老石旦煤礦緩坡斜井大口徑通風立眼鉆孔關鍵技術

吳興榮

(寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)勘查院，寧夏 銀川 750011)

1 工程概況

1.1 設計背景

礦井通風設計是整個礦井設計內(nèi)容的重要部分，是保證安全生產(chǎn)的重要一環(huán)。用鉆機施工通風立眼，施工后即可投入使用，施工速度快，費用小，及時形成通風系統(tǒng)[1]。鉆孔通風效果良好[2]，可以保證正常通風。本次所設計的神華烏海能源有限公司老石旦煤礦緩坡副斜井通風立眼鉆孔，就是為了解決緩坡斜井通風而設計的鉆孔。設計孔徑1.2 m，孔深292 m，全孔下入?800 mm無縫鋼管，鋼管壁厚≮15 mm，管外環(huán)狀間隙全部用混凝土固井。

1.2 工藝選擇

通過與通風立眼施工法[3]對比，本次施工因過采空區(qū)，且孔深較大，采用反井成孔工藝非常合適。導向孔采用?244 mm牙輪鉆頭由上口向下鉆進，為了保證終孔位移不超標，采用鉆孔軌跡控制以及無線隨鉆定向鉆進施工[4]。當遇到采空區(qū)漏孔，正常堵漏效果不好時，采用套管隔離，改用空氣潛孔錘鉆進技術[5]，配合單點測斜定向，確?？椎鬃鴺宋灰撇怀^靶點2.5 m。導孔鉆至終孔層位后，按井隊提供的終孔坐標，由礦方開挖硐室，找到鉆孔位置，在鉆孔下口更換?1200 mm反井擴孔鉆頭，由下口向上反鉆至上口，反井施工292 m。成孔后下入?800 mm無縫鋼管，然后混凝土固井。

1.3 鉆遇采空區(qū)情況

該鉆孔鉆遇2個采空區(qū)分別在21.74～23.14 m，78～81 m兩段，穿過2次采空區(qū)用時40 d。

2 施工關鍵技術

2.1 導向孔過采空區(qū)技術

施工至21.74 m時發(fā)現(xiàn)泥漿漏失，之后鉆具放空至23.14 m，下部有坍塌填方松散層0.7 m，底板23.84 m，確定采空區(qū)高度為2.14 m。首先通過向采空區(qū)投黃土、水泥球、灌注水泥砂漿[6]等都無法封堵該采空區(qū)，最后研究決定采用下放?273 mm技術套管的方法對采空區(qū)進行隔離[7]。為了解決套管最后順利起拔的問題，在套管下部焊接擋圈、纏繞麻繩、麻繩內(nèi)外涂抹黃油等方法來保證套管順利起拔見圖1。導向孔施工結束后，很輕松地就把套管全部起拔出來了。實踐證明此辦法可行實用。

圖1 套管底部處理方法

在通風立眼鉆孔施工至孔深91 m，更換泥漿后，掃孔至87 m處發(fā)生漏失，上鉆后測水位81 m，對78 m以淺架橋后發(fā)現(xiàn)未發(fā)生漏失，最后判斷漏失層位在78～81 m之間。經(jīng)和礦方聯(lián)系走訪，71～81 m為十六煤，判斷該段為十六煤保留煤柱，因施工擾動，煤柱坍塌，形成空洞。

處理十六煤采空區(qū)先通過填堵的方法進行，向孔內(nèi)打水泥漿、投黃土、灌注細石砼等方法都未達到對采空區(qū)的封堵，最后一次投入了10 m3左右黃土也無法將采空區(qū)填起，決定采用空氣潛孔錘來完成導向孔的施工。

先采用?245 mm牙輪鉆頭擴孔至91 m后，下入?159 mm×6 mm套管91.5 m，套管底部處理方法與上部采空區(qū)類似。導向孔施工結束后，也很輕松地就把套管全部起拔出來了。再次證明此辦法可行實用。

2.2 潛孔錘遇地層出水的施工技術

在使用潛孔錘施工時，鉆壓保持在8～15 kN，鉆具轉速一般控制在14～24 r/min，風量一般在20～24 m3/min[8]，本次潛孔錘施工鉆壓嚴格控制在12 kN以內(nèi)，專門購買調(diào)速電機將鉆具轉速控制在16 r/min以內(nèi)，保證潛孔錘的錘頭不被磨損。風量一般采用空壓機低壓，當巖粉上返不正常時采用空壓機高壓進行鉆進。

在使用空氣潛孔錘施工至130 m后地層中的涌水量越來越大，從孔口返上的不是干燥的灰塵，而是泥水混合物。上鉆后再鉆進時，會在孔口噴出大量的水，還發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象。

通過分析，由于克取的巖粉與水混合，增加了巖粉比重，增大了巖粉的粘性，空氣循環(huán)已經(jīng)無法將克取的巖粉全部攜帶出來，有一部分粘在了孔壁，一部分提鉆后落在了孔底，下鉆過程容易發(fā)生鉆頭泥包，影響鉆進效率。為了解決此問題，采用泡沫鉆進方法。泡沫鉆進是空氣鉆進必不可少的配套工藝技術，泡沫流體的應用，不僅有利于解決和克服于空氣循環(huán)所遇到的困難和問題，而且對改善和提高空氣鉆進的應變能力，有著十分重要的意義[9]，施工現(xiàn)場采用洗衣粉溶解后倒入鉆桿內(nèi)，利用空氣循環(huán)產(chǎn)生的大量泡沫攜帶巖粉，增強了循環(huán)介質(zhì)攜帶巖粉能力，同時潤滑了鉆具，降低了鉆頭泥包現(xiàn)象的發(fā)生，提高了鉆探效率，取得了非常好的效果。

2.3 反井施工技術

反井施工技術的原理是將原鉆孔作為導孔，在坑道內(nèi)安裝二次擴孔鉆頭，鉆桿通過鉆機油缸的軸向上頂力對擴孔鉆頭施加工作壓力，同時通過鉆機帶動鉆桿回轉對擴孔鉆頭傳遞扭矩，向上進行反拉擴孔鉆進，鉆擴出所需要的鉆孔直徑及長度[10]。大口徑反井鉆機工藝與正常鉆進工藝剛好相反，通過短鉆桿反向提拉旋轉克取巖粉，巖粉落入孔底，通過井下巷道清理巖粉，孔內(nèi)淋水冷卻鉆頭，每上提擴孔進尺1.0 m，將鉆桿卸掉一根，這樣上提鉆進一根鉆桿，卸掉一根鉆桿，一直鉆擴到地面，反井施工結束。

根據(jù)設計的孔徑、設計的孔深，調(diào)研國內(nèi)大直徑反井鉆機研制狀況[11]，本次選擇使用ZFY-2.5/100D型全液壓大口徑反井鉆機施工。

2.3.1 反井鉆機地基處理

鉆機定位不穩(wěn)定會造成鉆孔偏斜，因此一定要保證施工前鉆機被牢牢地固定在混凝土基礎上，以承受因鉆進產(chǎn)生的推拉力和扭矩，否則施工中會出現(xiàn)鉆機機身搖動，嚴重影響鉆機的定位和穩(wěn)定，從而使鉆機移位和鉆孔偏斜[12]。設計反井鉆機地基尺寸為4.0 m×3.0 m×1.0 m，地基上下鋪設二層?16 mm的鋼筋網(wǎng)，通過計算完全能夠達到反井施工所需要的強度。澆筑C25混凝土12 m3等待凝固，3 d后進行反井鉆機的安裝及調(diào)試工作。

2.3.2 反井施工關鍵技術

(1)施工中一定要勤對鉆具進行稱重，掌握孔內(nèi)鉆具的總重，隨時觀察鉆壓表，上提壓力不能大于2 MPa；在進尺慢的情況下，將上提壓力調(diào)至1.5 MPa左右。主泵壓力采用8 MPa左右，最大控制在12 MPa，轉速為鉆機的最低轉速14～16 r/min。

(2)從硬巖層進入軟巖層時，一定要將上提壓力調(diào)小，待順利穿過該軟巖地層后，方可使用正常的上提壓力施工。

(3)從軟巖層進入硬巖層時，會出現(xiàn)憋車的情況，操作人員應控制住操作手柄，適當?shù)恼{(diào)小壓力，不出現(xiàn)憋車現(xiàn)象后方可使用正常的壓力進行施工。

(4)反拉過巷道底板時，壓力表的壓力調(diào)至0.2～0.32 MPa，不得提空，以免造成孔內(nèi)不規(guī)則影響將來下套管作業(yè)。到頂板時鉆頭全部接觸原始地層后再進行正常鉆進。

(5)反井鉆機下齒圈承受著所有鉆具的重力和扭矩，由于本孔孔深、孔徑大，下齒圈長時間在高壓力、大扭矩的情況下容易從下齒圈薄弱點斷裂造成跑鉆事故，所以要備用能夠及時更換的下齒圈。通過聯(lián)系廠家對下齒圈薄弱位置進行了加固。同時在反拉過程中對下齒圈進行不定期的檢查和探傷，確保下齒圈不帶傷工作。此外，嚴格控制上頂力，通過計算與現(xiàn)場試驗推導出壓力表1 MPa相當于115 kN左右拉力，根據(jù)廠家提供的上頂拉力極限是每個滾輪為70 kN，6個滾輪合計拉力極限為420 kN，施工過程最大上頂拉力控制在360 kN以下，正常施工上頂拉力控制在200 kN左右。另外，在鉆機井口加裝了?178 mm鉆桿扶正器，一是保護鉆桿居中，二是一旦大齒圈發(fā)生意外斷裂，也能保證鉆桿不掉入孔內(nèi)造成損失。

(6)反井鉆頭磨損情況判斷方法：①聽聲音，聽鉆頭與孔壁的克取聲音是否均勻；②看成色，將鉆具下至巷道內(nèi)檢查鉆頭使用情況；③觀進尺，在同一地層反拉過程中觀察進尺情況，若進尺變慢則分析原因，有可能鉆頭出現(xiàn)磨損。

(7)反井擴孔至鉆頭距基礎2.5 m時，降低鉆壓慢速鉆進，認真觀察，如果基礎周圍出現(xiàn)異常情況要及時采取措施處理，繼續(xù)緩慢擴孔，直至鉆頭露出地面[13]。

2.3.3 反井施工要注意的問題

(1)反井鉆機施工前一定要按照廠家設計要求澆筑混凝土地基，保證地基能夠達到鉆探過程中需要的強度2倍以上，不可圖省事或節(jié)約成本而僅對地基進行簡單的處理。

(2)下鉆時應該帶鉆頭下鉆，這樣可以在下鉆遇阻后進行掃孔，避免鉆具無法下放后重新上鉆。

(3)安裝反井鉆頭時一定要將巷道頂板與鉆頭接觸的地方進行修整，并保證在安裝鉆頭時保持通訊暢通。

(4)反井施工時一定要控制上頂力，不得隨意加壓鉆進，鉆遇硬地層可以緩慢克取，鉆遇軟地層時一定要控制進尺，不能搶進尺。

(5)對所有的反井鉆桿進行探傷檢查，尤其是舊鉆桿，確保不能將廢鉆桿下入孔內(nèi)，在下鉆過程中檢查鉆桿絲扣及齒圈絲扣，不準帶傷作業(yè)。

2.4 下套管及固井關鍵技術

反井擴孔結束后開始準備下套管及固井等工作，大口徑鉆孔的工作管下放和固管工藝直接關系到鉆孔的成敗[14]。該孔需要下入?800 mm×15 mm的套管，按原設計需要下入292 m套管，通過查看地層，下部地層完整堅硬，礦方變更設計，要求只對上部采空區(qū)進行套管封堵，確定下入的套管長度為130 m，下入的套管總質(zhì)量約38 t。變更設計后套管懸空如何固井及保證固井質(zhì)量就成了問題，通過現(xiàn)場討論，采用了人工制作柔性井底的方法解決了這一難題。

2.4.1 人工柔性井底制作方法

將套管下部砸成外徑?900 mm的喇叭口，在喇叭口以上1 m段打眼焊接鋼絲繩。鋼絲繩的焊接方法是：鋼絲繩左右間距50 mm，上下間距100 mm，上下鋼絲繩要錯位進行焊接，焊接的方法是首先在套管上面割眼，之后將鋼絲繩穿在套管上，在套管內(nèi)外對鋼絲繩進行焊接，焊接完成后對鋼絲繩外端采用工具將其分開。在鋼絲繩上部焊接扶正器，扶正器采用厚度20 mm的鋼板，高度100 mm，長度400 mm，一組扶正器共計8塊，在套管外圈均勻的進行焊接，制作的人工柔性井底實物見圖2。

2.4.2 焊接

惡劣天氣使焊條受潮，坡口生銹，增加焊接金屬中氫擴散機會，容易產(chǎn)生焊接缺陷，惡化焊接金屬的機械性能。因此，要采取必要的防護措施并加強焊條的使用管理，以保證焊接質(zhì)量[15]。為了保證焊接質(zhì)量，本次下套管外雇專業(yè)焊工進行焊接操作，焊接過程中采用保溫箱對焊條進行保溫，主要目的就是保證焊接質(zhì)量達到預定要求。

圖2 人工柔性井底實物

2.4.3 固井

固井前先投黃土，不得投石料，以免在使用一段時間鋼絲繩發(fā)生銹蝕后石料落入孔內(nèi)造成人員傷害事故。投黃土的順序是先投大塊黃土，后逐漸變細，最后投入粉末狀的黃土，投完黃土后向環(huán)狀間隙倒入0.5 m3清水，將黃土軟化后向環(huán)狀間隙打入密度為1.75 kg/m3水泥漿3 m3，不能打太多，水泥漿液凝固2 d后人工柔性井底固化制成。剩余固井工作利用商品混凝土罐車正常進行澆筑完成。

3 通風立眼鉆孔取得的成果

(1)當鉆遇采空區(qū)在50 m以淺時直接通過下套管的方法快速的對采空區(qū)進行封堵，沒有必要嘗試其它堵漏方法，浪費時間和材料。

(2)在使用空氣潛孔錘鉆遇含水地層時，當?shù)貙佑克坎淮髸r可以向孔內(nèi)灌注發(fā)泡劑、洗衣粉等能產(chǎn)生大量泡沫的方法來攜帶孔底的巖粉，必須保證供風量能夠達到施工需要，同時要嚴格控制進尺，以免造成埋鉆事故。

(3)反井鉆機齒圈是個薄弱環(huán)節(jié)，通過聯(lián)系廠家對齒圈薄弱位置進行了加固，通過計算與現(xiàn)場試驗推導出壓力表1 MPa相當于115 kN左右拉力。

(4)通過聘請專業(yè)焊接工進行焊接作業(yè)，使我單位的焊工學習到了新的方法和知識，這將提高我單位焊工下套管的作業(yè)水平。

(5)人工柔性井底的設計與制作，成功地完成了懸空固井難題。為我單位在懸空固井方面積累了經(jīng)驗，為同類鉆孔的固井提供了借鑒依據(jù)。

4 結語

老石旦煤礦緩坡斜井通風立眼歷時128 d，圓滿完成了施工任務。本次施工也是鉆探技術綜合應用的典范，從導向孔的無線隨鉆定向技術，到改用潛孔錘施工后的無磁單點測斜定向技術；從常規(guī)鉆進技術到反井施工技術；從技術套管的下放及順利起拔到大直徑套管下放及懸空固井技術，特別是大直徑套管人工柔性井底的制作，是本次施工的創(chuàng)新點和亮點。反井施工技術是溝通煤礦巷道與地面通道最經(jīng)濟、快速有效的手段，也是一種鉆探新工藝，希望該項技術能在更廣闊領域推廣及應用。