采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在井筒內(nèi)施工泄水孔實(shí)踐

李廣兵，葉禮明，李 泉，石 民，宋毅鑫

(淮北礦業(yè)〈集團(tuán)〉勘探工程有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235047)

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采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在井筒內(nèi)施工泄水孔實(shí)踐

李廣兵，葉禮明，李 泉，石 民，宋毅鑫

(淮北礦業(yè)〈集團(tuán)〉勘探工程有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235047)

袁店一井煤礦風(fēng)井井筒基巖段施工中遇工作面大量涌水，排水能力無(wú)法滿足掘砌需要。為保證井筒掘砌施工安全，提出施工鉆孔直達(dá)風(fēng)巷的方法進(jìn)行快速泄水，但已無(wú)法進(jìn)行傳統(tǒng)泥漿鉆進(jìn)。通過(guò)采用長(zhǎng)距離懸空鉆桿結(jié)合空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)以及孔口管的安裝等施工工藝和措施，有效解決了巖粉上返、水壓過(guò)大、鉆桿擺動(dòng)等施工技術(shù)難題，快速地完成了泄水孔的施工，成功將井筒基巖段涌水排入井下水倉(cāng)，從而確保了井筒的安全和快速施工。

井筒涌水；懸空鉆桿；孔口管；潛孔錘鉆進(jìn)；空氣鉆進(jìn)

0 引言

地面預(yù)注漿技術(shù)是礦山特殊地層鑿井的一項(xiàng)重要技術(shù)[1-2],在煤礦井筒建設(shè)需要穿過(guò)含水豐富的基巖地層時(shí)往往會(huì)采用該技術(shù)，在淮北礦區(qū)有多次應(yīng)用[3-6]。地面預(yù)注漿一般是在井筒掘砌之前完成，才能有效隔絕涌水對(duì)施工安全的影響。如若在掘砌過(guò)程中遇大量涌水工作面注漿無(wú)法有效施工時(shí)再考慮采用地面預(yù)注漿的方法，將會(huì)大大影響施工進(jìn)度與施工成本。陜西彬長(zhǎng)文家坡礦井排矸立井在施工過(guò)程中遇到工作面大量涌水的問(wèn)題，針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種利用長(zhǎng)距離懸空鉆桿導(dǎo)向管鉆孔技術(shù)，模擬鉆孔環(huán)境進(jìn)行泥漿循環(huán)鉆孔施工，將涌水導(dǎo)入巷道，成功對(duì)工作面進(jìn)行了泄水[7]。本文結(jié)合工程實(shí)例，提出另一種施工方法，利用空氣鉆進(jìn)技術(shù)，以快速有效地解決井筒掘砌工作面涌水問(wèn)題。

1 工程概況

袁店一礦東風(fēng)井設(shè)計(jì)深度757.50 m，凈直徑6500 mm，311 m以淺沖積層及基巖風(fēng)化帶采用凍結(jié)法施工，余下446.5 m基巖段采用普通鑿井法施工。掘進(jìn)至316 m位置時(shí)遇含水層，井筒涌水量急劇增大，最大涌水量達(dá)到80 m3/h。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能力有限，每天排水時(shí)間高達(dá)12 h，已經(jīng)無(wú)法滿足掘進(jìn)以及井壁澆筑等施工的需要。為了解決該施工問(wèn)題，提出采用長(zhǎng)距離懸空鉆桿結(jié)合空氣潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工工藝從風(fēng)井工作面施工垂直鉆孔至井筒下口進(jìn)入已經(jīng)建成的回風(fēng)巷道，將井筒涌水引至井下水倉(cāng)，再由此排出礦井。

2 地質(zhì)特征及水文地質(zhì)條件

該孔位于礦井東部，根據(jù)袁店一井煤礦東風(fēng)井檢查鉆孔提供的地質(zhì)資料：鉆孔穿過(guò)地層自上而下依次為第四系和二疊系。第四系厚約269.30 m，基巖部分主要由泥巖、粉砂巖、砂巖、煤層和破碎帶組成，其中破碎帶分為5層：①450.76～461.93 m，厚度11.17 m；②467.05～469.05 m含水層，厚度2.13 m；③499.02～503.29 m含水層，厚度4.27 m；④535.50～537.00 m含水層，厚度1.50 m；⑤655.64～658.62 m，厚度2.98 m。

根據(jù)檢查孔水文地質(zhì)資料，316 m工作面以深還存在4個(gè)含水層：①388.50～399.75 m含水層，厚度11.25 m；②471.75～486.05 m含水層，厚度14.30 m；③609.25～614.35 m含水層，厚度5.10 m；④745.10～754.26 m含水層，厚度9.16 m。根據(jù)檢查孔測(cè)井資料，預(yù)計(jì)井筒涌水量80 m3/h。

3 鉆孔設(shè)計(jì)

3.1 確定鉆孔地面位置

鑒于井筒工作面空間不足，加之已開(kāi)挖部分難于進(jìn)行傳統(tǒng)的泥漿循環(huán)鉆井，提出在井筒上口布置鉆機(jī)。袁店一礦東風(fēng)井搶險(xiǎn)快速放水鉆孔理論孔位應(yīng)設(shè)在東風(fēng)井井筒中心，但由于既有礦建現(xiàn)有井架限制，鉆機(jī)天車只能固定在礦建井架一個(gè)地方，從而導(dǎo)致鉆孔無(wú)法布置在井筒中心，只能從天車下放中線找垂點(diǎn)，找最接近的點(diǎn)安裝施工。

3.2 工作面導(dǎo)向管埋設(shè)

井下工作面預(yù)先施工一段5 m鉆孔，鉆孔埋設(shè)孔口管，固管止水。工作面再用護(hù)筒澆筑混凝土穩(wěn)固孔口管?？卓诠苡娩摻z繩結(jié)合螺旋錨桿固定在井筒壁上，以防止鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿擺動(dòng)打脫孔口管。

3.3 鉆孔施工方案

利用長(zhǎng)距離懸空鉆桿空氣潛孔錘回轉(zhuǎn)鉆孔技術(shù)進(jìn)行鉆井。一方面借助空氣作為攜巖介質(zhì)，巖粉直接排至井筒工作面，另外一方面利用空氣作為潛孔錘沖擊的動(dòng)力來(lái)源。鉆進(jìn)過(guò)程中采用低轉(zhuǎn)速、低鉆壓鉆進(jìn)。同時(shí)與礦建隊(duì)伍排水工作做好協(xié)調(diào)工作。終孔測(cè)斜至關(guān)重要，一旦鉆孔未進(jìn)入巷道，采取井下巷道貫通泄水。

根據(jù)排水需要，設(shè)計(jì)鉆孔深度為755.84 m，鉆孔施工長(zhǎng)度為439.84 m，孔徑216 mm。鉆孔內(nèi)下放?139.7 mm×9.17 mm篩管，絲扣外管箍連接，絲扣涂抹環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠。設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 鉆孔施工

4.1 加固工作

由于井口空間有限，無(wú)法進(jìn)行正常的鉆機(jī)井架安裝，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和鉆進(jìn)需要，對(duì)鉆機(jī)底盤和井架天輪平臺(tái)做了相應(yīng)加固工作，達(dá)到滿足鉆孔施工安全要求。由于鉆機(jī)坐在井筒底盤的工字鋼上，施工前必須對(duì)工字鋼進(jìn)行加固，設(shè)計(jì)用2個(gè)25a槽鋼對(duì)面焊接加固支撐，下支撐點(diǎn)為永久井壁，上支撐點(diǎn)為井筒底盤的工字鋼。鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)底盤下用螺栓固定在井盤底梁。天車底盤安裝在井筒天輪平臺(tái)的工字鋼上，用鋼板及銷釘、螺絲加固。

圖1 設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)示意

4.2 導(dǎo)向管施工

(1)鉆具下到掘進(jìn)工作面后，在井底鉆具垂點(diǎn)用風(fēng)錘和風(fēng)鎬挖好鉆頭鉆窩，鉆窩大小稍大于?311 mm潛孔錘，深度≮1 m。

(2)用?311 mm潛孔錘鉆進(jìn)5 m以便下放孔口管。將加工好的長(zhǎng)度12 m的帶喇叭口的孔口管(?244.5 mm鋼管)下入鉆孔，然后在孔口管上部用螺旋錨桿和鋼絲繩將之與井壁使進(jìn)行固定。調(diào)整好中心位置，用水泥漿進(jìn)行固管。在孔口管外圍用長(zhǎng)1.3 m規(guī)格?1500 mm×7 mm的管材作為護(hù)筒，內(nèi)部扎鋼筋籠后澆筑C40混凝土，護(hù)筒外再用混凝土做坡腳固定。導(dǎo)向管結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 導(dǎo)向管結(jié)構(gòu)示意

(3)固管時(shí)間≮3 d。之后經(jīng)試驗(yàn)合格后方可進(jìn)行下一步鉆進(jìn)工作，否則必須重新固管。

4.3 鉆進(jìn)設(shè)備及機(jī)具選擇

(1)根據(jù)空氣鉆進(jìn)技術(shù)要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，采用兩空一增的空氣鉆進(jìn)設(shè)備配置。通過(guò)設(shè)備選型最終確定了鉆機(jī)等設(shè)備型號(hào)，具體情況見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)備情況

空壓機(jī)是空氣鉆進(jìn)施工的關(guān)鍵設(shè)備?？諌簷C(jī)采用美國(guó)壽力DLQ1250XHH/1525XH雙工況型，低壓擋額定壓力2.41 MPa(350 Psi)時(shí)，氣量43.2 m3/min；高壓擋額定壓力3.45 MPa(500 Psi)時(shí)，氣量35.4 m3/min。增壓機(jī)選用蚌埠產(chǎn)ZR4015MPA型，氣量40 m3/min，最大增壓到15 MPa。

(2)為保證鉆孔垂直度，防止孔斜，同時(shí)考慮鉆進(jìn)氣量問(wèn)題，主鉆具采用?127 mm鉆桿。鉆具組合為：?127 mm鉆桿+?178 mm鉆鋌+?311/216 mm潛孔錘。

4.4 施工環(huán)境改進(jìn)

(1)由于井筒內(nèi)有吊盤、井口有封口盤等，這些設(shè)施影響鉆孔布置。因此，應(yīng)對(duì)吊盤、封口盤和二層平臺(tái)進(jìn)行改造，即把對(duì)鉆孔施工有影響的部位進(jìn)行開(kāi)孔切除，切除部分待鉆孔完畢后要進(jìn)行恢復(fù)；為防止切除部分墜落至井筒內(nèi)，提前對(duì)切除部分采取安全防墜措施。

(2)對(duì)于井口薄弱部分，重新鋪墊鋼板；井口所有電纜進(jìn)行包裹，以免損壞傷人；加工工作臺(tái)板，以便工人方便操作?，F(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境見(jiàn)圖3。

4.5 鉆進(jìn)工藝參數(shù)

鉆孔施工總長(zhǎng)度448 m，實(shí)際鉆進(jìn)工期9 d(純鉆進(jìn)時(shí)間48 h)，平均49.7 m/d(9 m/h)?？諝忏@進(jìn)設(shè)備組合及施工現(xiàn)場(chǎng)布置如圖4所示。

4.5.1 轉(zhuǎn)速

為確保在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿的擺動(dòng)幅度及對(duì)孔口管的擾動(dòng)降到最低，將轉(zhuǎn)速降低到30 r/min左右。

4.5.2 鉆壓

圖3 現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境

圖4 空氣鉆進(jìn)設(shè)備組合施工現(xiàn)場(chǎng)布置示意

由于潛孔錘的特殊構(gòu)造和工作原理，壓力過(guò)大或者過(guò)小沖擊器均無(wú)法工作或者效率很低，進(jìn)尺慢，所以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地層情況，鉆壓控制在20 kN左右的低壓力。鉆進(jìn)時(shí)要給壓均勻，采用懸吊鉆進(jìn)，以防鉆桿產(chǎn)生較大的橫向扭矩。

4.5.3 氣壓

空壓機(jī)出氣壓力受鉆孔深度及涌水量的影響。隨著鉆孔深度的增大不斷增大，特別是開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)用于舉水的壓力增加得很快。開(kāi)孔時(shí)壓力舉水空氣壓力1.5 MPa，鉆進(jìn)壓力1.2 MPa；400 m時(shí)舉水空氣壓力超過(guò)了3.5 MPa，不得不使用增壓機(jī)舉水，舉水結(jié)束后再使用普通空壓機(jī)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時(shí)空氣壓力達(dá)到了1.8 MPa；穿過(guò)第二層含水層后壓力明顯上升，到600 m時(shí)舉水空氣壓力達(dá)到了4.5 MPa，鉆進(jìn)時(shí)空氣壓力2.7 MPa；隨后壓力增加的更大，舉水壓力達(dá)到了5 MPa，鉆進(jìn)時(shí)空氣壓力也是達(dá)到了3.4 MPa。

4.6 終孔結(jié)構(gòu)

鉆孔終孔深度762 m，達(dá)到設(shè)計(jì)深度，由于該孔技術(shù)條件限制，無(wú)法使用泥漿配合螺桿鉆具，難以糾斜，鉆孔未進(jìn)入巷道。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)商研究決定利用自尋北陀螺儀鉆桿內(nèi)進(jìn)行測(cè)井，找準(zhǔn)方位在井下巷道內(nèi)施工鉆孔對(duì)接貫通泄水。鉆孔施工完畢，下入?139.7 mm×9.17 mm篩管，泄水成功，泄水量達(dá)到約100 m3/h。

鉆孔實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 泄水鉆孔實(shí)際鉆孔結(jié)構(gòu)示意

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)相關(guān)技術(shù)攻關(guān)與方案調(diào)整，解決了制約長(zhǎng)距離懸空無(wú)法進(jìn)行傳統(tǒng)泥漿鉆進(jìn)及鉆桿擺動(dòng)的問(wèn)題，克服了水量大、壓力大的施工影響因素，圓滿完成鉆孔的施工任務(wù)。該施工方法與地面預(yù)注漿相比，投入低、速度快。本次工程經(jīng)驗(yàn)為建井中遇到涌水情況提供了一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)高效的解決方法。不足之處是孔斜難以控制，需要下一步重點(diǎn)研究解決。

[1] 崔云龍.簡(jiǎn)明建井工程手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2003.

[2] 郭培強(qiáng)，尚國(guó)安.立井井簡(jiǎn)含水層地面預(yù)注漿施工技術(shù)[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2009，21(S2)：60-61.

[3] 許延春.豎井施工中用地面預(yù)注漿法堵塞裂隙涌水和加固巖層[J].煤田地質(zhì)與勘探，1995，(2):41-44.

[4] 昌修林.地面預(yù)注漿技術(shù)在立井井筒施工中的應(yīng)用[J].建井技術(shù)，2007,28(5:)：12-14.

[5] 胡煥明.地面預(yù)注漿技術(shù)在楊柳煤礦井筒施工中的應(yīng)用[J].建井技術(shù)，2006,27(5)：2-4.

[6] 趙厚勝.井筒地面預(yù)注漿施工技術(shù)[J].煤炭技術(shù),2006,25(9):96-98.

[7] 丁振宇.地面預(yù)注漿技術(shù)在袁店二礦風(fēng)井施工中的應(yīng)用[J].建井技術(shù)，2011,32(4)：11-13.

[8] 王冠民，孟林，劉慶利，等.利用長(zhǎng)距離懸空鉆桿導(dǎo)向管鉆孔技術(shù)應(yīng)用研究[J].煤炭工程，2012，(11),26-28.

[9] 趙福森,譚家政,楊晨,等.空氣(泡沫)潛孔錘鉆進(jìn)工藝在王家?guī)X煤礦緊急避險(xiǎn)孔中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(8):25-29.

[10] 劉海波.空氣泡沫潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在大直徑基巖深井中的應(yīng)用試驗(yàn)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(5):31-34.

Practice of Drainage Hole Construction in Shaft by Air DTH Drilling Technology/

LIGuang-bing,YELi-ming,LIQuan,SHIMin,SONGYi-xin

(Huaibei Mining Group Exploration Engineering Co., Ltd., Huaibei Anhui 235047, China)

Large amount of working face gushing water was encountered in the bedrock section of air shaft in Yuandian 1st coal mine, the drainage capacity could not meet the needs of excavation and lining. In order to ensure the safety of shaft excavation and lining, rapid releasing by direct drilling to air shaft was proposed, but the conventional mud drilling could not be used. By long-distance suspended drill pipe with air DTH hammer drilling technology, conductor pipe installation and some other construction technologies and measures, the technical difficulties of rock powder returning upward, too large water pressure, drill pipe swinging and some others have been effectively solved, the drainage hole construction is completed smoothly, the gushing water in bedrock section is discharged into the underground sump.

shaft water gushing; suspended drill pipe; conductor pipe; DTH hammer drilling; air drilling

2016-07-25；

2017-05-09

李廣兵，男，漢族，1989年生，石油與天然氣工程專業(yè)，碩士，從事煤田地質(zhì)與勘探及大口徑鉆孔施工工作，安徽省淮北市杜集區(qū)梧桐中路18號(hào)，lgbing1989@126.com。

P634

B

1672-7428(2017)06-0048-04