大直徑逃生鉆孔施工工藝及應(yīng)用研究

張 博,孫 文

(1. 太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2. 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司裝備分院,北京 100013;3.神華神東寸二礦,內(nèi)蒙古 伊旗 017209)

傳統(tǒng)的井下避難硐室僅是在發(fā)生事故時(shí)為人員在井下提供暫時(shí)的躲避空間,而且是被動(dòng)等待救援,不能主動(dòng)撤離到地面安全地點(diǎn),在救援工程量大,耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)存在一定局限性[1-2],存在如下幾點(diǎn)問(wèn)題:

1)永久避難硐室維持生存時(shí)間短,通常只有幾天時(shí)間,當(dāng)救援工作難度大、時(shí)間長(zhǎng)時(shí),避險(xiǎn)硐室的作用就得不到體現(xiàn)。

2)永久避難硐室避險(xiǎn)人員只能被動(dòng)等待救援,不能實(shí)現(xiàn)積極自主逃生。

3)礦井井筒位置多集中在工業(yè)廣場(chǎng),井田面積大,大巷長(zhǎng),安全出口數(shù)量少,難以保證及時(shí)逃生。

借鑒智利礦難、山東平邑石膏礦難救援的成功經(jīng)驗(yàn)[3],大直徑逃生鉆孔可作為礦山緊急逃生的新出口,如圖1。因此對(duì)大直徑逃生鉆孔快速施工工藝及及應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究[4-5],解決目前緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)存在的避險(xiǎn)人數(shù)受限、被動(dòng)等待救援等問(wèn)題,對(duì)實(shí)現(xiàn)神東礦區(qū)礦山安全、高效、可持續(xù)發(fā)展具有很好的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 大直徑逃生鉆孔逃生Fig.1 Escape through large-diameter boreholes

1 工程環(huán)境

1.1 礦井工程地質(zhì)

布爾臺(tái)煤礦屬于神東礦區(qū),煤層頂?shù)装鍘r石主要為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖,次為粉砂巖、粗粒砂巖及泥巖。根據(jù)鉆孔巖石物理、力學(xué)性試驗(yàn)成果:巖石的孔隙率2.23%～30.46%,巖石的含水率為0.03%～19.05%,吸水率2.18%～10.96%,抗壓強(qiáng)度吸水狀態(tài)0.3 MPa～41.5 MPa,自然狀態(tài)1.7 MPa ～52.1 MPa,平均22.4 MPa,普氏系數(shù)0.17～5.32,抗拉強(qiáng)度0.21 MPa ～3.71 MPa,抗剪強(qiáng)度0.34 MPa ～25.17 MPa,軟化系數(shù)0.07～0.96。

井田巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)平均值49%,巖體質(zhì)量指標(biāo)(M)平均值為0.037,巖石質(zhì)量劣,巖體完整性差,巖體質(zhì)量較差,穩(wěn)固性也較差。煤層頂?shù)装鍘r石的力學(xué)強(qiáng)度較低,巖石均以軟弱巖石為主,半堅(jiān)硬巖石次之,遇水軟化變形,甚至有崩解破壞現(xiàn)象,因此,煤層頂?shù)装鍘r石的穩(wěn)固性總體較差。

該大直徑鉆孔位置表土段厚度27.71 m;基巖段主要以細(xì)砂巖,砂質(zhì)泥巖、泥巖等互層,致密,堅(jiān)硬,以石英成分為主。

1.2 逃生鉆孔布置

根據(jù)布爾臺(tái)礦井田部署及開(kāi)拓條件,考慮到22煤已掘大巷分為兩段:一盤(pán)區(qū)南部大巷和正在掘進(jìn)的二盤(pán)區(qū)北部大巷,兩段長(zhǎng)度分別為4 763 m和4 473 m。一盤(pán)區(qū)南部大巷完全由工業(yè)廣場(chǎng)逃生通道和松定霍洛進(jìn)回風(fēng)立井服務(wù)半徑所覆蓋。

一盤(pán)區(qū)南部的22煤中部大巷將延伸至井田西部邊界,同時(shí)將在二盤(pán)區(qū)西部盤(pán)區(qū)邊界開(kāi)拓新的22煤大巷,因此在靠近二盤(pán)區(qū)邊界的位置增加新的逃生通道,從而能夠?yàn)槠鋿|部、西部、南部的三條22煤大巷服務(wù)。

2 大直徑鉆孔工藝

2.1 大直徑鉆孔設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)鉆孔深380.00 m,表土層厚27.71 m。表土段鉆孔直徑Φ2 550 mm,下入Φ2 140 mm×20 mm螺旋焊管,材質(zhì)Q235B,考慮到護(hù)壁管要坐到穩(wěn)定的基巖,所以表土段施工至少深入基巖段3 m到穩(wěn)定基巖層,暫定31 m,根據(jù)施工鉆進(jìn)情況再作適當(dāng)調(diào)整;基巖段鉆孔直徑Φ1 980 mm,從31 m～380 m,整井工作管采用Φ1 540 mm×20 mm鋼管,材質(zhì)Q235B。另外,在井筒內(nèi)還要下入Φ203 mm×12 mm一套金屬管,材質(zhì)20#無(wú)縫鋼管。

施工用重型鉆機(jī)GZ-2600,配套大功率TBW-1200/7B泥漿泵。

2.2 大直徑鉆孔施工工藝[6-8]

1)孔口管固定:在鉆孔指定位置將長(zhǎng)2 mΦ2 800 mm×12 mm的孔口管垂直固定在地層里并高出地表200 mm,周?chē)盟嗌皾{填埋,在出漿方向割開(kāi)泥漿出口,其截面同泥漿溝槽。鉆機(jī)底盤(pán)安裝后,將孔口管用盤(pán)元均分四個(gè)點(diǎn)與底盤(pán)固定,以防孔口管在施工中墜入孔內(nèi)。

2)開(kāi)口鉆進(jìn):選用超前Φ600 mm組合鉆頭,配備Φ510 mm鉆鋌全斷面鉆進(jìn)至31 m,調(diào)漿測(cè)孔1次,確保鉆孔上部偏斜控制在3‰以?xún)?nèi),以探明地質(zhì)情況,指導(dǎo)后續(xù)施工。改用二級(jí)Φ1 500 mm組合鉆頭擴(kuò)孔至31 m,再改用Φ2 550 mm組合鉆頭擴(kuò)孔至31 m。

3)直接安裝Φ2 140 mm×20 mm護(hù)壁管并固管。

4)基巖段鉆進(jìn):選用Φ600 mm三牙輪組合鉆頭超前鉆進(jìn),配備Φ510 mm鉆鋌全斷面鉆進(jìn)至380 m,每隔50 m調(diào)漿測(cè)孔1次,確保鉆孔偏斜控制在3‰以?xún)?nèi),以探明地質(zhì)情況,指導(dǎo)后續(xù)施工。改用二級(jí)Φ1 500 mm組合鉆頭擴(kuò)孔至380 m,再改用Φ1 980 mm組合鉆頭擴(kuò)孔至380 m。

5)由于孔徑大、孔深,破碎巖屑多、顆粒大,為有效排除巖屑,提高鉆進(jìn)效率,選用兩臺(tái)TBW-1200/7B泥漿泵,進(jìn)行泥漿循環(huán),實(shí)施噴射鉆進(jìn)技術(shù)并配備旋流振動(dòng)篩篩出泥漿中固相顆粒。

6)每隔50 m測(cè)孔1次,根據(jù)偏斜情況,制定下一步鉆孔方案。

7) 減壓鉆進(jìn),鉆壓不得超過(guò)鉆鋌重量的80%。

8) 由于工作管超過(guò)鉆塔承載能力,為安全起見(jiàn),采用漂浮工藝下沉,確保下沉安全。

9) 由于Φ203 mm×12 mm金屬管總重近22 t,沒(méi)有超過(guò)鉆塔承載能力,故采用外管箍連接,直接管卡下放安裝,所用焊條滿(mǎn)足焊接工藝性能,焊接質(zhì)量合格。井口必須設(shè)置井口操作平臺(tái),確保作業(yè)安全,防止高空墜落事件的發(fā)生。

大直徑鉆孔施工工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 大直徑鉆孔施工工藝流程Fig.2 Construction process of large-diameter boreholes

2.3 下管方法

Φ2 140 mm×20 mm護(hù)壁套管總重量?jī)H19 t;Φ203 mm×12 mm金屬管總重量?jī)H22 t,所以直接安裝下放。Φ1 540 mm×20 mm工作管由于超重,達(dá)278 t,為安全起見(jiàn),應(yīng)采用漂浮下沉工藝安裝下放工作管。除Φ203 mm×12 mm金屬管采用外管箍連接其它兩套管路均采用坡口焊接連接,護(hù)壁管安裝施工圖見(jiàn)圖3。

3-a 平面圖

3-b 剖面圖圖3 護(hù)壁管安裝施工圖Fig.3 Installation and construction of wall-protecting pipes

3 護(hù)壁管穩(wěn)定性分析

3.1 分析依據(jù)

驗(yàn)算鋼管環(huán)向穩(wěn)定性時(shí),可近似采用受均勻外壓的無(wú)限長(zhǎng)兩端封閉圓柱薄殼失穩(wěn)臨界壓力公式:

(1)

式中:Pcr為計(jì)算深度處鋼管的徑向失穩(wěn)壓力,MPa;E為計(jì)算深度處鋼管的彈性模量,MPa;t為薄殼的厚度,m,取t=r1-r0;r1為薄殼的外半徑,m;r0為薄殼的內(nèi)半徑,m。r為薄殼的半徑,m,取r=(r1+r0)/2,為安全起見(jiàn),可取r=r1;νh為計(jì)算深度處鋼管的泊松比;γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),1.0～1.1;γG為荷載分項(xiàng)系數(shù),1.35;γM為材料分項(xiàng)系數(shù),1.1;σs為環(huán)向壓力,MPa。

根據(jù)石油行業(yè)常用下述公式對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)的擠毀壓力進(jìn)行計(jì)算[9]:

(2)

式中:Pco為彈性擠毀壓力,MPa;Dc為套管管體外直徑,mm;δ為套管管體壁厚,mm。

公式(3):

(3)

式中: 彈性模量取E=2.06×105,泊松比取μ=0.3。

公式(3)是由虎克定律作為基礎(chǔ)推導(dǎo)出來(lái),因此只能適用彈性范圍,公式(2)是克林頓司特通過(guò)大量試驗(yàn)研究后得到的,并考慮了套管壁厚的不均勻性。

從上式還可以看出,套管抗擠彈性強(qiáng)度只與鋼材彈性系數(shù)和幾何尺寸有關(guān),而與材料強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

3.2 Φ1540護(hù)壁管校驗(yàn)分析

護(hù)壁管鉆孔垂深0～31 m采用Φ2 140 mm×20 mm,下部垂深0～380 m采用Φ1 540 mm×20 mm。

1)Pcr=2.06×105×203/4×(2 140/2)3×(1-0.32)=0.37(在-31 m處);

γ0γGσs/γM=1.05×1.35×1.65水泥比重×31÷1.1÷1 000=0.065 9;

γ0γGσs/γM=1.05×1.35×1.2泥漿比重×31÷1.1÷1 000=0.047 9;

其安全系數(shù)K1=0.37/(0.063-0.047)=0.37/0.018=20.56。

2)Pcr=2.06×105×203/4×(1 540/2)3×(1-0.32)=0.99(在-380 m處);

γ0γGσs/γM=1.05×1.35×1.65×380÷1.1÷1 000=0.808;

γ0γGσs/γM=1.05×1.35×1.2×380÷1.1÷1 000=0.588;

其安全系數(shù)K2=0.99/(0.808-0.588)=0.99/0.22=4.5。

國(guó)家安全規(guī)定鋼管穩(wěn)定性安全系數(shù)為3,因此安全系數(shù)符合規(guī)定要求。

4 結(jié)論

1)總結(jié)了礦山現(xiàn)有緊急避險(xiǎn)逃生設(shè)施的建設(shè)特點(diǎn),分析需要改進(jìn)問(wèn)題,提出地面大直徑鉆孔作為新型逃生通道,完善了礦山安全出口的建設(shè)。

2)根據(jù)布爾臺(tái)煤礦的礦井特點(diǎn),分析了大直徑鉆孔合理的布設(shè)位置,對(duì)大直徑鉆孔施工工藝和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了研究與應(yīng)用。

3)護(hù)壁管的穩(wěn)定性是大直徑鉆孔施工的難點(diǎn),本文校核了護(hù)壁管的穩(wěn)定,為大直徑鉆孔的安全施工提供參考依據(jù)。

[1] 孫繼平.煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)研究 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011(1):69-71,114.

SUN Jiping.Research on Emergency Refuge System in Underground Coal Mine[J].Coal Science and Technology, 2011(1):69-71,114.

[2] 王志堅(jiān).礦山鉆孔救援技術(shù)的研究與務(wù)實(shí)思考[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2011(1):5-9.

WANG Zhijian.Research and Practical Thinking of Mine Drilling Rescue Technology[J].Journal of Safety Science and Technology,2011(1):5-9.

[3] 李亮.旋挖鉆機(jī)在平邑石膏礦坍塌事故大直徑救生孔鉆進(jìn)中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2016(5):17-21.

LI Liang.Application of Rotary Drilling Rig in Large Diameter Lifesaving Drilling in Collapse Accident of Gypsum Mine in Pingyi[J].Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling),2016(5):17-21.

[4] 赤文林.礦井垂直救援繩纜提升系統(tǒng)的研究[D].太原:太原理工大學(xué),2015.

[5] 于興建,金龍哲,黃鳳祥,等.王家?guī)X2號(hào)避難硐室逃生鉆孔構(gòu)建[J].煤礦安全,2015,46(7):225-227.

YU Xingjian,JIN Longze,HUNG Fengxiang,etal.Construction of Escape Hole for Refuge Chamber of Wang Jia Ling 2[J].Safety in Coal Mines,2015,46(7):225-227.

[6] 王潤(rùn)平.大直徑救生孔避難硐室的設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析[J].中州煤炭,2013(4):87-89.

WANG Runping.Design and Application Analysis of Refuge Chamber with Large Diameter Lifesaving Hole[J].China Energy and Environmental Protection,2013(4):87-89.

[7] 申永福,劉寶德,李清云.車(chē)集煤礦瓦斯抽放孔鉆井技術(shù)[J].科技信息,2010(21):1003,1006.

SHEN Yongfu,LIU Baode,LI Qingyun.Gas Drainage Well Drilling in Cheji Coal Mine[J].Science & Technology Information,2010(21):1003,1006.

[8] 唐勝利,王力,張智明,等.重慶南桐礦區(qū)瓦斯抽放孔快速鉆探技術(shù)措施[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2007(12):9-12.

TANG Shengli,WANG Li,ZHANG Zhiming,etal.Put the Hole Rapid Drilling Technologies Chongqing Nantong Coal Mine Drainage[J].Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling),2007(12):9-12.

[9] 孫永興,林元華,施太和,等.套管全管壁屈服擠毀壓力計(jì)算[J].石油鉆探技術(shù),2011,39(1):48-51.

SUN Yongxing,LIN Yuanhua,SHI Taihe,etal.Calculation of Yield Collapse Pressure of Casing Wall[J].Petroleum Drilling Techniques,2011,39(1):48-51.