大直徑反井鉆井穿越特殊地層關(guān)鍵施工技術(shù)研究

荊國業(yè)

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，北京 100013)

反井鉆井是自下向上鉆井鑿井的技術(shù)，是將豎井鉆機(jī)和巷道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)相結(jié)合形成的新工藝和新裝備。 目前，已經(jīng)形成反井鉆進(jìn)工藝、機(jī)械破巖、鉆進(jìn)排渣、偏斜控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)、風(fēng)險(xiǎn)控制、地層改性和智能鉆進(jìn)等技術(shù)協(xié)調(diào)配合的反井鉆井技術(shù)與裝備體系[1-3]。反井鉆井從煤礦、金屬礦的應(yīng)用拓展到水力發(fā)電、抽水蓄能電站、公路鐵路隧道的通風(fēng)井中，已成為地下工程中井筒、聯(lián)絡(luò)巷道建設(shè)的重要手段[4]。

目前，新型鋸齒形鉆桿絲扣聯(lián)結(jié)、多油缸推進(jìn)、多馬達(dá)驅(qū)動形成的大直徑反井鉆機(jī)，鉆井深度可達(dá)600m，鉆孔直徑5m，在巖石抗壓強(qiáng)度300MPa的巖石中連續(xù)破巖。具有代表性的工程有：山西晉煤集團(tuán)趙莊煤礦瓦斯管道井，鉆井直徑2.5m，深度431m；山西晉煤集團(tuán)王臺鋪煤礦風(fēng)井，直徑5.0m，深度168m；甘肅敦格鐵路當(dāng)金山隧道通風(fēng)豎井鉆井直徑3m，鉆井深度430m；貴州開陽磷礦施工井下豎井直徑5.0m，這也是大型反井鉆機(jī)第一次在井下施工；2014年BMC600大型反井鉆機(jī)應(yīng)用于白鶴灘電站，在堅(jiān)硬的玄武巖中一次鉆成直徑3.5m，深度100m的通風(fēng)井，這是水電系統(tǒng)首次鉆成大直徑孔[1]。在前期的反井鉆井施工過程中，井筒賦存地層條件是決定反井鉆井施工是否順利進(jìn)行的重要影響因素之一。因此，在反井鉆井施工前需要對反井鉆井穿越的地層資料進(jìn)行勘察，對反井鉆井過程中地質(zhì)因素帶來的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判識和定量評價(jià)。

反井鉆井施工導(dǎo)孔鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆進(jìn)過程中由于涌水坍塌造成的井幫不穩(wěn)定，容易造成鉆桿斷裂和卡鉆，以及井幫垮落堵塞等問題[5]；反井穿越高瓦斯地層時(shí)，瓦斯泄漏和瓦斯爆炸等情況危及人員安全及鉆頭正常工作，甚至造成鉆井失敗的經(jīng)濟(jì)損失；反井穿越破碎不穩(wěn)定地層時(shí)，地層的坍塌造成卡鉆埋鉆的問題[6-8]。因此針對反井鉆井穿越的特殊地層進(jìn)行地層改性處理，并應(yīng)根據(jù)工程體量的需求和特殊地層的特征確定相適應(yīng)的鉆機(jī)和鉆具等設(shè)備，亟待深入研究反井鉆井穿越特殊地層的關(guān)鍵施工工藝及控制技術(shù)，以保障導(dǎo)孔和擴(kuò)孔過程中的鉆進(jìn)精度和鉆具安全，達(dá)到破巖效率高、偏斜率低和井幫圍巖穩(wěn)定的目的[9]。

本文在系統(tǒng)總結(jié)反井鉆井施工工藝和裝備的基礎(chǔ)上，分析了利用礦井井下已有巷道和生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)采區(qū)風(fēng)井的優(yōu)勢，重點(diǎn)研究了反井鉆井穿越特殊地層施工反井鉆井穿越特殊地層的關(guān)鍵施工工藝及控制技術(shù)，對實(shí)現(xiàn)采區(qū)風(fēng)井井筒的安全、快速建設(shè)有重要意義。

1 反井鉆井施工采區(qū)風(fēng)井的優(yōu)勢

生產(chǎn)礦井為保證礦井合理采掘接替，確保礦井持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，盡快進(jìn)行水平延深，開采井田內(nèi)的下組煤[9]。同時(shí)，建設(shè)接替采區(qū)風(fēng)井以提高采區(qū)通風(fēng)能力并減少巷道長距離通風(fēng)的風(fēng)阻及漏風(fēng)損失具有重要作用。接替采區(qū)通風(fēng)井的建設(shè)方案為：①在采區(qū)建立獨(dú)立回風(fēng)井的方式，新鮮風(fēng)流從主井進(jìn)入礦井，經(jīng)過通風(fēng)巷道到達(dá)采區(qū)，清洗開采工作面后，直接由采區(qū)風(fēng)井排出，可以明顯減少回風(fēng)距離；②在大型采區(qū)建設(shè)一條進(jìn)風(fēng)井和一條回風(fēng)井，形成采區(qū)的獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，能夠更加有效的滿足高產(chǎn)高效采區(qū)的通風(fēng)安全[10]。

普通鑿井法建設(shè)采區(qū)風(fēng)井井筒需要人員下井鉆眼爆破，在遇到富含水、高瓦斯地層及嚴(yán)重破碎等特殊地層時(shí)，井下作業(yè)人員的安全性難以保障。而反井鉆機(jī)鉆井建設(shè)風(fēng)井井筒具有機(jī)械化程度高、施工速度快、安全性好、井內(nèi)無人員作業(yè)等優(yōu)勢，除此之外，反井鉆井施工接替采區(qū)風(fēng)井具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：

1)充分利用礦井井下已有巷道和生產(chǎn)系統(tǒng)。反井鉆井施工工藝可充分利用礦井井下已有巷道和生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)采區(qū)風(fēng)井，滿足接續(xù)采區(qū)通風(fēng)要求，實(shí)現(xiàn)采區(qū)風(fēng)井井筒的安全、快速建設(shè)[9，10]。

2)擾動程度低且井幫穩(wěn)定性好。反井鉆機(jī)機(jī)械破巖方式對井幫擾動程度降低，圍巖自穩(wěn)能力強(qiáng)，且反井鉆井過程中施工人員打井不下井，對穿越高瓦斯地層中建井具有更加突出的安全意義。

3)有利于礦山開采和閉坑后的環(huán)境保護(hù)。采用反井鉆機(jī)鉆井法直接鉆成風(fēng)井井筒，或者采用反井鉆機(jī)先鉆出導(dǎo)井，然后再擴(kuò)孔成井的方式相對于普通法鑿井省掉了占地面積很大的儲渣場，施工場地占用小，減少了爆破對環(huán)境的破壞，符合綠色礦山開采工藝的國家戰(zhàn)略要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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2 工程概況

柴溝煤礦位于山西省北部朔州市懷仁縣城西約12km處云中鎮(zhèn)羊圈溝村、王卞莊、窯子頭村一帶，生產(chǎn)能力為600萬t/a。目前，正在開采5(3+5)號煤層，井田東北部受采空區(qū)影響，西南角約2.7km2范圍內(nèi)受托源線四趟500kV高壓輸電線路桿塔影響，無法布置正規(guī)的回采工作面進(jìn)行綜合機(jī)械化開采。截止目前，井田范圍內(nèi)5(3+5)號煤層只有一盤區(qū)二塊段內(nèi)有兩個(gè)工作面尚未開采，剩余可采儲量約為1731.06萬t，按6.0Mt/a生產(chǎn)能力考慮，可服務(wù)約2.06a，其他區(qū)域均已開采殆盡。為保證礦井合理采掘接替，確保礦井持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，需盡快進(jìn)行水平延深，開采井田內(nèi)的下組煤。

礦井水平延深方案采用斜井開拓方式，礦井水平延深投入生產(chǎn)時(shí)共布置三個(gè)場地五個(gè)井筒，利用柴溝煤礦現(xiàn)有的主斜井、副斜井作為水平延深后8號煤生產(chǎn)時(shí)的主斜井和副斜井；利用礦井現(xiàn)有的回風(fēng)斜井作為礦井8號煤生產(chǎn)時(shí)的一個(gè)回風(fēng)井；在擬選的風(fēng)井場地內(nèi)新鑿一個(gè)進(jìn)風(fēng)立井和一個(gè)回風(fēng)立井以增加井下通風(fēng)循環(huán)量。

經(jīng)過施工技術(shù)、施工條件和經(jīng)濟(jì)效益等因素的綜合分析，擬利用反井鉆機(jī)施工進(jìn)風(fēng)立井深度為310m，回風(fēng)立井深度為308.65m兩條立井井筒，表土段凈徑5.0m，基巖段凈徑4.7m的風(fēng)井。

3 反井鉆井裝備的確定及施工技術(shù)難點(diǎn)

3.1 反井鉆機(jī)選型

首先根據(jù)擬建通風(fēng)立井的深度、立井賦存地層巖石的力學(xué)特性以及反井鉆孔直徑等條件，確定反井鉆機(jī)拉力參數(shù)；其次根據(jù)井筒直徑，選擇反井鉆機(jī)扭矩參數(shù)。在能滿足工程實(shí)際要求的前提下，通過成本核算和對比各型號反井鉆機(jī)性能參數(shù)，選用ZFY5.0/600(BMC600)型反井鉆機(jī)。BMC600型反井鉆機(jī)主要性能技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 BMC600型反井鉆機(jī)主要性能技術(shù)參數(shù)

3.2 洗井排渣循環(huán)泵選取

反井鉆機(jī)鉆進(jìn)導(dǎo)孔采用正循環(huán)流體攜巖排渣，采用泥漿作為洗井介質(zhì)，并對鉆孔孔幫有一定的保護(hù)作用[11]。同時(shí)，洗井排渣循環(huán)泵在反井導(dǎo)孔施工過程中具有非常重要的作用。洗井排渣循環(huán)泵功率不足時(shí)導(dǎo)致鉆孔施工效率降低且增大卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)導(dǎo)孔直徑、鉆孔深度、地質(zhì)條件等條件，選用TBW-850/5A型泥漿泵，其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定排量850L/min，額定壓力5MPa，額定轉(zhuǎn)速375r/min，額定功率90kW，重量3.1t。

3.3 測斜儀選取

井筒是鉆頭破巖逐漸在地層中不斷延續(xù)形成的，鉆進(jìn)過程中鉆頭和巖石相互作用會造成鉆進(jìn)方向偏離井筒軸線，因此，需要井下儀器監(jiān)測鉆頭的空間狀態(tài)，并通過反饋控制鉆頭，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)方向調(diào)整，達(dá)到鉆進(jìn)糾偏的目的[12]。鉆孔鉆進(jìn)偏斜控制是關(guān)系成井質(zhì)量的重要技術(shù)因素之一[13]。采用SQGS-5型高精度無線存儲式數(shù)字陀螺測斜儀，這是一種無電纜存儲式連續(xù)多點(diǎn)測量井斜的新型數(shù)字化儀器，可以對直徑大于46mm的鉆孔進(jìn)行測斜，頂角測量精度±0.1°，方位測量精度±4°，其外形尺寸為40mm×1230mm，重量約7kg。

3.4 特殊地層及反井鉆井施工技術(shù)難點(diǎn)

反井鉆井建設(shè)接替采區(qū)風(fēng)井，采用BMC600型反井鉆機(jī)一次擴(kuò)孔成5.0m直徑的立井，反井鉆井穿越的特殊地層及施工技術(shù)難點(diǎn)有以下3個(gè)主要方面：

1)新生界松散層(Q)揭露厚度為10.75m，力學(xué)強(qiáng)度較低，松散層沉積層段屬工程地質(zhì)不穩(wěn)定型，同時(shí)基巖風(fēng)化帶巖組埋深自10.75～13.62m，厚2.87m，巖石質(zhì)量總體較差，風(fēng)化帶巖段圍巖應(yīng)屬較差穩(wěn)定型巖層。地表回填地段和風(fēng)化帶巖石因風(fēng)化強(qiáng)度降低，隨著圍巖暴露在空氣中的時(shí)間增長，地層蠕變、地壓、地層涌水、風(fēng)化等作用易發(fā)生塌孔現(xiàn)象，對孔幫和井幫的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。

2)完整基巖段埋深13.62～330.15m，除3-5號煤層破碎嚴(yán)重，質(zhì)量差外，其他總體屬穩(wěn)定型。井筒穿過5號煤層，深度約27.1m，且破碎嚴(yán)重、漏水量大，反井鉆機(jī)擴(kuò)孔成井后，無法及時(shí)支護(hù)，暴露時(shí)間長，煤層段井幫存在風(fēng)化片幫以及鉆桿斷裂、卡鉆等風(fēng)險(xiǎn)。

3)柴溝煤礦為高瓦斯礦井，采用反井鉆機(jī)掘進(jìn)過3-5號煤時(shí)，瓦斯容易沿著鉆頭進(jìn)入掘進(jìn)工作面并形成瓦斯積聚，擴(kuò)孔時(shí)鉆頭滾刀與巖石切割產(chǎn)生火花后可能發(fā)生瓦斯爆炸的危險(xiǎn)。

4 穿越特殊地層的施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 表土處理及鉆機(jī)基礎(chǔ)砌筑

松軟表土地層采用預(yù)支護(hù)的方法進(jìn)行表土地基處理。首先采用人工開挖或者小型挖掘機(jī)開挖，將矸石裝入吊桶提吊至地面后，再運(yùn)出場地，再采用噴射混凝土作為初襯，待挖到穩(wěn)定基巖層后，在下部進(jìn)行內(nèi)擴(kuò)，制作鋼筋混凝土壁座；最后由下往上一次套壁澆筑鋼筋混凝土井頸，井頸上部標(biāo)高與地面基礎(chǔ)平齊[14]。松軟表土地層處理工藝，如圖1所示。

圖1 松軟表土地層處理工藝

在預(yù)支護(hù)井幫砌筑至離地面1.5m時(shí)，將反井鉆機(jī)基礎(chǔ)和預(yù)支護(hù)井幫一起砌筑，在預(yù)支護(hù)井幫內(nèi)回填低標(biāo)號混凝土。反井鉆機(jī)混凝土基礎(chǔ)如圖2所示。

圖2 反井鉆機(jī)基礎(chǔ)圖(mm)

反井鉆井地面場地為施工的主要場所，需要按設(shè)計(jì)位置擺放反井鉆機(jī)系統(tǒng)(主機(jī)、操作車、油箱車等)，循環(huán)洗井系統(tǒng)(泥漿泵、泥漿池等)以及鉆具等設(shè)備，地面施工場地不能小于35m×15m，且要求場地平整、硬化。

4.2 井幫預(yù)加固處理技術(shù)

根據(jù)井檢孔資料，井筒穿越的3-5號煤層破碎嚴(yán)重，為保證反井施工及錨噴支護(hù)期間不發(fā)生坍塌，兩個(gè)井筒均選用地面預(yù)注漿方法對該破碎段加固處理。采用Φ50mmPVC管作為注漿管，注漿孔徑為Φ94mm；注漿段高42m，垂深為228～270m，其中3-5號煤層破碎地層垂深233～260m，厚度27m。每個(gè)井筒布置3個(gè)注漿孔，鉆孔沿井筒圈向等距布置，布孔圈徑7.0m，孔間距6.06m，漿液擴(kuò)散半徑6m；漿液類型為單液水泥漿，選用1∶1、0.8∶1兩種配比；注漿壓力經(jīng)計(jì)算為4.05MPa；漿液注入量經(jīng)估算為864m3。

注漿鉆孔分套管段、套管以下及注漿段三段。套管段孔徑Φ133mm，套管以下及注漿段孔徑為Φ94mm。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。具體施工過程為：在表土到完整基巖段(0～13m)下入套管，固管采用1∶1水泥漿，凝固時(shí)間64h；套管選用Φ108mm無縫鋼管；鉆進(jìn)至垂深50m，下Φ50mmPVC管，同時(shí)對其做耐壓試驗(yàn)，其注漿方式與破碎層注漿方式相同，注漿壓力為5.5～6MPa，水泥消耗量3t，注漿持續(xù)時(shí)間1h后拔出PVC管；透孔及鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度(0～270m)，孔徑為Φ94mm；在0～233m段下Φ50mmPVC管作為注漿管。

圖3 注漿鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

注漿采用ZBYSB40/22-7.5型注漿泵，注漿方式采用孔口壓蓋注漿方式；漿液配比為單液漿注漿，先稀后濃，水灰比分別采用1∶1、0.8∶1、0.6∶1三種配比；注漿過程中總計(jì)消耗水泥約為92t，其中1∶1比例消耗水泥約10t；0.8∶1消耗水泥約38t；0.6∶1消耗水泥約48t；估算注漿總量約為100m3。注漿終壓約5.5MPa，直至20m遠(yuǎn)處4m深基坑底部漏漿后停止。注漿孔口結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 注漿孔口結(jié)構(gòu)圖

4.3 含瓦斯煤層的通風(fēng)技術(shù)

采用反井鉆機(jī)掘進(jìn)3-5號煤時(shí)，瓦斯容易沿著鉆頭進(jìn)入掘進(jìn)工作面形成瓦斯積聚，擴(kuò)孔時(shí)鉆頭滾刀與巖石切割產(chǎn)生火花后可能發(fā)生瓦斯爆炸。因此，反井鉆井過程中通風(fēng)起到關(guān)鍵作用。本次反井鉆井施工過程中，首先利用20m3的空壓機(jī)從鉆桿中心向井下壓風(fēng)，在鉆頭中心管下口用6根1.5寸膠管將新風(fēng)送至鉆頭徑向不同位置，以防止瓦斯聚集；其次，降低擴(kuò)孔鉆頭轉(zhuǎn)速至3r/min，減小滾刀與巖石的沖擊；再次將井下風(fēng)門開啟，形成負(fù)壓通風(fēng)，擴(kuò)孔后的井筒里新風(fēng)下行，將瓦斯直接帶至井下巷道里；在鉆井?dāng)U孔超過煤層50m，且過煤層超過10d后，空壓機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，通過鉆桿Φ110mm的內(nèi)孔(中心管內(nèi)孔Φ90mm)將新風(fēng)送至擴(kuò)完的井筒內(nèi)；同時(shí)，從鉆桿與導(dǎo)孔之間的環(huán)形空間向井下放水，用于局部降塵及部分滾刀冷卻。通過以上通風(fēng)和降溫技術(shù)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了反井鉆井成功穿越含瓦斯煤層。

5 結(jié) 論

1)反井鉆井技術(shù)具有機(jī)械化程度高、施工速度快、安全性好、井內(nèi)無人化等優(yōu)勢，同時(shí)在建設(shè)接替采區(qū)風(fēng)井井筒時(shí)能夠充分利用礦井井下已有巷道和生產(chǎn)系統(tǒng)，機(jī)械破巖相較于爆破巖石擾動程度低且井幫穩(wěn)定性好，有利于礦山開采和閉坑后的環(huán)境保護(hù)。

2)導(dǎo)孔的偏斜率決定了整個(gè)反井孔的偏斜率，是反井鉆井的關(guān)鍵技術(shù)。因此，反井鉆井基礎(chǔ)施工與表土段混凝土回填確保了鉆機(jī)平臺的穩(wěn)定性和安全性，同時(shí)保證了導(dǎo)孔開孔的鉆孔方向的準(zhǔn)確性以及導(dǎo)孔鉆井、擴(kuò)孔鉆進(jìn)過程中鉆進(jìn)壓力的恒定。

3)反井鉆進(jìn)過程中無支護(hù)井幫的穩(wěn)定性問題是大直徑反井施工的關(guān)鍵。因此，擴(kuò)孔鉆進(jìn)之前對于條件較差的地層需采用預(yù)注漿的方式提高圍巖的穩(wěn)定性，保證擴(kuò)孔鉆進(jìn)井幫的穩(wěn)定和設(shè)備的安全。

4)反井鉆井穿越含瓦斯煤層時(shí)，主要采取空壓機(jī)從鉆桿中心向井下壓風(fēng)；降低擴(kuò)孔鉆頭轉(zhuǎn)速，減小滾刀與巖石的沖擊；將井下風(fēng)門開啟，形成負(fù)壓通風(fēng)，將瓦斯直接帶至井下巷道里；同時(shí)，從鉆桿與導(dǎo)孔的之間的環(huán)形空間向井下放水，用于局部降塵及部分滾刀冷卻。通過以上通風(fēng)和降溫技術(shù)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了反井鉆井成功穿越含瓦斯煤層。