注浆冻结永久井架安装凿井四同时作业技术研究.doc

注浆冻结永久井架安装凿井四同时作业技术研究 传统的立井井筒施工方法是注浆冻结凿井立永久井架或冻结凿井（根据需要进行工作面注浆）立永久井架，每个单项工程是独立的，工期为单项工期总和。而注浆冻结永久井架安装凿井作业，在时间和空间上平行的同时作业方法称为四同时作业。由于浅层煤可采量日益减少，开采深部煤层建井难度越来越大，传统的建井周期很长，投资效率低。对于700m以深的井筒，根据注浆、冻结、永久井架安装到凿井每个工艺方法的技术要求和特点，缩短建井周期。朱集西煤矿采用S孔定向注浆技术，实现了注浆冻结永久井架安装凿井四同时作业，比传统建井方法缩短工期6个月至1年。按400万t/a 计算可提前出煤200400万t，经济效益和社会效益十分显著。 1.注浆冻结永久井架安装凿井三同时作业技术特点 在国内首次实现S定向孔注浆与凿井平行的二同时作业的矿井是东欢坨煤矿2号井（井深737m）,该矿原拟定第四系地层冻结法施工，基岩段工作面注浆。井筒进入基岩段后，由于水文地质条件复杂，工作面注浆无法进行，于是在地面距井心15.232.6m处安装钻机，对420m一下深度进行地面预注浆。 1999年在邢东矿采用了注浆冻结凿井三同时作业技术并取得了成功，邢东矿三同时作业的特点是冻结孔下入套管等待冻结后在进行地面预注浆施工和凿井，其工序为冻结孔施工并下套管→直孔段注浆钻孔并注浆→S孔钻孔并注浆冻结运转、竖井井架平行施工→冻结→S孔注浆→凿井同时作业。 朱集西煤矿注浆冻结永久井架安装凿井是在借鉴淮南矿区和国内其它矿井建井先进经验同时，进行有目的、主动四同时作业技术研究的大规模建井实践。施工工序为直孔段注浆施工→冻结钻孔、永久井架基础施工、S注浆孔钻孔平行施工→S孔注浆、冻结运转、竖立永久井架平行施工→凿井。特点是注浆和冻结孔处于动态平行作业，施工难度大。除需要解决S定向孔注浆等技术问题外，最重要的是研究注浆和冻结及其他工法的时空关系。 2.四同时作业相关技术的时空关系 注浆冻结永久井架安装凿井四同时作业中各个分项技术的最新技术成果组合成一个系统工程，只有时空关系协调好才能发挥最大效益，要确保每个分项在时间上衔接合理，在空间上相互不影响，其技术难点是以往建井史上没有的。将传统的分项施工技术研究成为同时平行作业技术，即注浆冻结永久井架安装凿井平行作业，也包括工业广场建设、井架组对、焊接施工、相关基础、设施同时进行。根据S定向孔粘土水泥浆地面预注浆技术要求，研究了S孔定向技术所需要的地面布孔圈径及孔位，根据冻结施工需要的圈径、冻结管路、永久井架、凿井井架施工的位置、凿井设施布置，确定S孔的孔位；S孔纵向轨迹所要求的曲率数值，以确定直孔段的注浆深度，尽量减少注浆占用井筒时间；S孔落点和冻结孔的安全距离，确保注浆和冻结平行施工的安全；S孔套管深度和冻结孔深度的关系，注浆孔岩帽和冻结孔施工的时间关系，由此确定有关参数。主井注浆冻结永久井架安装凿井四同时作业主要工序的时间关系如图1所示。四同时作业相关技术的施工关系见表1。 表1 参数名称 主井 副井 风井 井筒净径/米 6.0 8.0 7.5 井筒深度/米 999.2 1016.0 962.0 冻结深度/米 529.0 540.0 532.0 冻结圈径/米 1122.6 14.229.0 13.227.2 直孔段注浆深度/米 666.0 650.0 627.0 直孔段注浆孔数/个 6 8 8 直孔注浆布孔圈径/米 12.6 1620 15.2 S孔段注浆深度/米 1003.2 1026 903.2 S孔段注浆孔个数/个 6 8 8 S孔布孔圈径/米 41.051.0 49.0 40.0 S孔落点布孔圈径/米 8.315.15 16.020.0 10.015.5 以主井为例，注浆段起止深度5091003.2m，注浆段总长494.2m，其中509666m采用直孔地面预注浆，该注浆段与上部冻结段及下部S孔注浆段各重合20m，6661003.2m采用井外定向S孔地面预注浆。直孔注浆孔6个，布孔圈径为11m 。S孔注浆钻孔6个，地面钻孔布置在以井筒为中心的Φ4151m的圈径上，S孔的布置首先考虑永久井架基础施工、安装及冻结管布设空间，平面布置如图2所示。 图2朱集西主井注浆钻孔、永久井架基础平面布置图 3.S定向孔注浆技术 相对注浆工艺方法而言，其它工艺方法的最新技术成果在协调时空关系中可以运行正常，但S定向孔使注浆技术难度有所加大，主要是S定向孔钻进技术和注浆技术。 3.1注浆终压力设计 主井注浆终压设计按注浆段孔底部水压值设计509666m为2.03.0倍水压值；6661003.2m为2.02.5倍水压值。 3.2注入量设计 浆液注入量根据浆液有效径向扩散距离和注浆段平均裂隙率，用下式进行计算 QAπR2Hnβ/m 式中 Q浆液注入量，m； A浆液超扩散消耗系数，A取1.8，岩帽段取1.5； R距离井中心的浆液有效扩散半径，RD/2L，m； D布孔圈径，m； L浆液扩散距离，按8m 设计； H注浆总段高，m ； m浆液结石率，取 0.85； β浆液充填系数，取0.90； n岩层平均裂隙率，岩帽取4.0，其它层取平均值3.0 。 根据计算预计注浆量22032m3，其中粘土水泥浆20332 m3 ，水泥单液浆1460m3。 浆液主要材料Po.42.5普通硅酸盐水泥，粘土选用工业广场场内耕土以下土层，钠水玻璃选用3840波美度。 配比黏土浆密度1.151.22g/cm3，粘度1822秒，水泥加入量为150300kg/m，粘土水泥浆密度1.251.40 g/cm3粘度23秒滴流，钠水玻璃加入量为1540L/m。 3.3注浆工艺特点 根据永久井架安装方向，S孔采用两序施工，即先按设计施工S1、S2、S4孔，待三孔结束进行井架安装，二序孔钻孔根据井架安装所需空间位置布置。每序孔由3台钻机同时钻孔再依次注浆。因此，另外2个孔的止浆层位和效果对于注浆孔来说十分重要。 3.4注浆结束标准 每个孔段注浆终压值必须达到设计值，黏土水泥浆注浆终量不大于250L/min，水泥浆注浆终量不大于100L/min，并且稳定30 min即可注浆结束。 3.5钻孔施工要求 直孔段钻孔偏斜率固管段不大于0.2，钻孔终孔偏斜率不大于0.5， 钻孔的偏斜率以注浆圈径（ф15.15米）上的靶心为标准，并且钻孔在注浆圈径上分布大体均匀，为防止钻孔偏斜，采用陀螺测斜仪每20米一个测点对钻孔轨迹进行监测。S孔不同水平落点及终孔落点与设计偏差按直孔计算，不大于0.6 （见图3）。 4.需要进一步研究的问题 由于注浆孔与冻结孔距离较近，尤其黏土水泥浆的注浆压力较大，注浆连续时间长，在垂直与横向裂隙十分发育的复杂地层条件下，尽管在设计时充分考虑岩柱的高度（大于200米），但还不能完全避免相互干扰的问题，窜浆可能会影响水文孔及测温孔 的正常使用，S孔对注浆而言，无论是钻孔维护还是止浆机具安全和止浆效果都受到了影响。新工法具有多孔同时钻进，分别注浆的特点。当一孔注浆时，浆液沿非注浆孔上窜的机会增多，影响了浆液进入受注层位，最终可能影响注浆效果。 5.结语 朱集西煤矿注浆冻结永久井架安装凿井四同时作业主要技术特点是冻结孔钻孔阶段就与注浆孔钻孔和注浆同时作业，增加施工难度，在国内是首次应用。近距离不同工法施工往往相互影响，引发事故。由于研究了冻结注浆永久井架安装凿井的时空效应，使各个工序能够协调运转，目前已经进入基岩掘进阶段，实现了快速建井的目标。注浆实际占用井筒时间仅33.5个月，与常规施工方法相比，仅此一项可以提前612个月。注浆冻结永久井架安装凿井四同时作业是一项新技术，仅在几个矿井中应用，许多经验需要总结，新技术还需要研究优化。提高整体设计管理水平也十分重要，往往是这项系统工程效率和安全的保证。