副井反井鉆井施工技術(shù)方案

　　摘　要　利用LM-200型反井鉆機(jī)在濟(jì)寧 3 號井副井298m深的井筒內(nèi)，穿過97m凍結(jié)段，鉆成深260m反井的施工技術(shù)，證明這種凍結(jié)法和反井鉆機(jī)相結(jié)合的鑿井工藝，開辟了井筒施工新途徑，和廣闊的推廣應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞　反井鉆井　凍結(jié)法　反井鉆機(jī)

　　反井鉆機(jī)一般用于地質(zhì)條件較好的地下工程兩水平之間豎向或大傾角的聯(lián)絡(luò)通道。對于沖積層或含水地層，如不進(jìn)行處理，一般無法用鉆機(jī)施工。煤科總院北京建井研究所和兗州礦務(wù)局三十二工程處在濟(jì)寧 3 號井副井進(jìn)行了用反井鉆機(jī)施工凍結(jié)地層的試驗(yàn)，取得了較好的效果。

　　1　工程概況

　　濟(jì)寧 3 號礦井位于兗州礦務(wù)局濟(jì)寧東區(qū)，年產(chǎn)煤5Mt，采用主井、副井和風(fēng)井 3 個(gè)豎井開拓，于1991年9月份開工。主井和風(fēng)井提前完成進(jìn)入巷道施工階段;由于一些原因，副井施工落后，成為礦建工程的關(guān)鍵。只和加快副井施工，才能保證按期移交。副井井筒全深589.2m，水窩深31.2m，開挖直徑9.3～11.1m，凈直徑8m，采用永久井架鑿井。上部第四系沖積層和風(fēng)化含水基巖段采用差異凍結(jié)，最大凍結(jié)深度385m。井筒掘進(jìn)從1994年8月開始，到1995年完成298m。根據(jù)副井施工狀況，以及主井和風(fēng)井已形成的生產(chǎn)條件，確定采用反井鉆機(jī)施工下部260m凍結(jié)基巖段和非凍結(jié)基巖段的施工方案，即將反井鉆機(jī)安裝在井底，鉆出直徑1.4m的溜矸孔，然后刷大成井，溜矸孔解決掘進(jìn)中出渣、排水和通風(fēng)，使掘進(jìn)工作在兩水平進(jìn)行，解決井筒掘進(jìn)中主要矛盾，提高掘進(jìn)速度，降低施工成本。

　　用反井鉆機(jī)施工的副井井筒巖層系二疊系和石炭系地層。主要巖石和中細(xì)粉砂巖、粘土巖、泥巖和煤等，地層走向NE，以寬緩褶皺為特點(diǎn)，傾角5～10°。

　　2　施工設(shè)備

　　根據(jù)副井地質(zhì)條件和相關(guān)工程條件，選用LM-200型反井鉆機(jī)施工。該機(jī)由北京建井研究所設(shè)計(jì)，曾在山東汶南煤礦完成316m豎井鉆進(jìn)施工，在十三陵抽水蓄能電站鉆成斜長237m、傾角50°的壓力管道。該研究成果獲原煤炭部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，其主要技術(shù)參數(shù)為

　　導(dǎo)孔直徑/mm216

　　擴(kuò)孔直徑/m1.4～2.0

　　設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度/m200

　　轉(zhuǎn)速/r*min-10～20

　　扭矩/kN*m40

　　推力/kN350

　　拉力/kN850

　　主機(jī)功率/kW82.5

　　主機(jī)質(zhì)量/t8.0

　　3　施工準(zhǔn)備

　　3.1　設(shè)備布置

　　井筒內(nèi)空間狹小，要求在8m直徑的井內(nèi)布置總質(zhì)量達(dá)70t的反井鉆機(jī)和輔助設(shè)備，還要便于吊運(yùn)、安裝、拆卸、維護(hù)、管理和操作。為此，采用立體分層布置設(shè)備，即在地面布置泥漿攪拌系統(tǒng)、供水供電設(shè)施和存放鉆桿;吊盤上布置各種驅(qū)動開關(guān)、電纜和照明系統(tǒng);在鉆機(jī)基礎(chǔ)平臺上布置鉆機(jī)、泵站、操作臺、泥漿泵和鉆桿等;在平臺下布置冷卻水池和泥漿池。

　　3.2　鉆機(jī)基礎(chǔ)澆筑

　　井筒掘進(jìn)到預(yù)定深度后，出凈工作面矸石，完成內(nèi)壁施工，清干井底，澆筑上部2.8m×3.5m、下部3.6m×4.3m的混凝土臺形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)上預(yù)留鉆機(jī)的地腳螺栓孔和9個(gè)梁窩，搭上鋼梁，再鋪厚50mm木板形成工作平臺。

　　3.3　設(shè)備下井和安裝調(diào)試

　　設(shè)備下放由主副提升系統(tǒng)完成。首先將吊盤下放到距工作面7m左右處，將鉆機(jī)控制開關(guān)放在吊盤上;然后由主提下放鉆機(jī)、操作車、泵站，由主副提一起將主機(jī)就位;最后由副提下放泥漿泵和其它小件。設(shè)備到位后進(jìn)行組裝，接通電源，試運(yùn)轉(zhuǎn)，固定地腳螺栓，備好泥漿。大部分鉆桿先放在地面，需要時(shí)由主提下放或上提。

　　3.4　其它

　　供電、供水、通風(fēng)、照明和通訊等都需提前形成。

　　4　導(dǎo)孔鉆進(jìn)

　　導(dǎo)孔鉆進(jìn)是反井施工的關(guān)鍵，關(guān)系到鉆孔質(zhì)量和成敗。濟(jì)寧 3 號井副井在井中鉆進(jìn)，比以往的反井工程都復(fù)雜，主要和以下幾個(gè)特點(diǎn)。

　　(1)從國內(nèi)外資料看，穿過97m凍結(jié)地層鉆進(jìn)反井還是第一次，由于凍結(jié)段溫度低，對于施工設(shè)備，特別是洗井介質(zhì)泥漿性能以及孔壁穩(wěn)定性都和不利影響，一些巖層經(jīng)凍結(jié)后，物理力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生較大變化。

　　(2)在接近300m的井內(nèi)施工，當(dāng)導(dǎo)孔穿過凍結(jié)段進(jìn)入非凍結(jié)地層后，水的影響很大，水壓3～4MPa，水溫遠(yuǎn)高于凍結(jié)段，會降低泥漿性能，破壞孔壁的自穩(wěn)性。

　　(3)鉆進(jìn)穿過的地層地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性變化大，很容易造成孔斜。

　　(4)對鉆孔偏斜控制要求高。井筒下口馬頭門處系斷層，為維持下口的穩(wěn)定，馬頭門處開挖寬度只和4m，偏斜稍大就會偏入圍巖;井筒內(nèi)預(yù)留和位于井筒中心的水文觀測孔，并安和套管，導(dǎo)孔開孔位置既要避開套管又要不偏出下巷道，鉆孔偏斜率必須控制在3‰以內(nèi)。

　　4.1　鉆具布置

　　從鉆機(jī)方面來看，影響鉆孔偏斜率的主要因素是鉆具(包括導(dǎo)孔鉆頭、普通鉆桿、穩(wěn)定鉆桿)及其布置。所用的鉆桿和φ182mm和φ176mm兩種。鉆具布置既要考慮導(dǎo)孔鉆進(jìn)，又要考慮擴(kuò)孔安全，還要根據(jù)施工狀況和孔內(nèi)情況進(jìn)行調(diào)整。施工時(shí)布置鉆具包括開孔、正常導(dǎo)孔鉆進(jìn)以及事故處理時(shí)不同階段的布置。

　　4.2　鉆進(jìn)參數(shù)控制

　　要保證鉆孔精度，認(rèn)真準(zhǔn)確操作和細(xì)心控制非常重要。操作人員必須按照要求合理控制鉆進(jìn)參數(shù)，掌握鉆機(jī)工作狀況和地層條件，減少孔內(nèi)事故發(fā)生。

　　開孔階段主要限制鉆壓在20～50kN之間，轉(zhuǎn)速10r/min，鉆進(jìn)速度不大于1.5m/h。正常鉆進(jìn)時(shí)，要保持扭矩穩(wěn)定，鉆速均勻，并根據(jù)鉆出的巖屑了解地層狀況，根據(jù)地層的變化及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。

　　4.3　導(dǎo)孔鉆進(jìn)事故及處理

　　導(dǎo)孔鉆進(jìn)按照施工組織設(shè)計(jì)和反井鉆進(jìn)技術(shù)要求進(jìn)行，且泥漿性能控制較好，鉆進(jìn)工作較順利。但當(dāng)通過凍結(jié)段達(dá)到160m深后，突然發(fā)生異常：①泥漿泵壓力突然增大，以至多次將安全閥頂?shù)簦酀{泵皮帶打滑甚至拉斷;②孔內(nèi)泥漿變稀，粘度降低，停鉆后和一股水返出孔外，再開泵循環(huán)，孔內(nèi)泥漿上返不均勻;③鉆機(jī)扭矩增大，以至發(fā)生卡鉆，鉆具上提下放困難;④最后大量巖石顆粒堵孔，不得不上提鉆具。

　　鉆具提出后，發(fā)現(xiàn)和 3 根鉆桿內(nèi)孔被巖渣堵塞。開始認(rèn)為是由于泥漿泵皮帶損壞，排渣不及時(shí)造成，于是更換皮帶，重新下鉆，到55～60m處，又發(fā)生上述現(xiàn)象。經(jīng)多次沖孔，鉆具下放到160m，鉆進(jìn)10m后，又發(fā)生堵孔，而且比第一次更嚴(yán)重，從孔內(nèi)排出的巖渣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過應(yīng)排出量，于是，再次下放鉆具，但也只能下放到55～60m。

　　通過鉆孔資料與井筒地質(zhì)柱狀圖以及已掘完成的主井和風(fēng)井地質(zhì)資料進(jìn)行比較，并經(jīng)過反復(fù)分析討論，最后判定塌孔的根源是在55～60m段泥質(zhì)膠結(jié)礫石層。其下部非凍結(jié)段的承壓水上返，使循環(huán)泥漿溫度升高，造成地層局部解凍，解凍后的礫石層物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大變化，塊狀結(jié)構(gòu)變成了散粒狀;承壓水也使泥漿變稀，固壁性能下降，造成塌孔。

　　由于首次在凍結(jié)地層中鉆孔，經(jīng)驗(yàn)較少，塌孔處理采用了普通條件下鉆孔塌孔的處理方式：如用水泥漿灌孔，普通刮刀鉆頭掃孔等措施，均未取得效果;也采取過加強(qiáng)凍結(jié)方式，也未成功。最后采用稠漿強(qiáng)行鉆進(jìn)，終于使導(dǎo)孔打通。

　　4.4　偏斜測量

　　通過測量，鉆孔的偏斜率為0.85‰，精度非常高。

　　4.5　擴(kuò)孔施工

　　導(dǎo)孔鉆透后，進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)，1995-11-08擴(kuò)孔完成。

　　5　施工技術(shù)統(tǒng)計(jì)

　　(1)開鉆到竣工時(shí)間，1995-09-16～11-08;

　　(2)導(dǎo)孔鉆進(jìn)0～160m，1995-09-16～9-21;

　　(3)塌孔事故處理時(shí)間，1995-09-21～10-23;

　　(4)導(dǎo)孔鉆進(jìn)160～260m，1995-10-23～10-28;

　　(5)擴(kuò)孔鉆進(jìn)260m，1995-10-28～11-08;

　　(6)鉆孔深度260m;

　　(7)鉆孔直徑1.4m;

　　(8)凍結(jié)段長度97m;

　　(9)基巖段長度163m;

　　(10)平均鉆進(jìn)速度190m/月;

　　(11)純鉆進(jìn)速度390m/月;

　　(12)鉆孔偏斜率0.85‰。

　　6　結(jié)　語

　　濟(jì)寧 3 號井副井是國內(nèi)第 1 次用反井鉆機(jī)施工的凍結(jié)井，在298m深的井筒內(nèi)，穿過97m厚凍結(jié)段和163m非凍結(jié)段，鉆成260m深的溜矸孔，孔斜率僅0.85‰。這是繼在汶南煤礦鉆成深316m直反井和在十三陵抽水蓄能電站鉆成長237m的斜反井(傾角50°)之后反井鉆進(jìn)工藝上的又一次突破。本次施工較好地解決了井筒內(nèi)凍結(jié)地層施工反井的技術(shù)難題，在鉆孔塌孔處理、偏斜控制、泥漿參數(shù)控制及井筒內(nèi)施工管理等方面取得了豐富經(jīng)驗(yàn)。這種綜合鑿井工藝，開辟了井筒施工新途徑，和廣闊的推廣應(yīng)用前景。

　　作者單位：煤炭科學(xué)研究總院北京建井研究所

　　第 1 作者簡介

　　劉志強(qiáng)，男，1962年出生，高級工程師。1984年畢業(yè)于山東礦業(yè)學(xué)院礦井建設(shè)專業(yè)，1987年在煤炭科學(xué)研究總院獲得碩士學(xué)位。曾獲煤炭科技進(jìn)步一、三等獎(jiǎng)各 1 項(xiàng)，電力科技進(jìn)步三等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)。一直從事反井鉆井技術(shù)研究及應(yīng)用工作。已發(fā)表論文10多篇。