祁南煤礦厚新地層、千米井筒檢查孔施工技術(shù)

張登偉，束學(xué)照

（1.淮北祁南煤礦安全改建工程項(xiàng)目部，安徽淮北 235000， 2.淮北礦業(yè)集團(tuán)勘探工程公司，安徽 淮北 235000）

祁南煤礦厚新地層、千米井筒檢查孔施工技術(shù)

張登偉1，束學(xué)照2

（1.淮北祁南煤礦安全改建工程項(xiàng)目部，安徽淮北 235000， 2.淮北礦業(yè)集團(tuán)勘探工程公司，安徽 淮北 235000）

祁南煤礦安全改建工程中的三個(gè)井檢孔所處新地層松散層厚度較大，且所含粘土層所占比例較高，特別是三隔粘土層平均厚110 m，巖性為弱固結(jié)狀的含鈣質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土，在利用井筒凍結(jié)技術(shù)施工過程中，由于其技術(shù)難度較大，故在井筒設(shè)計(jì)和施工安全上應(yīng)高度重視，最終滿足“一礦二井”的安全生產(chǎn)管理模式。

井筒檢查孔； 施工技術(shù)； 研究

1 概況

祁南煤礦位于安徽省宿州市南約17 km，行政區(qū)劃為宿州市埇橋區(qū)祁縣鎮(zhèn)、桃園鎮(zhèn)，井田面積為112.31 km2，井田內(nèi)有淮河主要支流澮河從井田中部穿過，屬季節(jié)性河流。本井田地處淮北平原中部，地勢(shì)平坦，地面標(biāo)高一般在＋17.2～＋22.2 m，屬季風(fēng)溫暖半濕潤(rùn)氣候，四季分明，冬冷夏熱。

根據(jù)祁南煤礦地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，按照合肥設(shè)計(jì)研究院編制的《井筒檢查孔施工技術(shù)要求》。該工程由淮北礦業(yè)集團(tuán)公司勘探工程公司承擔(dān)施工并提交資料。風(fēng)、副、主井檢查孔于2010年開工，經(jīng)過4個(gè)多月的野外艱苦施工，于2011年順利完成全部施工任務(wù)，共完成鉆探工程量3 905.31 m，其中主檢孔1 151.36 m，副檢孔1 377.24 m，風(fēng)檢孔1 376.71 m，如圖1所示。

2 井檢孔主要技術(shù)指標(biāo)及要求

根據(jù)《祁南煤礦安全改建項(xiàng)目井筒檢查孔施工技術(shù)要求》其主要技術(shù)指標(biāo)如下。

各井檢孔自垂深10 m下全孔取芯，采取率表土層和基巖不少于75%，沙層、破碎帶及軟層不少于60%，煤層（可采煤層）力爭(zhēng)達(dá)到95%，并取煤層樣和瓦斯樣，巖芯經(jīng)地質(zhì)技術(shù)人員描述鑒定后按順序貼好每回次標(biāo)簽依次擺放，保管完整。

圖1 檢查孔與井筒位置關(guān)系平面圖

砂層及粘土層從厚度大于2 m的砂層中，每孔取8組（一、二、三含6組，四含2組）樣進(jìn)行測(cè)試，其內(nèi)容顆粒成分、濕度、容重、密度、孔隙度、滲透系數(shù)及摩擦角。

當(dāng)巖層成分變化大厚度大于5 m是增加取樣數(shù)量，對(duì)主要可采煤層頂?shù)装鍑?yán)格取樣，特別在－970 m處、－1 200 m處和－900～－990 m，基巖面后50 m需加密取樣，測(cè)試內(nèi)容：抗剪強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、容重、凝聚力系數(shù)抗壓強(qiáng)度。

井檢孔穿過1、2、32、61、62、63、71、72、8等主要（可采）煤層，要求取樣煤層的工業(yè)指標(biāo)，瓦斯含量，放散初速度ΔP，a、b常數(shù)和堅(jiān)固系數(shù)，可燃性、爆炸性指標(biāo)及物理力學(xué)性質(zhì)。

認(rèn)真做好簡(jiǎn)易水文觀測(cè)工作和抽注水試驗(yàn)工作，同時(shí)做好松散層新地層及基巖混合抽水試驗(yàn)各一次（流量流速測(cè)井），確定各含水層參數(shù)，預(yù)計(jì)各井筒涌水量。

3 井檢孔鉆探施工程序

3.1 鉆進(jìn)工藝的確定

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，確定以合金取芯鉆進(jìn)、金剛石鉆進(jìn)為主要鉆進(jìn)工藝；取煤器鉆進(jìn)煤層及其頂、底板；以泥漿（套管）進(jìn)行護(hù)壁；以優(yōu)質(zhì)低固相泥漿作為沖洗液，根據(jù)地層情況和工藝需求，合理優(yōu)選類型和配方，使其性能指標(biāo)滿足施工要求，并保持性能穩(wěn)定。

3.2 工藝流程

測(cè)放鉆孔→場(chǎng)地平整→設(shè)備（底盤及鉆塔、鉆機(jī)）安裝→開孔準(zhǔn)備→Φ91取芯鉆進(jìn)至基巖面→測(cè)井→Φ190擴(kuò)孔基巖面下套管（洗井、抽水試驗(yàn)、流量測(cè)井）→Φ91取芯鉆進(jìn)至終孔層位→測(cè)井→（洗井、抽水試驗(yàn)、流量測(cè)井）→封孔。

4 鉆探施工工藝與施工參數(shù)

4.1 鉆探施工工藝

鉆進(jìn)方法。覆蓋層、巖層采用硬質(zhì)合金、PDC鉆頭鉆進(jìn)；到達(dá)煤層頂板接近煤層時(shí)，換用取煤器取芯鉆進(jìn)。

鉆具的選擇。巖層取芯選擇取芯鉆具；煤層取芯選擇SXMD—2型取煤器。

鉆頭的選擇。取芯選用Φ91 mm取芯鉆頭，煤層及其頂?shù)装暹x用Φ91 mm單動(dòng)雙管取煤器階梯式側(cè)底噴鉆頭；擴(kuò)孔選用Φ190 mm擴(kuò)孔鉆頭。

沖洗液與護(hù)壁堵漏。根據(jù)本礦區(qū)煤田鉆進(jìn)的特點(diǎn)，沖洗液應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)低固相、無固相泥漿，原材料選用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土，并根據(jù)地層情況合理加入相應(yīng)的泥漿處理劑進(jìn)行調(diào)整。常用的泥漿處理劑有：PHP、CMC、Na2CO3、PM植物膠、KP共聚物、腐植酸鉀（KHM）。可有效地排除孔內(nèi)巖粉，提高沖洗介質(zhì)的懸浮能力。

鉆孔采用泥漿及化學(xué)處理劑結(jié)合套管進(jìn)行護(hù)壁。鉆進(jìn)中如遇小的漏失，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整沖洗液配方或填加化學(xué)處理劑進(jìn)行防漏；如漏失較大，則用堵漏材料或水泥漿液進(jìn)行堵漏。

4.2 鉆進(jìn)參數(shù)

開孔鉆進(jìn)覆蓋層，鉆速快，鉆粉多，易糊鉆；自然造漿率高，泥漿粘度大，鉆頭所受阻力大。鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)保持輕壓、中速、大泵量，鉆進(jìn)規(guī)程應(yīng)控制在壓力200～400 kg，轉(zhuǎn)速75～300 r/min，沖洗液量180～250 L/min。

取芯鉆進(jìn)，鉆頭為復(fù)合片式，鉆桿內(nèi)外管間隙、鉆頭與卡簧座間隙較小，鉆進(jìn)時(shí)容易造成堵塞，且鉆速快、巖粉多，易埋鉆。鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)保持中壓、中速、較大泵量，鉆進(jìn)壓力應(yīng)控制在800～1 000 kg，轉(zhuǎn)速150～300 r/min，沖洗液量150～250 L/min。

取煤器鉆進(jìn)，鉆頭底唇面大，環(huán)狀間隙小，鉆頭水眼小；進(jìn)入煤層后，水流對(duì)煤芯有較強(qiáng)的沖刷作用，易造成煤芯丟失。鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)保持較大壓力、中速、小泵量，快速鉆進(jìn)，鉆進(jìn)壓力應(yīng)控制在800～1 000 kg，轉(zhuǎn)速150～300 r/min，沖洗液量120～150 L/min。

5 獲得的地質(zhì)資料及成果

5.1 地層情況

井檢孔揭露地層自上而下有：第四紀(jì)、第三系、上、下石盒子組和山西組（部分）見表1。

表1 地層情況統(tǒng)計(jì)表

由此表可知，新地層（Q＋N）深度為336.85～340.25 m，其中含有四個(gè)含水層和三個(gè)隔水層。二疊系地層本次3個(gè)井檢孔揭露厚度平均為1 006.3 m，巖性主要由砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成。本區(qū)風(fēng)氧化帶厚度受巖性裂隙發(fā)育程度及“四含”影響，巖石多呈褐黃色、灰褐色，雜色等，松軟巖石多為碎塊狀，各孔風(fēng)氧化帶厚度見表2。

5.2 構(gòu)造分析

三個(gè)井檢孔見破碎帶各一個(gè)厚度分別為2.6 m和6.2 m，巖性混雜松軟滑面摩擦痕跡明顯，另根據(jù)測(cè)井資料見有兩處11.6 m個(gè)22.5 m的破碎帶，經(jīng)與巖芯比較，可推斷兩條3～5 m斷層。

5.3 井筒水文地質(zhì)成果

三個(gè)井檢孔確定了井筒穿過新生界和松散地層，屬含隱蔽礦床見表3。

表2 各檢查孔風(fēng)氧化帶深度一覽表

表3 含、隔水層（組、段）劃分情況表

基巖段含水層（二疊系）主要?jiǎng)澐謨纱蠖危湟粸镵3砂巖含層段（32煤底板下約40 m處）和6～8煤段砂巖含水層段。

根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理，預(yù)計(jì)井筒涌水量，因井筒表土段采用凍結(jié)法和鉆井法施工，故只能預(yù)計(jì)基巖段含水層的井筒涌水量，按大井法穩(wěn)定流承壓－無壓完整井裘布依水量計(jì)算公式計(jì)算，其結(jié)果見表4。

表4 各井筒涌水量及參數(shù)選擇表

5.4 開采地質(zhì)條件分析

由于井檢孔較深，實(shí)測(cè)最深點(diǎn)1 370 m，井溫為44.78℃屬二級(jí)熱害區(qū)，為井筒施工和礦井開拓治理熱害提供了依據(jù)。

瓦斯含量及壓力，本次采集了1、2、32、61、7等5個(gè)煤層的瓦斯樣進(jìn)行了分析，經(jīng)測(cè)試CH4含量一般在3.65～10.05 m3/t，應(yīng)屬高瓦斯礦井，壓力測(cè)試見表5。

表5 主、副、風(fēng)檢孔壓力測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論

祁南煤礦新地層松散層厚度較大，且含粘土層所占比例較高，特別是三隔粘土層平均厚110 m，巖性為弱固結(jié)狀的含鈣質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土，在利用井筒凍結(jié)施工，建議在井筒設(shè)計(jì)和施工中高度重視。

本次鉆孔內(nèi)所測(cè)主采煤層瓦斯壓力及參數(shù)僅供參考，建議應(yīng)重視井筒掲煤和瓦斯治理工作。

由于井筒暫沒有施工，鉆孔所揭露的地質(zhì)資料和參數(shù)有待進(jìn)一步的證實(shí)和查明。

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Research on Key Technology in Construction of Thick New Formation and Thousand Shaft Examination Hole in Qinan Mine

ZHANG Deng－wei1，SHU Xue－zhao2
（1.The Safety Reconstruction Project Department of Qinan Mine in Huaibei，Huaibei Anhui235000；2.The Exploration Project Company of Huaibei Mining Industry Group，Huaibei Anhui235000）

The new stratigraphic in the three well inspection holes of safety reconstruct project in Qinan mine，which the thickness of losses bed is lager and contains a higher proportion of clay layer，especially the average thickness of the three aquifuge clay layer is 110 meter which the lithology is weak consolidated calcium－containing clay and sandy clay.In the process of using shaft freezing technology，because of this technology is more difficult，we need to pay great attention to the shaft design and construction shafty，to meet the safety production management mode of“one mine with two wells”finally.

monitoring shaft hole；construction technology；study

TD262

B

1671－4733（2011）05－0009－04

10.3969/j.issn.1671－4733.2011.05.004

2011－08－30

張登偉（1961－），男，安徽碭山人，高級(jí)工程師，從事礦井地質(zhì)與建井技術(shù)工作，電話：13855707926。