-8）、锚定式、格形重力式和竖井式；按其与主体结合方式，可以分为单层式（如图2-9）、分离式和叠合式及复合式。

（1）支撑式防渗墙

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当地下墙在平面上呈横向尺寸不大的长条形或矩形布置且作为基坑支挡结

图2-8 支撑式防渗墙构使用时，可以采用支撑的方案来改善墙体的受力状态，减少墙体的变形。

（2）锚定式

利用锚杆或拉杆-锚定板作为挡土墙。锚杆或锚定板得布置和尺寸应预先根据计算确定，并在地下防渗墙段施工时设置预留孔，以利锚杆或拉杆的施工和安装。

（3）单层式地下防渗墙

图2-9 单层式防渗墙结构图

单层式地下防渗墙可直接作为主体结构的外墙，因而使用广泛。（4）分离式地下防渗墙

分离式的墙体与主体之间存在缝隙，故不承受主体结构传来的荷载。这种地下墙只起着挡土、挡水和防渗等作用，但主体结构可作为地下墙的水平支承。

（5）叠合式防渗墙（见图2-10）

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在叠合式地下防渗墙中，于槽段中浇筑的墙体成为叠合墙的外壁，该外壁与主体结构外墙（作为叠合墙的内壁）之间可填入衬垫材料，因此内、外壁之间不能传递剪力，且彼此的竖向变形互不影响，但是侧向位移则基本相同。至于内外壁之间内力计算，可按各自的刚度按比例进行分配。由于内外壁之间出现部分接触的现象在所难免，因而可能造成内力的传递不均。

图2-10 叠合式防渗墙结构图

（6）复合式防渗墙（见图2-11）

这一型式的地下墙（外壁）与主体结构的墙体（内壁）完全结合成整体，内外壁之间可以传递剪力。复合墙的刚度大，防渗能力又墙，且与主体结构的梁柱、楼板和内墙的连接较为简便可靠。

图2-11 复合式防渗墙

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4. 防渗墙与主体结构的连接

防渗墙与主体结构梁、柱、板和墙等构件的连接，应按传递内力和满足承载力的要求选用合理的接头型式，这类接头的型式有：单锚筋的钢板接头、齿形钢板接头、钢板盒接头和预埋钢筋接头等。防渗墙与主体结构梁的带锚筋的钢板接头如图2-12所示。其连接处的受剪承载力取决于锚筋和钢板处的混凝土承压强度和钢筋的抗剪强度，当承受可变荷载或偶然荷载作用时，接头处的受剪承载力设计值可取下列二式计算得的小值：

11V1hsbe(a1flc)ngdgle(a2flc) （2-10）

33V2hstsfs （2-11）

式中，V1、V2——防渗墙与梁接头的受剪承载力设计值，MN；

flc——混凝土局部抗压强度设计值，MPa，可按下式计算：

flc0.8fcube2dg （2-12）

且flc5fcu （2-13）

fcu——混凝土抗压强度标准值，MPa； b、h——梁的宽度、高度，m；

b——扣除保护层后梁的有效宽度，m；

bs、hs——钢板的宽度，高度，m；

be——钢板的有效承压长度，m，当bs/ts≥15时，取be=15ts；当bs/ts＜15时，取be=bs

dg——钢筋的直径，m； ng——锚筋根数；

le——钢筋的有效承压长度，m，l/dg≥15时，取le=15dg；当l/dg＜15时，取le=l；

a1、a2——随着bs/ts或l/dg变化的系数，（见图2-13）

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ts——钢板厚度，m；

fs——钢板抗剪强度设计值，MPa。

当承受永久荷载时，接头处的受剪承载力设计值，可取式（2-10）和（2-11）计算得的小值，除以1.5的调整系数后得到。

（a）立剖图

图2-12 地下防渗墙与梁的连接

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图2-13 接头计算系数

5. 墙体的侧压力和位移

（1）在天然条件下，土体几乎是成层分布的。为此，静止土压力与静水压力为：

墙侧静止土压力

p0K0qK0h （2-14）

式中 p0——计算点处的静止土压力，MPa； K0—相应土层的静止土压力系数 q——地面均布荷载，kPa；

——计算点以上各土层的有效重度，KN/m3； h——计算点以上各土层的厚度，m。

（2）符合下列情况之一时，墙侧土压力应按静止图压力考虑： ①处于基坑开挖初始状态的地下多防渗墙；

②按市政环境要求，必须严格控制侧向位移的防渗墙；或在基坑开挖过程中已经采取了有效的加强措施，能够严格控制侧向位移的地下防渗墙；

③墙侧为高含水率淤泥和淤泥质土的地下墙； ④结构的整体刚度大且平面呈封闭状得地下防渗墙； ⑤建筑物使用期间的外围地下墙。

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（3）当无渗流时，静水压力可按式（2-15）计算：

Pwwhw

式中 pw——计算点处的静水压力（压强），kPa；

（2-15）

w——水的重度，可取w=10kN/m3；

hw——地下水至计算点处的深度，m。

式（2-14）、（2-15）将土压力和静水压力分开来计算。注意是（2-14）是从有效应力概念出发，其中土的重度和内摩擦角取有效值，而静止侧压力系数K0是按总应力计算，对于地下水位以下的土、水压力，可不必分别考虑，因而取土的饱和重度和总的侧压力系数k来计算。土的总侧压力系数一般大于静止侧压力系数。

6. 防渗墙的内力与位移

影响侧向承载力防渗墙及其他支挡结构水平位移和墙侧土压力的主要因素有：土岩体的分布及其性质、墙体及支锚构件的布置和刚度、支锚的预应力、基坑的开挖深度及平面尺寸等。

支挡结构的刚度取决于墙体的抗弯刚度EI和支撑的竖向间距l，可用EI/l4来表示，而粘土基坑的工程条件则可用坑底水平面上的自重应力h与土的不排水抗剪强度Cu的比值来表示。一般来说，当基坑的开挖深度大而土的不排水抗剪强度低、且支挡结构刚度小时，墙体的绕度比将增加。支挡结构刚度、粘土基坑稳定系数和墙体水平位移三者的关系，还可采用图2-14来说明。

表 2-1 粘土中地下防渗墙挠度比（umax/h）

地点波士顿奥斯陆芝加哥芝加哥芝加哥旧金山 EI/l4 1470 4300 1420 3020 90 109 h/Cu 4.4 7.0 6.6 7.6 6.6 5.5 umax/h（%） 0.2 0.1 0.5 1.8 2.0 1.0 24

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图2-14 粘土基坑中支挡结构的位移量

图2-15 通常情况的土压力分布图2-16 砂土地层的土压力分布地下防渗墙工程水平位移的限定值（允许值）的选定，除了应满足侧向承载力的要求外，还与墙体的抗裂度以及工程的使用要求和具体工程条件（包括场地使用情况与周围环境）等有关。以往有的工程以挠度为0.5%作为限定值，效果尚好。而某一工程的具体条件只允许挠度0.2%，但设计施工均能满足此项要求。美国学者波克（1969）则指出：坑外的地面沉降与墙后土质条件和基坑开挖深度有关。图2-17图9-24表达这一关系。改图将不同土层划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区。地面发生沉降的最大范围（至坑壁的距离l），大致为开挖深度（h）的

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2倍（Ⅰ区）、4倍（Ⅱ区）或更大（Ⅲ区）；坑边的地面最大沉降将达开挖深度的1%（Ⅰ区）、2%（Ⅱ区）或更大（Ⅲ区）。 7. 墙体防渗计算与抗渗等级

有防渗要求或直接用于防渗工程的地下墙体，应进行防渗设计。对于有防渗要求的地下墙，除了应满足各项承载力要求外，还应具有足够的抗渗性和耐久性；直接用于防渗工程的则尚应满足其他方面的要求，例如墙体和周边防渗体的连接和墙底插入不透水层深度的要求，或墙低未插入不透水层时的计算要求等。有防渗要求的地下墙，常见于地下室、人防工程或地下储库等结构，此时，墙体应具有阻隔外侧高水头渗流通过的良好性能。必要时应考虑其耐久性：计算墙体抗溶滤的安全年限。

防渗墙常用于水工或水运工程中。防渗墙的两端和顶部应与不透水层或其他防渗体可靠连接，底部插入不透水地基的深度不宜小于0.5m。当不透水层地基埋藏较深时，墙端可处于弱透水层或透水层中，但其进入（弱）透水层的深度，应根据渗流计算或试验来确定，且应使其进入深度所增加的流径，能够减少渗流和降低出逸水力梯度，以满足地基抗渗稳定性的要求。

（1）墙体防渗计算与抗渗等级混凝土地下防渗墙的厚度可按下式计算：

b=h/I （2-16）

式中 b——墙体的厚度，m； h——墙体两侧的水头差，m； i——墙体混凝土的允许水力梯度。

墙体混凝土的允许水力梯度与其抗渗等级（标号）有关（见表2-2）。根据对混凝土试块28d龄期的抗渗标准试验，可确定混凝土的抗渗等级。设计时根据所选取的墙体厚度和该项工程的水头差来确定墙体的水力梯度，再从表2-2选定墙体混凝土的抗渗等级。

表2-2 墙体混凝土的允许水力梯度与抗渗等级

项目 1 2 墙体防渗类型有防渗要求的地下墙允许水力梯度抗渗等级 S4 S6 26

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i＜10 i=10～30 第2章防渗墙技术研究

3 4 5 6 防渗墙 i＞30 i=30～50 i=50～70 i=70～100 S8 S4 S6 S8 （2）抗渗稳定性计算

将墙体嵌入不透水层，并满足埋入深度的要求，能够有效的控制和阻隔渗流。这时，渗流的水力梯度将集中于不透水层处，只要不透水层能够消耗渗流的水头损失，其抗渗性能就有所保证。

当墙体插入弱水层时，提高抗渗稳定性的有效方法是：增加墙体的插入深度。当插入深度不足时，如果向上运动的渗流的水力梯度达到其临界值，则将引起土层产生流砂或管涌等破坏现象，并使地基土体丧失其稳定性。考虑图2-18所示的多土层情况，防渗墙体两侧的水位分别位于aa1和ff1，其相应的水头分别为ha和hf 。渗流从aa1至ff1面的最短流径为：

图2-18 地基抗渗稳定性验算

渗流引起的流砂现象发生的条件是：向上渗流的水力梯度达到临界水力梯度，而临界水力梯度等于土的有效重度与水的重度w的比值。因此，以安全系数K来表示满足抗渗稳定性要求的条件是：

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Kicr （2-17） iiw对于图2-18和上列平均水力梯度而言，上式可写成：

K1(l1l22l32l4l5) （2-17a）

w(hahf)上述以平均水力梯度的形式来衡量渗流出逸处的稳定性问题并不理想。因为各土层的水头损失并不均匀，流径上的每一点的水力梯度并不一致，因而按式—（3-16a）计算需要有较大的安全储备（可取K=1.5-2.0，视个土层的透水性喝厚度而定）。从安全的角度出发，可忽略某些土层，如松散填土、多裂隙土、岩中的少量水头损失，因此计算得出的水力梯度可能比较接近实际情况，于是得：

K2此时，可取K2=1.2-1.4。

(l22l4l5) （2-17b）

w(hahf)从更保守的角度出发，仅认为渗流的水头损失集中在下部的弱透水层处得：

K32l4 （2-17c）

w(hahf)此时，可取K3=1.05-1.2。从式（2-16a）～（2-16c）的计算中可取适合的插入深度l4。在式（2-16c）的计算中，如取≈w，则墙体进入弱水层所需的深度应略大于两侧水头差的一半。在这种情况下，土体的抗渗稳定性的要求将得到满足。

2.3 油页岩原位开采概述

油页岩是一种固体可燃矿物，和其他可燃矿物的成因相同，是由大量动植物的原始有机物质和泥沙等无机物沉积在一起，并且在适宜的气候条件和地址环境下，经长期的腐化、煤化作用而成[14]。 2.3.1 油页岩的分类

油页岩根据原始组成物质不同，固体可燃矿物通常可分为三类。

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（1）腐泥型（Ⅰ型）。主要是由海洋或湖泊水中，大量生长的低等浮游动植物沉积在水下，生物脂肪是有机质，在长期缺氧条件下生成。如油页岩、藻煤等属于这一类。

（2）腐殖型（Ⅲ型）。是来自于有氧条件下的沼泽环境陆生植物，主要由高等植物的纤维素、木质素经过泥炭化作用和煤化作用生成。可以形成天然气、腐殖煤，在一定条件下也可以生成石油。

（3）混合型（Ⅱ型）。可将它分为腐殖腐泥型（Ⅱ-1型）、腐泥腐殖型（Ⅱ-2型）。

图2-19 油页岩（oil shale）

2.3.2 油页岩生成的地理环境和条件

油页岩的生成条件，除需大量并且丰富的原始有机物以外，还取决于当时地理环境是否适宜。 1、稳定的水体环境

水是生命之源，不但大量生物繁殖需要有一个良好的水体环境，而其残骸在缺氧状态下的沉积、富集、保存的转化都需要水作为介质。 2、地质构造条件

油页岩的产生需要在水中进行，这就需要有形成沼泽、湖泊的良好盆地构造。构造条件主要有三种：

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（1）凹陷深水湖盆形成大型内陆湖泊，是发育大型和特大型油页岩矿的蕴床。

（2）断陷沼泽湖盆和浅水断陷湖盆，可以形成小型浅水湖泊和沼泽，是生产煤系并伴生油页岩矿的良好地带。

（3）陆棚，泻湖构造。 3、沉积条件

油页岩的成分特点是除了含有机物质外，还含有大量的无机矿物，这些矿物质也许是被流水以固体状态或悬浮状态带入的泥沙，有些是能溶于水中的矿物质，例如硬水中的盐类，当水的浓度、酸度、碱度发生变化时能够沉淀出来。如果按沉积盆地的水体性质，可分为陆相沉积和海相沉积两大类。我国油页岩多为陆相湖盆成矿，只有少数为海相沉积，如羌塘盆地，外国油页岩海相沉积的矿藏较多。

由于地球构造运动，造成成矿地质条件不断的发生变化，浅水湖泊和沼泽地逐渐下沉变成深水湖泊，深水湖泊经过上抬作用变成沼泽，也有可能是浅水湖泊周边存在大片沼泽，从而造成了油页岩与煤共生的条件，经过亿万年不断变化的地质、气候和水流条件，孕育了大量的各种各样的矿藏，油页岩可以单独存在，也可以见于含煤含油盆地。有些油页岩矿藏绵延数十公里，仅单层厚度可达数百米，储量几十亿吨，有些厚度不到一米，储量仅几百万吨。有些矿区仅有一层油页岩，有些则由厚薄不均的数十层组成。如桦甸油页岩矿藏仅计算储量可以进行开采利用的就有13层，单层厚度1~3米，含油率5%-15%不等。抚顺油页岩矿藏东西长18千米，南北宽2~3千米，含油率平均为5.5%，厚度48~190米，抚顺油页岩为第三纪陆相湖泊沉积，在沼泽阶段形成煤层，后盆地下降变成深水湖泊，低等动物和低等植物大量繁殖、残骸沉积而成的共生油页岩矿。

茂名盆地油页岩矿藏东西长44千米，南北宽4~14千米，，平均厚度26米是我国最著名的油页岩产地之一，储量达50余亿吨，属第三纪三角洲相和湖泊相沉积。

2.1.3 油页岩的生成年代

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凡有利于动植物大量繁殖生长，并且地质较稳定的年代，都可能生成油页岩矿，因此可以说在各个不同的地质年代都会产生油页岩矿，如表2-3。

表2-3 油页岩生产年代

距今代纪（万年）第四纪新生代第三纪白垩纪中生代侏罗纪三叠纪二叠纪石炭纪泥盆纪中古代志留纪奥陶纪寒武纪 44370 48830 54000 陕西汉中爱沙尼亚库克西特俄奥林尼克、瑞典奥斯特各特海相海相海相 6560 14550 19960 25100 29900 35920 41600 茂名、抚顺、桦甸、美国绿河、澳洲斯图阿特吉林农安、汪清、约旦拉琼辽宁新阜、甘肃窑街、内蒙奈曼旗陕西鄂尔多斯盆地南部伊犁、妖魔山、巴西依拉蒂山东兖州、山西蒲县、加拿大阿尔伯特俄罗斯普里路特、美国密西西比陆相陆相陆相陆相陆相陆相海相 259 陆相矿产地点成因 2.2 油页岩性质

油页岩由有机物质和无机灰分组成，由于地球构造运动作用，二者是逐渐交相沉积和岩化而成的，紧密结合很难分离[15]。 2.2.1 油页岩的基础性质

油页岩有机质可分为两类：油母和沥青，油母不溶于一般的有机溶剂，而沥青可溶于有机溶剂[41]。 1、油页岩的油母

油母的组成以碳和氢为主，并含有氮、氧、硫等其他元素的复合化合物。油页岩的油母不溶于水、酸、碱以及常用的有机溶剂，虽然在三氯化醛水溶液中能膨胀至一定程度，但不会变成溶液，减压条件下也很难蒸馏分离，通常认为油母

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为一种三维结构大分子聚合物的混合物。

稀盐酸及氟氢酸对油母的作用甚微，故常用这两种酸先去除油页岩中的矿物质，再提取较纯的油母进行研究。

油页岩与天然石油碳氢比的1.6~1.9要低，但要远比煤炭的0.62~1.0要高。 2、油页岩的沥青

在油页岩的有机质含量中，沥青含量很少。通常抽出包在油母大分子网状结构内的脂类化合物的芳香烃和饱和烃的平均分子量小于500，平均分子量在1000以上的物质，元素分析与红外光谱均同油母类似，是油母的碎片或同系物。油页岩无机物的构成很复杂，其含有各种各样不同的矿物，是在成矿过程中由水流带进湖沼中沉淀而来的，其中最常见的是石英、粘土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石等）、碳酸盐（镁盐、钙盐）、硫酸盐（石膏）、硫化物（黄铁矿）和亚铁化物等矿物。如爱沙尼亚页岩含CaO39.5%，桦甸油页岩含CaO12.44%，燃烧时脱硫不仅可以自给，还能够剩余，例如巴西依拉蒂油页岩含硫5%~6%，可以副产硫磺。

2.2.2 油页岩的物理性质

油页岩的理化性质对油页岩的开采，加工利用都有直接的关系，开发油页岩必须首先了解它的理化特性[42-43]。 1、外观与颜色

不同产地的油页岩颜色各不相同，从黄褐色至深褐色不等，窑街油页岩呈黑色，其颜色受有机质和无机矿物质颜色的影响。在同一矿区中，含油率不同，颜色也不尽相同，含油率高颜色较深。新开采的油页岩颜色较深，风化后油页岩脱水氧化，逐渐变成灰白色。 2、密度

油页岩的密度，主要取决于沉积过程中渗入的矿物质含量及其密度，油母的密度为1.08~1.16g/m3，变化小含量少；但矿物质的密度变化较大，为2.3~2.7 g/m3，

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含量较多。因此不同矿区的油页岩，特别是当油页岩内矿物质组成不同时，密度变化较大，通常油页岩密度随矿物质的含量增高而增高。密度作为油页岩的重要参数，它能够反映物质的性质和结构组成。同一产地的油页岩，密度愈大，其含油率愈低。利用这种性质，可以在油页岩的开采场中采用测密度的简单方法大概判定油页岩的品位。

2.3 油页岩原位开采技术

1. 壳牌公司原为开采技术

1980年壳牌公司首先致力于研究埋藏较深的油页岩资源的开采——油页岩原位开采技术（简称ICP），1996年在美国科罗拉多州的里奥布兰科开始开展首次小型现场试验，另外还在附近开展了4个相关现场试验研究，仅在1个试验场地回收到了1 700 bbl（注：1bbl＝0.159 m3）轻质油和一些热解气[16]。目前，诸如Chevron、E.G.L[17] 等其他能源公司也在从事油页岩原位开采研究。2006年壳牌公司编制新一轮油页岩原位开采现场试验计划方案，名为电加热原位开采技术（简称E-ICP）方案，其与ICP最大的不同之处是使用新型电加热器，减少电的消耗[18]。E-ICP 试验的目的是进一步降低开采成本，提高页岩油的采收率，为该技术的推广奠定基E-ICP 试验基地位于美国科罗拉多州西北部，油页岩层主要分布于绿河地层组的Parachute Creek段、从R-7到R-2的矿带区间。油页岩层的平均厚度约304 m，埋深在304～609 m，上覆地层平均深度为286 m（R-7矿带的顶部），油页岩的平均含油率为24.0 gal／t加热地下油页岩层前要建立冷冻墙，其目的是防止地下水进入加热区域和加热后产生油气泄漏。E-ICP工程的冷冻井总共有150口左右，相连冷冻井的间隔为3.44 m，冷冻井的深度约为609 m（图2-20）。

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① 地表② 冷冻墙③ 冷冻井④ 油页岩层

图2-20 冷冻墙立体效果图

2. 雪弗龙CRUSH 技术

2006 年,雪弗龙公司和Los Alamos 国家实验室联合开发了CRUSH 技术,并将根据设计的含有2～5个四点井网单元的工业试验模型,进行实验室室内实验和小规模的现场试验。目前主要研究注入高温CO2 加热油页岩层技术(图2-21) 。该技术首先对页岩层进行爆破压裂,提高CO2 与干酪根接触的表面积,将CO2 以对流的方式从竖直井导入,通过一系列水平裂缝加热页岩层。生成的烃气经垂直井采出。该技术是基于1950 年代Sinclair 油气公司利用垂直井间自然和引导的裂缝开采地下干酪根的试验开发的[19]。该技术需要大量水,并进行现场生产,对环境破坏较大[20]。

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第2章防渗墙技术研究

图2-21 雪弗龙公司CRUSH技术图

3. 辐射加热技术

目前主要利用辐射加热方式加热页岩层的技术主要有LLNL 的射频技术和Raytheon公司的RF/CF 技术等。Raytheon公司的RF/CF技术是将一项利用射频加热和超临界流体做载体的专利转化技术。其工流程为:先将射频发射装置置于地下油页岩层中,进行加热,然后把向页岩层中通入超临界CO2把热解生成的烃气载到采油井,被抽到地面上冷凝,回收。冷凝后的CO2 又打回地层中循环利用。

从各种油页岩原为开采技术来看，地下的防渗墙建设是其中的一个必要的工程，即必须要有地下防渗墙的隔离作用，使得原为开采才能顺利进行，因此，本文需要深入研究油页岩原为开采防渗墙技术方案。

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第3章油页岩原位开采防渗墙技术方案

本文研究的油页岩原位开采防渗墙技术方案是根据吉林农安油页岩矿区的地质情况而设计的具有特殊性其特殊性在于一般的防渗墙深度在100m左右，而本文研究的深度是500m以上，10000m以下；也存在普遍性，即作为防渗功能而被设计。农安县的地质概况：区内地层为上元古界早二叠世大河深组和寿山沟组, 为一套中变质火山—沉积岩系。寿山沟组：区内分3个岩性段,底部为紫色长石石英砂岩、灰白色粉砂岩、深灰色板岩、黑色云母角岩；中段为灰白色大理岩夹变质砂岩，该段为赋存矿体的主要围岩；上段为角岩化安山岩、角岩化砂岩—粉砂岩、千枚状粉砂岩。大河深组：岩性为灰白色流纹岩、钙质砂岩、凝灰质砂岩、安山质凝灰岩、安山岩。区内岩浆岩为华力西期石英二长闪长岩，燕山期斜长花岗岩、二长花岗岩( 或钾化斜长花岗岩) 、碱长花岗岩及各种基性—中性—酸性—碱性脉岩组成。岩体分布于矿体两侧，西侧为斜长—二长花岗岩，东侧为碱长花岗岩。脉岩为辉绿玢岩、闪长玢岩( 包括早期与晚期) 、局部见花岗斑岩、石英正长斑岩等。区内构造以断裂构造为主，主要为北西、北东及南北向断裂。

图3-1 农安县油页岩矿区勘探线剖面图

3.1 开挖导沟和修筑导墙

防渗墙和其他结构一样，墙的厚度、长度、平面几何形状和深度以及施工槽

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第3章油页岩原位开采防渗墙技术方案

段的划分和开挖顺序都应事先确定。导沟的开采应符合设计轴线和墙厚的要求。墙厚一般在600-800mm之间，本文选定700mm导墙之间的净宽比防渗墙厚度增加50mm，导墙的深度选定1.5m。其作用是在挖土时起导向作用；承担部分成槽机械的荷载；维护地表土层的稳定；保持作为护壁使用的泥浆的稳定液位。

3.2 泥浆

泥浆由膨润土或优质粘土加水搅拌制成。膨润土是一种以蒙脱石为主的多种粘土矿物所组成的特殊粘土；遇水明显膨胀(膨胀后重力可达原土的6-7倍)，其粘性和可塑性都很大，触变性能好。为了保证泥浆的作用，一般须在现场采用泥浆试样进行浓度、比重、粘度、PH值、含水率、泥皮厚度及胶体率等多项指标的试验。如不符合要求，应加以调整或添加必要的掺料，保证其稳定性，避免在一定时间后出现分层现象。泥浆液面应高出地下水位0.5m以上，其比重常取1.05-1.10，以利用泥浆的压力来平衡土层中地下水和土的侧压力。

3.3 槽段接头

各槽段之间的连接，将影响防渗墙体的整体性受力、变形和防渗性能，因而，倍受重视。本文采用刚性接头，即带单侧U型锚筋的Ⅰ型钢板接头，接头处的受剪承载力设计值可取：锚筋直径取150mm，混凝土局部抗压强度设计值取30MPa，锚筋数每延米取2根。计算得出抗剪强度设计值为：2.025MN。

1V1ndsle(0.3fle) （3-1）

3V22tsfs （3-2）

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第3章油页岩原位开采防渗墙技术方案

图3-2 带单侧U型锚筋的Ⅰ型钢板接头

3.4 槽段设计

槽段的划分和开挖是防渗墙施工中最主要的工序。对于不同的土质条件和挖槽深度，应采用不同的成槽机械，本文研究的土质相对较软弱，拟采用导板抓斗，由泥浆循环出渣。可采用上海生产的SF-60型多头钻，其性能、效率和精度均较好。一次成槽宽度为600mm，按矩形平面切土时，每次长度为1992mm。拟建的防渗墙尺寸为20*10m。槽段划分见图3-3。

多头钻开挖槽段时，都采用反循环泥浆排土。在导沟上方流入泥浆，使其与钻削的土屑一起悬混，然后由钻头吸入空心钻杆，排出槽外。SF-60型多头钻在土中每小时可钻进6-8m。由于本文研究的防渗墙开挖深度在500m以上，开挖深度大，所以应使用钻头配有自动纠偏导向装置。使各槽段的接头能够上下紧密的结合而不致在深部偏离轴线和错开。在槽段开挖至设计标高后，应及时清除槽底的沉渣。之后进行槽段内钢筋混凝土的施工，在放下钢筋笼后即可用反循环方式清除槽底，然后立即安装导管，浇灌水下混凝土。由于泥浆的粘度和比重较大，因此对混凝土级配和流动性要求较严。每一槽段的混凝土应在初凝前约3小时内连续浇灌完毕。防渗墙的每一道工序，都应严格检查，保证施工质量。具体施工程序如图3-4所示。

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第3章油页岩原位开采防渗墙技术方案

（a）

（b）

（c）

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第3章油页岩原位开采防渗墙技术方案

（d）

（e）

图3-4 槽段施工程序图

3.5 防渗墙设计

1. 防渗墙的结构型式

本文研究的油页岩原位开采防渗墙技术主要是一个临时性结构的地下墙，可采用支撑式地下防渗墙，主要是因为本文研究的防渗墙在平面上呈尺寸不大的矩形布置，且作为油页岩原位开采时使用，可采用前后排对撑的方案来改善墙体的受力状态，减少墙体的变形。具体结构形式如图3-5所示。

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第3章油页岩原位开采防渗墙技术方案

图3-5 设计的防渗墙的结构型式

2.防渗墙与主体结构的连接

防渗墙与主体结构梁、柱、板和墙等构件的连接，应按传递内力和满足承载力的要求选用合理的接头型式。

防渗墙上部心墙或斜墙相接时，一要避免产生集中渗漏，二要注意两种材料的不均匀变形。为增加接触渗径的长度，防渗墙一般伸入心墙或斜墙的长度在坝前设计水头的1/5~1/10 左右，伸入墙体部分可成Y字形或活塞形式等。伸入心墙或斜墙的防渗墙项部可采用现浇方式，与旧混凝土之间的冷缝要冲洗凿毛或制作键槽，也有加止水和插筋的。当墙顶有灌浆或检查廊道时，墙顶和廊道间的处理更复杂一些。一般是将墙插入廊道底板，两侧回填塑性材料。土工膜是近年来推广的一种施工简单、造价低廉的防渗型式。防渗墙也经常上接土工膜防渗，二者的联结形式主要埋入式或锚固式。其连接的型式如图3-6所示。

图3-6 防渗墙墙体与接头的连接型式

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第3章油页岩原位开采防渗墙技术方案

3. 构造要求

防渗墙是在人造泥浆护壁的单元槽段内采用导管法浇筑而成的，因此在构造上应满足一定的要求。

（1）墙体的厚度选择700mm，单元槽的长度采用6m ；

（2）混凝土的强大等级应不低于C20，本文采用C35，采用普通硅酸盐水泥，其用量为400kg/m3，粗骨料的粒径小于28mm；细骨料采用级配良好的中砂或细砂。水灰比小于0.6.塌落度为180-210mm。混凝土的保护层净厚度采用70-100mm。

（3）人造泥浆条件下浇筑的混凝土，钢筋的握裹力将有较大的降低，采用竖向带肋钢筋，故握裹力设计值取混凝土抗压强度标准值的7.5%。 4. 墙体的侧压力

主要是由于土体自重或作用在土体上的外力一起对防渗墙产生的侧向压力。由于墙体设计是条形结构，侧压力可以按平面问题计算，即取单位长度的墙体，求该长度上的侧压力大小、方向、分布规律及合力的作用点。

图3-7 墙体受力图

5. 墙体的内力与位移

（1）内力

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第3章油页岩原位开采防渗墙技术方案

按主动土压力公式或上述建议方法计算墙后的侧压力，应该从防渗和结构两方面的要求来考虑墙底入岩深度。防渗墙嵌入新鲜完整的基岩，一般为0.3~1.2m。嵌入岩基太深，对防渗墙虽有好处，但给施工带来很大困难，同时增加了岩基对墙体的约束，这对墙体应力并不利。对于风化程度高，裂隙发育的岩石，一种是穿过破碎岩石伸入新鲜岩基，另一种则是伸入一定深度后下接帷幕灌浆进行处理。近年来的工程实践表明，设计越来越趋于防渗墙本身的柔性化，墙底约束程度也趋于减弱，并考虑入土部分的被动图压力或土体抗力，然后根据抗倾条件或平衡条件取入土内的假想0弯矩点位置，对所取的结构简图进行计算，并根据计算的结果确定墙体的入土深度和内力。计算得入土深度为0.8m＞0.5m符合要求。

（2）位移

影响侧向承载地下防渗墙及其他支挡结构水平位移和强侧土压力的主要因素有：土岩土的分布及其性质、墙体及支锚构件的布置和刚度、支锚的预应力值、基坑的开挖深度及平面尺寸等。

一般来说，当基坑的开挖深度大而土的不排水抗剪强度低（稳定数大）、且支挡结构刚度小时，墙体的挠度比将增加。其关系如图3-8所示。本文设计的方案水平位移为56mm，在允许的范围内。

图3-8 墙体挠度取值

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第3章油页岩原位开采防渗墙技术方案

6.墙体的防渗计算与抗渗等级

按抗渗等级S6的标准计算得出：墙体的水力梯度取60，墙体的水头差取48m，则墙体的厚度为800mm。

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第4章结论与展望

4.1 结论

通过研究国内外的防渗墙设计，及参考吉林农安油页岩矿区的工程地质条件，进行了符合该矿区的防渗墙技术的设计。得到如下的认识和结论：

1. 对于开挖深度大于500m的深部防渗墙设计时应重点考虑该防渗墙的水平位移和防渗功能；

2. 施工500m以上的防渗墙需要选择带有自动纠偏导向装置的机具； 3. 为了防渗功能达到较好的效果，应慎重选择防渗墙的结构型式和槽段的接头型式。

4.2 展望

防渗墙技术由于其技术特点和优势，有着广阔的应用前景。随着经济发展和建设事业的发展，使用防渗墙技术在建设工程中的应用将越来越广泛。对防渗墙的内应力分布、防渗效果及施工深度等问题的研究也将会越来越深入，这些问题会随着现代计算机技术及软件技术的发展日趋完善。

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结束语

通过这一阶段的学习，我对自己大学四年的学习有了系统、充分的的认识学习更多的知识和经验，深刻体会到理论与实践相结合的重要性，理论只有投入到实践中，才能体现其价值。使我能更好的将所学的专业知识应用到以后的工作和学习中。

整个论文写作过程中感谢我的指导老师陈晨教授在学习上给了我很多的帮助，从最初的论文选题，资料收集，写论文期间的专业问题以及后期的改正都给了我很大关心和帮助。陈老师学识渊博。治学严谨，平易近人，在整个学习过程中使我受益匪浅。老师对治学的严谨和为人处世的态度都值得我学习和敬重，在此我衷心地说声：老师, 谢谢！

同时感谢大学四年来所有老师们，在他们的关心和帮助下，我在学习专业知识的同时，学会了很多书本上无法学到的知识，顺利完成学业。为以后的学习和生活打下坚实的基础。

在以后的工作和学习中，我一定继续努力、不断进取，以回报老师和同学们的关心和帮助。

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Abstract of US6152356U

A method and apparatus for the hydraulic removal of bitumen from a tar sand deposit comprises forming a borehole into the tar sand deposit and securing a casing into the borehole. Into the casing is inserted a mining tool having a water/diluents channel and a slurry exit channel. Through the casing the borehole is charged with crushed aggregate. At the lower end of the tool are nozzles through which high pressure hot water/diluents is injected as a jet from the water/diluents channel into the tar sand deposit causing a cavity to form in the tar sand deposit. The heat of the water/diluents jets and dissolving action of the diluents softens the tar sand contacted and the impact of the jets and the scouring action of the aggregate, as impinged upon by the jets, removes the tar sand from the surface of the developing cavity into a water phase. A bitumen/diluents phase rises to the

surface of the water phase and is removed from the cavity through the casing. Water sand slurry at the bottom of the developing cavity is removed from the slurry exit channel where sand is subsequently removed and the water is recovered and reintroduced back into the process along with makeup water and diluents. Water temperature and pressures are controlled to optimize the hydraulic mining process.

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BACKGROUND OF THE INVENTION 1. THE FIELD OF THE INVENTION.

The present invention relates generally to the mining of petroleum hydrocarbons from petroleum bearing formations. More particularly, this invention concerns the hydraulic mining of bitumen from tar sand formations that are either found too deep or of insufficient thickness to be mined economically by surface mining techniques. 2. The Background Art.

Petroleum is generally recovered by penetrating reservoirs with wells. When a well is drilled, the petroleum either flows to the surface by means of natural pressure or by pumping. However, there are many reservoirs which contain petroleum that is too viscous to be produced by conventional methods. Under these circumstances, different methods of extraction must be used.

One of the most viscous petroleum deposits is in tar sand deposits that are commonly found in the Western United States, Western Canada and Venezuela. These tar sand deposits contain significant amounts of bituminous petroleum. However, conventional well drilling techniques are ineffective in recovering bitumen from tar sands.

As a result, other methods of recovering bitumen from tar sands have been developed. One of the earliest methods used for recovering bitumen was surface mining. Surface mining is the process of removing the overburden from the surface so that the tar sands can be removed from an open pit. The overburden is typically removed by large-scale mining equipment.

Once the tar sands deposits are reached, the tar sand material is recovered by mechanical means and removed for later processing and extraction of the bitumen. Standard processing methods utilize hot water with or without hydrocarbon diluents or chemical additives to decrease the viscosity of the bitumen and separate it from the inorganic tar sand solids. Once the bitumen is separated from the tar sand the bitumen, being less dense than water, will rise to the surface of the water from which it is easily

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separated. The bitumen depleted sand material sinks in the water by the force of gravity.

As is well known in the art, there are a host of disadvantages with surface mining methods. First, surface mining is not economical in many cases. Surface mining is generally limited to areas in which the overburden is minimal and the tar sand formation is relatively thick so that efficient and economic removal of the tar sand is possible. As the ratio of overburden to tar sand increases, surface mining becomes less economic. Furthermore, surface mining creates significant expense associated with reclaiming the mined region and disposing of tailings that result from the processing and extraction of the bitumen. Unfortunately, most tar sand is at such a depth that it is not economic to remove the tar sand through surface mining. Where the overburden is too thick for economic removal through surface mining techniques, other mining methods must be used.

In an attempt to avoid the disadvantages associated with surface mining, other methods of bitumen recovery have been developed. One primary method is known as in-situ processing. In-situ processing methods separate the bitumen from the tar sand formation within the formation such that only the bitumen is pumped to the surface. Under these methods the bitumen depleted or lean sand material remains in the mined cavity to prevent subsidence.

Most in-situ methods generally begin by drilling a borehole through the overburden and completely through to the bottom of the tar sand formation. Once a borehole is drilled, the mining apparatus is inserted and the mining operation is begun. The mining operation typically begins by delivering heated jets of water into the tar sand formation. This process causes the formation to liquefy into a slurry consisting of sand, water and bitumen.

Most in-situ methods do not pump the slurry material to the surface for processing. Rather, in-situ methods attempt to process and separate the bitumen from the tar sand formation in the mining cavity directly, then pump only the bitumen to the surface. The sand and other materials remain in the ground.

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There are a variety of in-situ methods that have evolved in the art. One method known as a thermal method typically injects hot water or steam into the formation causing the bitumen to separate from the sand particles. Hot water is pumped into the borehole and delivered at a high velocity into the formation thereby causing the formation to erode and form a cavity. The thermal energy in the hot water raises the temperature of the formation thereby assisting in the erosion process and the separation of bitumen from the sand material. The bitumen tends to float to the surface of the heated water, which accumulates in the cavity. The bitumen then is pumped out and the remainder of the slurry material remains in the cavity.

Methods that solely rely on heat to erode the formation and cause the separation of the bitumen are generally regarded as inefficient. The size of a cavity in which effective bitumen/sand separation can be achieved is limited. As a result, the cost per unit of the bitumen recovered is very high.

While the use of solvent and chemical additives may make the erosion and separation processes more efficient, thereby reducing the costs for bitumen removal, these savings are offset by the added costs of the solvent and chemical additives as well as added processing steps. While some of the solvents or chemicals can be recycled and reused, there are additional costs associated with recycling. Furthermore, recycling is not perfectly efficient as some solvents or chemicals are lost and must be replaced.

Many in-situ methods also require the use of gases to maintain pressure within a mining cavity. As is well known in the art, when an underground cavity is mined there is always a danger that the overburden will collapse into the cavity. As a result, methods have been developed to prevent such a collapse. Unfortunately many of these methods require that a gas be introduced into the cavity at sufficient pressure to prevent the overburden from collapsing. Any time gas is used, there are additional risks and dangers associated with the containment of said gas or the possibility of explosion.

A typical example of in-situ methods is disclosed in U.S. Pat. No. 4,406,499

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issued Yildirim (hereinafter referred to as \"Yildirim\"). Yildirim discloses a method that requires the drilling of a borehole through the overburden to the bottom of a tar sand deposit. A water jet means is inserted to the bottom of the deposit. The water is injected into the tar sand in order to create a slurry in the bottom of the cavity. The water jets are raised through the tar sand thereby filling the cavity with a slurry material until the top of the tar sand formation is reached.

Once the top is reached, the water jet apparatus is removed and a separate apparatus comprising a system of small pipes is introduced to the bottom of the slurry mixture. Hot water is introduced into the slurry through the pipes which percolates upwardly through the slurry causing the bitumen to separate. The bitumen is collected at the top of the cavity and then is piped out. The invention disclosed in Yildirim requires that gas be injected into the cavity for purposes of maintaining a sufficient pressure within the cavity to prevent the overburden from collapsing.

Due to the problems associated with surface mining and in-situ mining techniques, hydraulic mining methods have been proposed as alternatives. Typically, hydraulic methods inserting an apparatus having nozzles into a borehole that has been drilled through an overburden to a tar sand formation and injecting jets of water into the sand formation. As in the in-situ methods, the water jets are injected into the formation thereby creating a slurry material to form in the cavity. The slurry material is then transported by pipeline to the surface for processing and removal of the bitumen. Once the bitumen is removed from the slurry and once the mining site is exhausted the sand and other material may be returned to fill in the resulting cavity to prevent subsidence. Hydraulic methods of mining also typically utilize gas to maintain sufficient pressure within the cavity during the mining operation to avoid subsidence problems.

The method disclosed in U.S. Pat. No. 5,249,844 issued to Gronseth (hereinafter referred to as \"Gronseth\") is typical of hydraulic methods of mining. Gronseth discloses a hydraulic method of mining that requires the drilling of a borehole into a tar sand reservoir. A casing is inserted within the borehole that extends through the

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overburden. Tubing with a water nozzle at its end is inserted into the borehole. Water is caused to flow through the tubing where it is emitted radically from nozzles. The emitted water causes the erosion of the tar sand formation, causing the sand particles and heavy oil to create slurry. The resulting slurry is caused to flow upwardly through a second tubing to the surface for processing. After the cavity has been mined to its limit and the bitumen has been removed from the slurry, the oil depleted sand material is returned to he cavity.

However, existing hydraulic methods have many disadvantages similar to those of in-situ methods. For example, hydraulic methods suffer from the same inefficiencies associated with heating the fluid and using chemical additives. Hydraulic methods are also inefficient since the slurry material is pumped twice; once to the surface for processing and again back into the cavity when the mining in that cavity is completed. Hydraulic methods also require additional facilities to store slurry material while the cavity is being mined and while the bitumen is being separated. These inefficiencies make hydraulic mining not only more time consuming but more costly as well.

Also, most hydraulic and in-situ methods rely heavily on high pressure water jets to erode the tar sand formation to separate the bitumen. As those in the art can appreciate, as the tar sand formation is eroded and the distance from the water jets is increased, there is a significant decrease in force associated with the jets of water. Problems of water jet force are compounded as the mining cavity is filled with water. If the jets of water travel through a water medium the jet force is continuously reduced.

There have been attempts to overcome this problem. For example, in U.S. Pat. No. 4,437,706 issued to Johnson (hereinafter referred to as \"Johnson\") there is disclosed a method of mining that introduces high velocity jets of water into a cavity formation for purposes of causing the tar sand material to erode and cause the bitumen to separate from the tar sand. The apparatus in Johnson attaches the jet nozzles to a flexible tube that can be configured into various positions to produce a well or cavity

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of desired proportions. However, the primary purpose for the flexible tube is that it provides a method of keeping the jets in a very close proximate relationship to the formation so that the force of the jet of water on the formation can be maintained. However, as those in the art can appreciate, this design has many disadvantages namely it is difficult, if not practically impossible, to configure and flex the tube once it is in a formation. The only way to reconfigure the tube is to stop the mining operation and withdraw the tube from the cavity in order to make the desired adjustment. This method is difficult to implement and inefficient.

There is a need for a hydraulic mining apparatus and method to overcome the limitations and inefficiencies in the prior art. Specifically, there is a need for an apparatus and method that provides a more cost effective and efficient erosion process. An apparatus and method is needed that does not rely solely on jets of heated fluid and chemical additives to cause erosion of the tar sand and separation of the bitumen.

3. Objects of the Invention

It is therefore an object of the present invention to provide a hydraulic mining apparatus and process which is simple in design and manufacture.

It is a further object of the present invention to provide an apparatus and process for hydraulically mining tar sand deposits and recovering the bitumen there from in an efficient and economic manner.

It is a further object of the present invention to provide an apparatus and process for hydraulically mining bitumen from tar sand formations that utilizes aggregate added to the deposit being mined as a scouring agent thereby permitting the efficient use of high pressure water and thermal energy for mining tar sand formations. It is a further object of the present invention to provide for an apparatus and process for hydraulically mining bitumen from tar sand formations that will allow one formation to be mined while simultaneously reclaiming a second formation with bitumen depleted sand.

Additional objects and advantages of the invention will be set forth in the description which follows, and in part will be apparent from the description, or may

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be learned by the practice of the invention without undue experimentation. The objects and advantages of the invention may be realized and obtained by means of the apparatus, methods and combinations as particularly pointed out in the appended claims.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

The above and other objects, features and advantages of the invention will become apparent from a consideration of the subsequent detailed description presented in connection with the accompanying drawings in which:

FIG. 1 is a segmented schematic sectional side view of the mining apparatus of the invention as it extends into a tar sand formation.

FIG. 2 is a segmented schematic sectional side view of the mining apparatus at right angles to the view shown in FIG. 1.

FIG. 3 is a cross-sectional view of the mining apparatus taken along section lines A--A of FIGS. 1 and 2.

FIG. 4 is a segmented schematic sectional side view of a second embodiment of a mining apparatus having the slurry exit and water inlet channels reversed from the position shown in FIG. 1.

FIG. 5 is a segmented schematic sectional side view of the mining apparatus at right angles to the view shown in FIG. 4.

FIG. 6 is a cross-sectional view of the mining apparatus taken along lines section B--B of FIGS. 4 and 5.

FIG. 7 is a flow diagram of the hydraulic mining process of the present invention showing essential components of the processing system.

FIG. 8 is a schematic side view of the aggregate circulation path to facilitate the tar sand erosion and bitumen separation process when the mining apparatus is in operation.

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关于US6152356的摘要

从沥青沙储层中用水力开采石油的方法和用具为：形成一钻孔至沥青沙储层并在钻孔中固定套管，在套管中插入一个具有水/稀释剂通道和泥浆出口通道的采矿工具。通过套管，钻孔被破碎的聚集体充满。在工具的末端是两个喷嘴，高压热水/稀释剂通过喷嘴以射流的方式从水/稀释剂管道注入沥青沙储层，并在其中形成一个采矿洞。水或稀释剂射流的热量和稀释剂的溶解作用，使与之接触的沥青沙软化，受射流的影响，射流的冲击作用和对聚集物的冲刷作用，把沥青沙从形成的采矿洞的表面出去，使其进入液态阶段。沥青沙或稀释剂上升到液体表面，然后从形成的洞中通过套管被除去。形成于洞的底部的水、沙子、泥浆的混合物通过泥浆通道的出口排出，在出口处沙子从水中呗分离出来，然后水被重新利用到制作稀释剂溶液的过程中。为了使水力采矿进程达到最佳效果，需对水温和水压力进行控制。

发明的背景 1、发明的领域

当前发明大体上联系了从石油储层中采取石油碳氢化合物的方法。特别地，此项发明关于从不是储层埋藏太深就是厚度不足的沥青沙层中进行石油开采，用地表采矿技术开采比用水力开采经济。

2、背景技术

石油通常靠钻井穿透储油层来开采。当钻井时，石油不是靠自然压力流出地表就是用泵将其泵出。然而，许多含有石油的储层中由于石油太黏稠而不能用常规的方法开采。在这些情况下，必须用不同的方法开采。

其中一种最黏的石油储层是在美国西部、加拿大西部和委内瑞拉都可以找到

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的沥青沙储层。这些沥青沙储层包含相当大数量的沥青石油。然而，常规钻探技术在从沥青沙中开采石油方面是无效的。

结果，另外一中从沥青沙中开采石油的方法被开发出来。其中一种最早用于开采石油的方法是地表开采法。表层开采是从表面除去地表土层的过程，以至于沥青沙可以从露天开采矿中开采。地表土层一般由大型的采矿设备除去。

一旦到达沥青沙储层，沥青沙原料通过机械方式开采，并在以后的过程中除去，然后提取石油。标准处理方法用含碳氢化合物稀释剂的的热水或不含碳氢化合物的人水或化学添加剂来降低石油的黏性并把石油从无机固体沥青沙中分离出来。石油一旦从沥青沙中分离出来，密度比水小，它将上升到容易被分离出来的水的表面。石油消耗的沥青沙原料在重力的作用下沉到水底。

众所周知，在工艺上，表层开采方法存在很多缺点。首先，表层开采法在很多情况下是不经济的，表层开采法通常被局限在表层土很少并且沥青沙层相对厚实的区域，以便高效、经济地开采石油是可能的。随着沥青沙中表层土比例的增加，表层开采变得不再经济可行。另外，表层开采增加了与回填开采区域表层土和处理有开采和提取石油产生的废物相关的巨大费用。不幸的是，大多数沥青沙埋藏较深以至于通过表层开采方法开采石油是不经济的。想要运用表层开采技术经济地开采表层土太厚的地方，必须运用其他方法。

为了避免表层开采的缺点，其他开采石油的方法得到了发展。一种主要的方法叫做原地处理法。原地处理法把石油从沥青沙层中分离出来，在储层中只有石油被抽到地表。在这种方法下石油所消耗的或依附的沥青沙原料停留在开采孔中以防止沉淀。

大多数原地处理方法一般开始于通过地表和完全通过沥青沙层底部钻孔。一旦钻孔开始，插入采矿工具，并开始操作。采矿操作通常通过传递热的水射流进入沥青沙储层开始。这个过程引起储层液化成由沙、水、石油组成的泥浆。

在开采过程中，多数原地处理法不把泥浆材料抽回到地表。相反，原地处理方法试图从采矿洞中的沥青沙中直接开采和分离石油。然后仅把石油泵到地表，沙和其他物质则被留在地下。

在这种技术的应用中演变出了各种各样的原地开采方法。一中公认的热能开采方法通常在钻孔中注入热水或蒸汽使石油与沙子部分分离开来。热水通过泵，

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以高速注入钻孔中，因此使储层冲蚀并形成一个洞。热水中的热能提高了储层中的温度，因此有助于冲蚀过程并使石油从沙体材料上分离下来。采矿洞内聚集的石油区域流向热水的表面。然后将石油抽出，余下的泥浆材料留在采矿洞中。

单纯的依靠热腐蚀储层使石油分离出来，通常人们认为效率很低。能够有效完成石油或沙分离的采矿洞的大小是有限的。结果，开采石油的单位成本非常高。

使用溶剂和化学添加剂可以使腐蚀和分离过程更高效，因此减少石油开采的成本和这些节省下来的费用抵消了额外的花在溶剂与化学添加剂上的，还有增加开采步骤上的费用。当某些溶剂和化学添加剂能够回收并重新利用时就增加了与回收有关的费用。此外，因为某些溶剂和化学添加剂丢失并且必须被替换，回收不是完全高效率的。

许多原地方法也要求使用气体维持采矿洞中的压力。众所周知，当地下采矿洞被开采时，总是会有地表土层坍塌到开采洞里的危险。结果人们研究出防止这类坍塌的方法。不幸的时，许多这种方法要求把气体以充足的压力引进采矿洞中以防止地表土层坍塌。任何时候使用气体时，存在与前述气体污染或爆炸的可能性有关的额外危险。

原地处理方法的一个典型例子在Yildirim（以后指Yildirim）出版的U.S.Pat.No.4,406,499中被透露。Yildirim透露了一种要求穿过地表土层到沥青沙储层底部形成泥浆。当水射流通过沥青沙层上升从而是泥浆材料充满采矿洞知道到达沥青沙储层顶部为止。

泥浆一旦到达顶部，撤掉水射流工具并且一种由许多小管子组成的分离工具被引入泥浆混合物的底部。热水通过穿过竖直过滤的管道被引入泥浆当中，一起石油的分离。石油被收集在洞的顶部，然后通过管子排出。Yildirim透露的这项发明要求：在洞中注入气体以保持洞中有足够的压力来避免地表土层的坍塌。

基于地表采矿和原地采矿技术的相关问题，有人提议采用水力采矿方法。一般地，水力方法将一种带有喷嘴的工具插入钻穿地表土层到沥青沙储层的钻孔中，用以注入水射流进入沙储层中。正如在原地处理方法中，水射流被注入储层，因此在洞中形成泥浆。然后泥浆材料通过管道输送到表面，用以开采和分离石油。一旦石油从泥浆中分离出来并且一旦采矿的场地被用尽，沙子和其他物质可能返回填充在形成的洞中以防止沉淀。水力采矿一般也用气体来维持采矿操作过程中

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洞内的压力以避免沉淀。

Gronseth（以后指Gronseth）在出版的U.S.Pat.No.5, 249,844中透露的是一种典型的水力采矿方法。Gronseth指出这种水力采矿法要求钻孔钻至沥青沙储层。钻孔中下入套管延伸至表层土。在钻孔中插入末端带有水喷嘴的管子。使水流经管道，并从喷嘴中以辐射形式喷射出来。喷射出来的水引起沙储层的侵蚀，导致沙微粒和重油形成泥浆。形成的泥浆通过第二个管道向上流出至此表进行处理。达到洞的开采极限并且石油从泥浆中分离后，石油所消耗的沙材料被回填到采矿洞中。

然而，现有的水力采矿方法有许多与原地处理方法类似的缺点。例如：水力采矿方法面临与加热流体和使用化学添加剂相关的无效用的问题；因为泥浆被泵了两次，一次为了采矿被泵到地表，然后当洞中的矿采完时又被泵回到洞里，所以水力采矿方法效率也很低；当采矿洞正被开采并且石油正在分离时，水力采矿也需要额外的设备来储存泥浆材料。这些低效率使水力采矿不仅花费更多的时间，而且也花费更多的成本。

并且，大多数水力采矿方法和原地处理方法都非常依靠高压水射流来侵蚀沙储层以达到分离石油的谜底。随着这些技术方法被认证，随着沥青沙储层的侵蚀和水射流距离的增加，水射流的压力大幅度降低。由于采矿洞中充满水，水射流压力问题很复杂。如果水射流通过水介质，水射流压力便会持续降低。

许多人试图克服这个问题。例如：Johnson (此Johnson) 在U.S.Pat.No.4, 437,706中指出一种方法，这种方法将高速水射流引入采矿洞中，目的是为了腐蚀沥青沙原料并使石油从沥青沙中分离出来。在Johnson的工具中，在水射流喷嘴处连接一个有弹性的管子，这个管子可以配置在各种各样的位置按期望的比例形成井或孔。然而，使用弹性管的首要目的是它可以提供一种方法使水射流与储层直接按的关系非常接近，以维持储层上水射流的压力。

然而，正如那些可以在工艺中得到赞赏的东西一样，这项设计有许多缺点，就是它难于在管子一进入地层就配置好并使之弯曲。唯一重新配置管子的方法是停止采矿操作并把管子从采矿洞中撤出以做期望的调整。这个方法是难以实施并且低效的。

这里需要一种流体采矿工具和方法来克服在前卫工艺中的局限性和低效性。

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特别地，需要一种器具和方法提供更有效的、效率高的腐蚀过程。需要一种工具和方法不单纯地依靠热流体的射流作用和化学添加剂作用来使沥青沙腐蚀并分离石油。

3.发明的目标

提供一种设计和制造都很容易的流体采矿器具和过程是当前发明的研究目标。

当前发明的进一步的目标是提供一种为水力采矿和从沥青沙储层中采取石油的高效和经济的方式的工具和过程。

当前发明为了用水力采矿从沥青沙储层中采取石油的进一步目标是：利用加到被开采储层上的聚集体作为一种冲刷代理，从而可以高效地利用水的高压和热能从沥青沙层中采矿。

当前发明为从沥青沙储层中用水力开采石油提供一种工具和过程的进一步目的是：将允许在开采一层储层的同时，回收含有石油所损耗的另外一层。

关于这项发明的其他的目的和优点将在一下的叙述中指出，并且一部分将描述得很明显，活着可能通过实践被学会而没有过多的实验。发明的目的和优点将通过在附加要求中特别的指出工具、方法和组合来实现和获得。

图形的简单描述

发明的以上所述的和其他的目标、特征和优点将在一下提出的所附的图中被详细的描述，变得清楚了。

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图1是所发明的采矿工具延伸到沥青沙储层中时的一张侧视剖面图。

图2是将图1中所示的视角旋转90〇

后采矿工具的概要侧视剖面图。

图3是将图1和图2沿A——A面切割的采矿工具横断面图。

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图4是含有泥浆出口和水入口通道的采矿工具的第二部分的侧视剖面图，视角与图1

所示方向相反。

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5是将图4所示的视角旋转90〇

后采矿工具的侧视剖面图。

图6是将图4与图5沿B——B面切割的采矿工具横断面图。吉林大学学士毕业论文

图

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图7是当前发明的水力采矿过程流程图，显实了采矿系统的主要组成部分。

图8是当采矿工具运转时，聚集体循环的通道帮助腐蚀沥青沙和石油分离过程的概要侧

视图。

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