TMC-90鉆機(jī)在神東布爾臺(tái)煤礦貫通孔施工中的應(yīng)用

楊衛(wèi)平，吳德山，崔春蘭

(神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 102209)

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目來(lái)源

神東煤炭集團(tuán)布爾臺(tái)煤礦為神東集團(tuán)重點(diǎn)礦井之一，為滿足生產(chǎn)輸電需要，布爾臺(tái)煤礦擬在三盤區(qū)1-2上主運(yùn)大巷與輔運(yùn)大巷之間的新掘電纜措施巷范圍內(nèi)施工1-4號(hào)電纜鉆孔。神東煤炭集團(tuán)根據(jù)工程部署先委托神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司對(duì)1號(hào)電纜孔進(jìn)行工程設(shè)計(jì)并組織施工。

項(xiàng)目名稱：神東煤炭集團(tuán)布爾臺(tái)煤礦明安木獨(dú)風(fēng)井場(chǎng)地1#電纜鉆孔工程。項(xiàng)目地點(diǎn)：內(nèi)蒙古伊旗烏蘭木倫鎮(zhèn)明安木獨(dú)村。

1.2 工程量及要求

1.2.1 主要工程量

(1)套管及鉆機(jī)選用

表層護(hù)管?425 mm×8 mm×9.9 m螺旋焊管；生產(chǎn)套管為無(wú)縫鋼管?219 mm×7 mm×329.85 m；使用設(shè)備為TMC-90型鉆機(jī)。

(2)鉆探工程

一開(kāi)采用直徑215.9 mm鉆頭鉆先導(dǎo)孔，后用直徑550 mm鉆頭擴(kuò)孔至9.8 m；二開(kāi)先采用直徑215.9 mm鉆頭打先導(dǎo)孔施工至貫通巷道，后用直徑375 mm反提擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔，深度9.80～328.85 m。

(3)上下井口安裝作業(yè)

鉆孔井口為1 m×1 m×20 mm鋼板1塊，預(yù)埋螺栓M20×630 mm 4套，20 mm肋板4塊；鉆孔井下托盤為1 m×1 m×10 mm鋼板1塊，4塊300 mm×300 mm×12 mm四角托盤，17.8×8000 mm錨索4套。

(4)下管作業(yè)

直徑425 mm表層套管、直徑219 mm無(wú)縫鋼管采用電焊連接，要求密實(shí)、不滲水、不漏水。

(5)固井作業(yè)

固井水泥砂漿強(qiáng)度為M10，環(huán)空灌注水泥砂漿(保證施工連續(xù)性)；混凝土基礎(chǔ)墩混凝土強(qiáng)度為C25。

1.2.2 工期要求

工期約定每個(gè)孔從開(kāi)鉆之日算起，累計(jì)施工時(shí)間20天。

2 施工區(qū)地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)

2.1.1 地層(見(jiàn)表1)

表1 鉆孔鉆遇地層表

鉆孔表層為第四系土層所覆蓋。據(jù)BK58號(hào)鉆探揭露及地質(zhì)填圖資料，預(yù)測(cè)鉆孔地層由老到新有：侏羅系下統(tǒng)延安組(J1-2y)；侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)；侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)；白堊系下統(tǒng)志丹群(K2z)；第四系。

2.1.2 構(gòu)造

孔位位于較平緩的背斜一翼，地層傾角<4°，未發(fā)現(xiàn)巖漿侵入。

2.1.3 煤層

該鉆孔鉆遇煤層主要為12上，該煤層為三盤區(qū)主采煤層，平均厚度2 m，頂板以上有無(wú)編號(hào)的幾層薄煤層。

2.2 施工區(qū)水文地質(zhì)

2.2.1 地形地貌及地表溝系

鉆孔及周邊區(qū)域地形起伏較緩，其北部為干涸地表溝系，無(wú)積水。

2.2.2 含水層

鉆孔含水層主要表現(xiàn)為第四系松散層含水層和中生界碎屑巖類裂隙含水層。

3 技術(shù)要求

3.1 地質(zhì)技術(shù)要求

3.1.1 鉆井性質(zhì)

電纜孔(貫通孔)，設(shè)計(jì)井深為328.85 m。

3.1.2 終止層位

鉆孔終止層位延安組，標(biāo)高為+1007.00。

3.1.3 井斜要求

鉆孔施工中要求每鉆進(jìn)20 m及達(dá)到終止井深時(shí)各測(cè)斜1次，確保井身的垂直度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，終孔時(shí)井身最大偏移不能影響下生產(chǎn)套管后安裝止水托盤。終孔測(cè)斜后要計(jì)算出井底的方位和坐標(biāo)。

3.2 工程技術(shù)要求

3.2.1 鉆探工程

(1)首先施工直徑215.9 mm先導(dǎo)孔；

(2)本孔為電纜孔，與巷道貫通，嚴(yán)格控制孔斜，鉆孔終孔最大水平位移不超過(guò)1 m；

(3)0～9.8 m孔段：鉆孔孔徑550 mm，下入?425 mm×8 mm表層套管9.9 m，并用強(qiáng)度為M10的水泥砂漿固井；

(4)9.80～328.85 m孔段：鉆孔孔徑375 mm；施工至終孔層位貫通后，全孔下入?219 mm×7 mm無(wú)縫管329.85 m，并用強(qiáng)度為M10的水泥砂漿固井。

3.2.2 鉆探設(shè)備配套

本項(xiàng)目采用TMC-90型全液壓鉆機(jī)及配套鉆桿；配備單點(diǎn)測(cè)斜儀；采用直徑127 mm鉆桿，并配備足夠數(shù)量的鉆鋌；使用阿特拉斯QAS325發(fā)電機(jī)組。

3.2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)與套管結(jié)構(gòu)

鉆孔結(jié)構(gòu)與套管結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。

表2 鉆孔井身結(jié)構(gòu)參數(shù)表

4 施工流程及設(shè)備

4.1 施工流程

施工流程見(jiàn)圖1。

圖1 施工流程圖

4.2 設(shè)備選擇

工程擬投入的主要施工設(shè)備和儀器詳見(jiàn)表3。

表3 施工主要設(shè)備一覽表

4.3 施工現(xiàn)場(chǎng)布置

施工現(xiàn)場(chǎng)布置見(jiàn)圖2。

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)布置圖

5 施工工藝

5.1 鉆進(jìn)工藝

5.1.1 鉆進(jìn)方法

為保證鉆孔垂直度，本工程采用“塔式鉆具吊打防斜工藝”鉆進(jìn)。上部松散層及全風(fēng)化基巖段采用“一開(kāi)二(次)擴(kuò)導(dǎo)向正循環(huán)施工工藝”，穩(wěn)定基巖段采用“二開(kāi)一(次)反提導(dǎo)向擴(kuò)孔施工工藝”。

5.1.2 鉆具組合

(1)松散層及全風(fēng)化基巖段

一開(kāi)鉆具組合：?215.9 mm鉆頭+接頭+?178 mm無(wú)磁鉆鋌+?178 mm鉆鋌+接頭+?159 mm鉆鋌+接頭+?127 mm鉆桿；一開(kāi)一擴(kuò)鉆具組合：?375 mm導(dǎo)向正循環(huán)擴(kuò)孔鉆頭+接頭+?178 mm 鉆鋌+接頭+?159 mm鉆鋌+接頭+?127 mm鉆桿；一開(kāi)二擴(kuò)鉆具組合：?550 mm導(dǎo)向正循環(huán)擴(kuò)孔鉆頭+接頭+?178 mm鉆鋌+接頭+?159 mm鉆鋌+接頭+?127 mm鉆桿。

(2)穩(wěn)定基巖段

二開(kāi)鉆具組合：?215.9 mm鉆頭+接頭+?178 mm無(wú)磁鉆鋌+?178 mm鉆鋌+接頭+?159 mm鉆鋌+接頭+?127 mm鉆桿；二開(kāi)一擴(kuò)鉆具組合：?375 mm反提擴(kuò)孔鉆頭+接頭+?127 mm鉆桿。

5.1.3 鉆頭選擇

導(dǎo)向孔采用?215.9 mm PDC鉆頭，擴(kuò)孔采用導(dǎo)向牙輪組合鉆頭擴(kuò)孔。

5.1.4 鉆進(jìn)參數(shù)

為了保證鉆進(jìn)安全，提高鉆進(jìn)效率和防止孔斜，根據(jù)孔深、孔徑和巖性，綜合選擇鉆進(jìn)參數(shù)。

(1)小徑導(dǎo)向孔鉆進(jìn)

小徑導(dǎo)向孔鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 小徑導(dǎo)向孔鉆進(jìn)參數(shù)表

(2)大口徑擴(kuò)孔鉆進(jìn)

大口徑導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 大口徑擴(kuò)孔鉆進(jìn)參數(shù)表

5.2 泥漿工藝

根據(jù)該地區(qū)的地層特點(diǎn)，地層泥巖和砂巖較多且膠結(jié)不好，鉆開(kāi)后地層穩(wěn)定性差，地層破碎易發(fā)生坍塌，對(duì)泥漿的護(hù)壁、攜砂能力提出較高要求。在保證泥漿較好流型的前提下，應(yīng)提高剪切稀釋性能，提高攜砂能力；在施工過(guò)程中采用大排量的泥漿泵，提高泥漿環(huán)空上返速度，保證井底干凈。施工大口徑鉆孔，好的泥漿性能，才能保證鉆進(jìn)及成井安全(見(jiàn)表6)。

表6 泥漿性能參數(shù)表

在施工中要嚴(yán)格控制泥漿的黏度、密度、濾失量、含砂量及pH，在泥漿的調(diào)配中要適量加入部分降濾失劑和護(hù)壁劑，以確保施工的順利進(jìn)行和下套管的一次性成功。松散層的泥漿配方見(jiàn)表7。

表7 松散層泥漿配方表材

基巖一般選用雙聚低固相泥漿，具有除砂好、流變性好、配制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，泥皮薄而堅(jiān)韌，可防止地層垮塌。

5.3 固井工藝

使用強(qiáng)度為M10的水泥砂漿注入套管外環(huán)空。

5.3.1 水泥漿設(shè)計(jì)

水泥漿配方為強(qiáng)度為M10的水泥砂漿，并適量加入速凝劑或早強(qiáng)劑。

5.3.2 套管底部止水

下完直徑219 mm生產(chǎn)套管后，安裝底部止水托盤，填充止水材料，上提套管，封堵底部縫隙。

5.3.3 灌漿

套管環(huán)狀空隙灌注水泥砂漿至返出地面。

5.4 反提擴(kuò)孔技術(shù)措施

5.4.1 鉆井技術(shù)措施

反提擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭反裝，從巷道頂板開(kāi)始從下往上擴(kuò)孔，發(fā)現(xiàn)排渣不暢、鉆頭激烈晃動(dòng)、壓力不穩(wěn)、鉆進(jìn)困難時(shí)，可能是大掉塊落在刀盤上磨擠刀具所致，此時(shí)將刀具下放一定距離，多次高速旋轉(zhuǎn)，將掉塊甩掉，若無(wú)效果時(shí)，把鉆頭下放到底進(jìn)行處理。

5.4.2 反提擴(kuò)孔冷卻鉆頭方法

因鉆孔與巷道貫通，無(wú)法建立循環(huán)，間斷從孔口注入少量清水，達(dá)到冷卻鉆頭目的即可。

6 結(jié)語(yǔ)

TMC90型高端多功能鉆機(jī)，為全液壓、頂驅(qū)式高速成孔車裝鉆機(jī)，采用伸縮桅桿技術(shù)，可滿足泥漿、空氣、泡沫鉆進(jìn)工藝要求，可鉆煤礦垂直貫通孔，能解決點(diǎn)對(duì)點(diǎn)準(zhǔn)確貫通的難題；自動(dòng)化程度高，提高了鉆探效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；液壓系統(tǒng)可靠，故障率低；配備10×10全驅(qū)重型軍工越野底盤車，越障能力強(qiáng)，適用于礦山救援、煤礦貫通孔施工；施工周期短，經(jīng)濟(jì)效益好。