反并钻机和特殊凿井技术结合的综合凿井工艺探讨.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. , 矿山建设工程技术新进展 全国矿山建设学术会议文集上册 反并钻机和特菇凿并技雍结 合舫给 吕 凿并工芝拐刁 刘志强 煤炭科学研究总院建井研究分院 摘要本文通过对反井钻井施工技术和特殊凿井技术原理分析 , 提出将反井钻机施工 技术和特殊凿井技术相融合 , 形成新的综合凿井技术 , 拓展反井钻机用途 , 加快井筒建设速 度 。 在工程实践中 , 反井钻机与冻结法 、钻井法 和注浆法结合 , 在多项工程中得到 良好的应 用 , 有广泛的推广应用前景 。 关键词反井钻机井筒施工冻结法凿井钻井法凿井 一 印雌 夕夕 一 , 一 ’, , 一 , 一 、 随着反井钻机技术的进步 , 反井钻机能力的的提高 , 反井钻井施工技术也有很大发展 , 从施工小直径深度小于的浅孔 , 到大直径深孔和大倾角斜孔 。 目前 , 国内煤炭 系统最深反井钻孔达到 , 最大钻孔直径 , 反井钻机在水电系统坚硬岩层包括花 岗岩 、安 山岩和玄武岩等 中完成倾角斜长的大倾角斜井 , 反井钻机也在金 属矿 山 、交 通等地下工程建设领域发挥出巨大作用 。 由于反井钻机施工工艺限制 , 一般只能用于 稳定的岩层中 , 但是 , 大部分井筒具有冲积层表土层 、破碎岩层 和含水岩层 , 反井钻机扩孔 阶段无法进行临时支护 , 冲积层和破碎带由于不稳定 , 会造成垮塌事故 , 不能直接采用 反井 钻机施工 。 含水岩层对于反井施工影响不大 , 但是大量 的涌水进入井下生产系统 , 影响矿井 生产和安全 , 一般不宜采用 。 为扩展反井钻机应用范围 , 就必须将反井钻井工艺和其施工方法相结合 , 形成新的凿井 工艺 。 本文提出反井钻机和特殊凿井技术相结合的几种方法 , 使反井钻机在煤矿建设 领域 发挥更大的作用 。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 钻井法施工 反井钻机和特殊凿井技术相结合的几种方法 反井钻机一般用于施工井筒工程的导井溜研孔 , 然后再由上向下利用打眼放炮刷大 到设计断面 , 导井解决井筒施工过程中通风 、排水、 出渣等影响施工速度的难题 , 大大加快井 筒建设速度 , 降低工程成本 , 利用反井钻机先施工导井成为一种先进可靠的凿井工艺 。 由于 反井钻井施工特点 , 必须采用其他工艺方法 , 解决地层稳定 、 地层涌水问题 。 井筒从地 面到 井底马头门位置 , 穿过的岩层比较复杂 , 包括冲积层 、强风化岩层、弱风化岩层、 未风化岩层 地层中存在裂隙 、孔 隙 、破碎带、溶洞、断层 等地质构造存在含水层 、 隔水层和承压水 。 冲积 层不稳定 , 不能自我支撑 , 风化 、 破碎和孔隙地层含水较大不稳定 。 处理不稳定地层 、含水地 层的方法很多 , 如降低水位法 、 沉井法 、板桩法、冻结法、注浆法 和钻井法等 , 井筒建设中目前 常用钻井法 、冻结法和 注浆法 , 其他方法也有零星应用 。 为了利用反井钻井施工方法 , 可 以 结合地层条件和工程状况 , 采用地层置换 、地层加固和分段 施工等施工方法 。 灌注桩法 对于冲积层厚度不大 , 深度小于 , 含水量不大井筒 , 由于施工用水的作用 , 反井扩孔 完成后冲积层段不能 自稳 , 可以采用地层置换法 , 将冲积层置换成混凝土 , 如采用桩基钻机 施工临时灌注桩 , 用混凝土置换冲积层 , 桩基直径大于扩孔直径 , 在混凝土灌注桩中心钻进 反井如图 。 也可以采用人工挖孔桩的方法 , 挖出冲积层 , 进行支护处理 , 深度较浅时 , 可 以将开挖段全部灌实混凝土图 。 山西寺河煤矿小东山风井采用人工挖孔灌注桩施工反 井方法 。 冻结凿井法 冻结法是通过人工制冷的方法 , 将要开挖 的井筒周围不稳定地层降温 , 达到冰点以下 , 形成具有一定强度的冻结壁 , 在冻结壁的保护下进行井筒开挖作业 , 并及时进行支护处理 。 当冻结深度和直径都不大时 , 可以将井筒开挖断面全部冻实 , 在冻结地层和岩层一次钻进反 井导孔和扩孔形成导井 , 解决全井筒溜渣问题当冻结深度较大 , 可以采用分段施工方法 , 冲 积层段采用冻结加普通凿井方法 , 形成上部井筒 , 将反井钻机下放到井筒内 , 施工基岩段导 井 , 加快基岩段施工速度 。 当基岩段含水较大时 , 施工反井之前 , 需要地 面预注浆堵水 , 减少 水的危害和排水费用 。 山东济宁三号井副井基岩段采用冻结加反井分段施工方法 。 注浆凿井法 地面预注浆技术和冻结技术一样有加固地层的作用 , 但更主要是基岩段堵水 , 防治井筒 掘进期间涌水 , 影响施工速度 , 保证井壁质量 。 井筒进行过地 面预注浆之后 , 可以改善反井 施工条件 , 降低反井施工危险 , 减少水对井下生产系统的影响 。 山西晋城赵庄煤矿南风井采 用了地 面预注浆和反井钻机相结合的施工方法 。 钻井凿井法 钻井法是一种利用大型钻井机械 , 在地面施工井筒的综合机械化凿井方法 , 施工人员不 用下井 , 在地面完成井筒钻进 、 支护全部工作 , 特别适合具有深厚冲积层 的井筒 。 钻井法在 钻进基岩时 , 受到滚刀破岩效率低 、 材料消耗多 、施 工成本高等限制 , 一般不能全部钻完深 厚 、坚 硬的岩石地层 , 需要改成普通法掘进 。 可以采用钻井法施工冲击层 、 反井法施工岩层 的分段施工方法 , 上部钻井完成后 , 将反井钻机放到井筒内 , 完成下部基岩段导井施工 。 在 安徽许瞳煤矿副井采用了这种综合凿井工艺 。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. , 矿山建设工程技术新进展 。 。 全国矿山建设学术会议文集上册 图人工挖孔桩地层里换法施工 大型反井钻机发展现状 我国煤炭系统从上世纪年代开始反井钻机研究 , 年代得到进一步发展 , 从煤炭系 统软岩地层 , 到水电系统深井硬岩地层 , 到世纪 , 根据煤炭风井和水电系统抽水蓄能电站 深井 、斜井开 发需要 , 开始研制大型反井钻机 。 建井研究分院在国家科技部年科研院 所专项资金资助了 “ 深井反井钻井技术及装备 ”项 目, 完成了国内大型反井钻机 型自筹资金完成型年国家科技部又资助了科 研院所专项资金项目 “ 反井钻机轨迹控制技术及装备的研究 ” 年开始国家科技部资助 科研院所专项资金滚动开发计划 , 三年内完成 “ 大直径煤矿风井反井钻井技术及装备 ”项 目, 通过三年的时间完成型大型反井钻机 、 配套钻具 、钻井 工艺和地层 处理技术 。 近几年随着钻机设备 、破 岩刀具钻井工艺进步 , 反井钻井技术水平得到了大大提 供 , 应用范围逐渐扩多 , 不但应用井下暗井 、 煤仓 、 溜煤眼等等浅孔 , 还应用在主井 、副井、风 井等井筒等工程建设中 , 还应用在瓦斯抽放井 、地层泄压 孔的特殊钻孔工程中 。 表为大型 反井钻机主要技术参数 , 图为和两种大型反井钻机主机结构 。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 矿山建设工程技术新进展 。 。 全国矿山建设学术会议文集上册 工程实例 济宁三号副井 济宁三号矿井年产 , 采用主井 、 副井 、 风井三个竖井开拓 , 主井和风井相继完成后 , 进人巷道施工阶段 , 而副井井筒开工滞后 , 成了影响矿建工程移交的关键 , 只有加快副井施 工 , 才能保证矿井 的按期移交 。 副井井筒井深 , 水窝深 , 开挖直径 一 , 净直径 , 采用永久井架凿井 。 上部第四系冲积层和风化含水基岩段采用差异冻 结 , 最大冻结深度 。 根据副井施工状况和主井风井形成的井下生产条件 , 确定了采用 反向凿井钻机施工下部冻结基岩和基岩段 的方案即将反向凿井钻机安装在 处 , 钻出直径的溜歼孔 , 然后再刷大成井 , 溜砰孔解决井筒掘进中出渣 、排水、通风, 使 井筒掘进工作在两个水平进行 , 解决井筒施工主要矛盾 , 大大提高掘进速度 , 降低施工成本 。 副井井筒主要岩石包据第四系冲积层 , 上侏罗系红层 , 二迭系和石炭系地层 。 井筒下部 主要岩层有中砂 、 细砂 、粉砂岩、 粘土岩 、 泥岩 、 煤等 , 地层走向北东 , 以宽缓褶皱为特 点 , 倾角 一 ’。 根据工程状况选用 一 型反井钻机施工导井 , 井筒内布置设备施工反井和地面 或井下有很大的不同 , 特别是要在直径仅的井筒内布置下 , 总重量达的全部反井设 备 , 又要便于设备安装 、拆 除 、 维护 、 管理和操作 , 难度较大 。 因此 , 本次施工进行了分层布 置 , 充分利用井筒现有的空间 。 在地面布置泥浆搅拌系统 、供水、供 电和钻杆存放吊盘上布 置各种驱动开关 、 电缆 、照 明系统在井筒内工作木盘上布置钻机主机 、 泵站 、操作台、 泥浆泵 和钻杆 , 见图一在工作木盘以下布置冷却水循系统和泥浆池 。 井筒掘进到预定深度后 , 出净迎头研 石 , 完成内壁施工 , 清理干净井底 , 施工浇筑上部 , 下部 , 台形基础 , 基础上预留钻机地脚螺栓孔和个梁窝 , 搭上工字 钢梁 , 上铺木板形成钻机安装平台 。 设备下放由主副提升进行 , 首先下放吊盘上所需放置的钻机驱动开关等 , 然后 , 由主提 下放钻机 、操作车、泵站, 由副提下放泥浆泵 。 主副提一起将主机就位 。 设备就位后 , 进行设 备组装 , 接通电源 , 试运转 , 浇好地脚螺栓 , 搅拌好泥浆 , 然后 即可开钻 。 反井钻机施工导井技术统计如下 开钻到竣工时间 , 一一一一 导孔钻进 一 , 一一一一 塌孔事故处理时间 , 一一一 导孔钻进 一 , 一一一 扩孔钻进 , 一一一 钻孔深度 钻孔直径 冻结段长度 基岩段长度 平均钻进速度月 纯钻进速度月 钻孔偏斜率 。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 钻井法施工 许晚煤矿副井 许瞳煤矿副井井筒净直径 , 井筒全深 。 井筒上部采用钻井法施工 , 下部基岩段采用反井钻机钻凿溜歼孔 , 然后 , 爆破刷大成井 。 反井钻井深度 , 为了便于 井下设备布置 , 反井施工采用 一 型反井钻机 , 导井直径 。 施工时间人表 。 表许吐煤矿反井钻井施工时间统计 序序号号主要工作内容容 工期 期起始日期期 工作安排排 天 前前前前前前期期中期期后期期 钻机基础 、用室准备、、、 完成成成成成成成成成 稳稳稳绞系统改造 、 吊盘盘盘盘盘盘盘盘盘盘盘 固固固定盘等改造造造造造造造造造造造 钻机拆卸下放放 门门门门门门门门 钻机井下组装调试试 匕匕 门门门门门门门 导孔孔 与与与与与与与 拆导孔钻头接扩 孔孔 钻钻钻头头头头头头头头头头头 扩孔孔 匕匕 拆机上运运 匕匕 寺河煤矿小东山风井 山西晋城矿业集团寺河煤矿为改善通风条件 , 在小东山位置新建通 风竖井两条 , 竖 井 直径 , 井深竖井直径 , 井深 。 两条竖井均采用反井钻机一次 施工成井 , 首先使用一型反井钻机施工直径的先导孔 , 完成后 , 拆除型 反井钻机 。 安装二型反井钻机 , 先将先导孔扩大至 , 在下水平安装 扩孔钻头直径米 , 直径米 , 刷大至上水平成井 。 施工速度统计 小东山通风竖井 直径导孔钻时间 一一一一一 , 共天 , 平均日进尺 。 纯钻进时间为 , 纯钻进速度 。 导孔从扩大到直径时间天 。 直径扩孔时间为年月日至年月 日 , 共天 , 平均 日扩孔 。 纯扩孔时间为 , 纯扩孔速度为 。 竖井总施工时间天 , 月成井 。 小东山通风竖井 直径导 孔钻进 时 ’ 一一一一 , 共天 , 平 均日进尺 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. , 矿山建设工程技术新进展 。 。 全国矿山建设学术会议文集上册 。 纯钻进时间为 , 纯钻进速度 。 导孔从扩大到直径时间天 。 扩孔钻进 , 直径米时间 一一一一 , 共天 , 平均日扩孔 。 纯扩孔时间为 , 纯扩孔速度为 。 总施工时间 天 , 月成井 。 结语 随着大型反井钻机研制和技术成熟 , 反井钻孔精度提高 , 在井筒建设中结合地层条件和 工程状况 , 采用地层置换 、地层加 固和分段施工等施工方法 , 形成反井钻机技术和特殊凿井 技术相结合综合凿井工艺 , 对煤矿井筒建设 , 特别是煤矿采区风井建设和改扩建工程有重要 意义 。 通过进一步的工程实践完善 , 这种技术将发挥更大作用 。 参 考 文献 〔〕刘志强水电工程应用反井钻井技术的新进展〔〕水力发电 , 一 」刘志强 , 王强强力反井钻机的研制及应用〔〕煤炭科学技术 , 一 作者简介刘志强一 , 男 , 研究员 , 煤炭科学研究总院建井研 究分院副院长 , 北京 中煤矿山工程有限公司副总经理 , 从事钻井法凿井技术和反井钻井施工技 术研 究 , 主持研制 的反井钻机获多项煤炭 、 水 电科技进步奖 , 在地下工程建设有广泛影响 , 发表论文多篇 。