煤礦井筒大直徑鑽井法鑿井技術
煤礦井筒大直徑鑽井法鑿井技術
煤炭科學研究總院 洪伯潛
摘 要：在深厚含水衝積層中建設煤礦井筒，需要采用特殊施工方法，鑽井法鑿井是一種安全、可靠、技術先進的煤礦井筒施工方法，它的應用，實現了豎井井筒施工技術的突破；我國60年代末采用鑽井法施工了第一個井筒，30多年來，逐步攻克了“國產化、高效率、打直井、少汙染、大直徑、薄井壁” 等方麵的課題，使鑽井法鑿井技術實現穩定發展，率先完成了近600m深井筒的建設，綜合技術達到國際領先水平。
關鍵詞： 深厚衝積層煤礦井筒 鑽井法鑿井 泥漿護壁 懸浮下沉井壁
一、前 言
自從有了煤礦豎井以來，無論是原始的人工開挖，還是技術發展後的機械化掘砌，都離不開鑿井工人下井在地層中窄小的空間操作，勞動條件差。在含水衝積層中建設煤礦井筒，需要采用地層凍結法、鑽井法、圍幕法和降低水位法等特殊方法施工。鑽井法鑿井是一種安全可靠，成本低、質量好的煤礦大直徑井筒施工方法，機械化程度很高，尤其適合於深厚含水衝積層的井筒施工，它的全部工程（包括地層凍結法的地層改性、挖掘、矸石提升和井筒支護等施工工序）在地麵操作，工人無需下井，改善了勞動條件，無職業病危害。我國自60年代末開始應用以來，在工程實踐中體現出了其強大的生命力，因而深受廣大礦井建設者的歡迎，並獲得迅速發展（圖1，2）。
鑽井法鑿井綜合多種技術工藝，通過在地麵專門研製的大直徑鑽機，驅動鑽杆、鑽頭和破岩刀具向地層鑽進（圖3），我國現有鑽機設計最大鑽井直徑達12m，最大
(圖3)鑽井法鑿井鑽進示意圖
鑽進深度800m。鑽進時用泥漿臨時支護井幫和冷卻鑽具。通過鑽杆中的風管送入壓縮空氣，用壓氣升液法將泥漿高速排上地麵（又稱反循環洗井），達到衝洗井底和攜帶鑽屑的目的。含鑽屑的泥漿，經過地麵淨化處理，返回井中，多餘廢漿和成井後的大量棄漿可經過快速處理，固化或還原成水和土。
井孔鑽進為了合理利用設備能力和保證質量，一般采用一次超前，分級擴孔，鑽進參數監控，恒鑽壓自動給進的減壓鑽進方式。當鑽孔達到設計直徑和深度後，將地麵分節預製好帶有井壁底的鋼筋混凝土井壁或鋼板混凝土複合井壁，在充滿泥漿的鑽孔中用鋼法蘭盤逐節連接，懸浮下沉至井底作永久支護，已完成的工程井壁總重量達2萬多噸（圖4）。最後在井壁外圍用水泥漿和其它材料，根據地層條件分段進行置換泥漿的充填固井。成井偏斜率根據井型不同，控製在0.4‰（主、副井）～0.8‰（風井）以內。
德國工程師肯特(Kind) 1850年用改造的衝擊鑽鑽成了世界上第一個直徑4.25m，深98m的井筒。1871年德國工程師霍爾格曼(Honigmann)研製了超前孔直徑2m，經11次擴孔達到7.65m，可鑽深512m分級擴孔的旋轉鑽機，至上世紀中葉，在西歐鑽了40餘個井筒，最大鑽進直徑7.53m，深度422m，該鑽機的基本形式和工藝沿用至今。20世紀70年代德國生產的L-35，L40型鑽機均屬此類（圖5）。
前蘇聯從20世紀30年代開始為礦井建設研製大直徑鑽機，至50年代先後研製了分級擴孔鑽機、環形取心鑽機，和渦輪鑽機。各種鑽機先後施工井筒100多個。
美國1910年開始研究鑽井法鑿井，美國鑽井界認為，當鑽井直徑＜3.6m時，鑽井法具有最佳經濟效益。因而在小直徑硬岩鑽井設備和技術方麵處於領先地位。1980年為煤礦和鈾礦建設需要，休斯公司在70年代生產CSD-820鑽機的基礎上，經過改型、擴大鑽機能力，研製了CSD-300型鑽機（圖6），設計最大鑽井直徑6.096m，最大鑽井深度609.6m。1981年10月在澳大利亞西部的阿格紐鎳礦岩層中，鑽成一個直徑4.267m，深663m的風井。羅賓斯（Robbins）公司研製的RM係列反井鑽機也很成功。
國外鑽井法鑿井用於施工類似我國地層條件的井筒不多，比較典型的有，德國鑽機在荷蘭施工的煤礦，鑽井直徑7.65m，深512m。
二、穩步發展的我國鑽井法鑿井技術
我國研究鑽井法鑿井技術從上個世紀50年代末開始，根據當時的條件，在學習國外資料和借鑒國內相關行業經驗的基礎上,進行了設備配套和原理性試驗。1969年在淮北礦區朔裏南風井成功地鑽鑿了第一個直徑4.3m，成井直徑3.5m，深90m的井筒，由於它技術新穎，優點突出，一些地區在很短的時間內相繼配套了四台性能類似的鑽機，並先後完成20個井筒的施工。雖然這些井筒的平均鑽井直徑僅5.1m，平均深度141m，在鑽進速度及效率方麵，還遠不能滿足煤礦豎井建設的需要。但通過這些鑽機的工程實踐，比較完整地總結出了具有我國特色的大直徑井筒的鑽井工藝，為70年代陸續進行ND—1型、SZ9/700型和AS9/500型煤礦大型鑽機（圖1）的研製奠定了基礎。這些大型鑽機充分考慮了鑽鑿煤礦大直徑井筒的特點和當時國內技術水平，采用地麵轉盤式豎井鑽機形式，主機提升能力3000～3200kN，轉盤扭矩200～300kN-m，設計最大鑽井直徑7.4～9.0m，最大鑽井深度500～700m，基本適應了大直徑深井鑽井工程的需要。大鑽機采用抱鉤提升、轉盤旋轉無級調速，恒鑽壓自動給進，起下鑽具時各抱卡壓氣驅動，鑽進過程鑽進參數控製台麵自動顯示，集中操作等一係列先進技術，機械化和自動化程度較高，從而大大地提高了我國鑽井法鑿井的技術水平，這些鑽機已成為我國鑽井法突破500~600 m深大井筒鑽進的基本設備。
“六五” 期間攻克了曾一度阻礙我國鑽井法鑿井發展的瓶頸技術——破岩刀具，並投入成批生產，實現了全部設備國產化；開發研究了“低密度鑽井泥漿”和“高效泥漿處理劑”等課題，大大提高了鑽孔護壁機理研究和實施的水平；“七五”期間研究完成散裝水泥壁後充填機械化，使鑽井法鑿井擺脫了最後一道笨重體力勞動，實現了全部工序機械化，為我國煤礦鑽井法鑿井技術趕超世界先進水平創造了條件。期間完成了淮南潘三煤礦西風井，穿過衝積層440m，鑽深508m的井筒，使我國煤礦鑽井法鑿井綜合技術達到世界先進水平。又開展了“大直徑薄井壁”和“約束混凝土在井壁結構的應用”等課題研究，在井筒深部采用內鋼板鋼筋混凝土複合井壁和雙鋼板混凝土複合井壁，成功地完成了謝橋西風井通過衝積層厚405m，鑽井深度464.5m，成井直徑7.0m的井筒。世紀之交竣工的淮北許疃煤礦，主、副、風三個井筒都采用鑽井法施工，偏斜率僅有0.1‰和0.2‰，在鑽井法施工主副井技術上取得了新的突破。這是鑽井法鑿井在長期實踐中對鑽井參數不斷研究完善的結果。
進入21世紀，根據我國經濟發展和煤炭資源賦存的實際情況，開發東部深厚衝積層覆蓋的煤炭勢在必行，它對國家和該地區可持續發展意義重大，但難度很大。國家科技部將《600m深厚衝積層鑽井法鑿井技術研究》列為“十五”科技攻關計劃，以龍固主井作為攻關依托示範工程。通過業主、科研、設計、施工協作各方的共同努力，開展了專項技術攻關，解決了巨野煤田發現20多年來，未能開發的深厚衝積層井筒施工技術，安全、快速、高質量的完成了龍固煤礦三個井筒的建設任務，為巨野煤田全麵開發和我國東部地區深厚衝積層鑿井提供經驗。綜合技術達到國際領先水平。
至今，鑽井法鑿井在我國已竣工61個井筒，累計長度16000多m，其中深度超過300m的有21個，深度超過400m的有10個，施工井筒平均深度逐年增加（表1）。另有鄆城風井和深度都在650m左右的板集煤礦主、副、風三個井筒，淮南張集北區綜合井成井直徑8.3m等井筒，正在鑽進施工，最大鑽井直徑達10.8m 。（表2）列出了我國至今已施工深度超過500m的井筒。
三、龍固煤礦主井近600m鑽井法鑿井實例
龍固煤礦位於山東省巨野煤田中部，經技術經濟論證，優化設計，主井采用雙井筒提升方案，井筒直徑5.7m，采用鑽井法施工，穿過衝積層546.48m，鑽井法成井深度582.75m，是當時國內外穿過衝積層最厚、鑽井法施工最深的井筒。為此，國家科技部將《600m深厚衝積層鑽井法鑿井技術研究》列入“十五”國家科技攻關計劃，並將龍固主井作為攻關依托示範工程（圖8）。
根據當時的設備的條件，采用AS9/500型鑽機進行改造，將原鑽機轉盤扭矩由300kN•m提高到400kN•m；電路係統以PLC數字控製整流係統、取代可控矽整流、模擬信號控製，無級調速，調速範圍寬，故障率低，操作方便，運行更可靠，大大提高了純鑽進時間。鑽進采用一次超前（Ф4m），兩次擴孔（Ф7.1m和Ф8.7m）的鑽進工藝。龍固主井地層條件複雜，第三係衝積層以粘土質地層為主，約占80%，其中又以膨脹性粘土居多，鑽進中極易發生膨脹縮徑卡鑽和泥包鑽頭。通過研究複雜地層的合理泥漿護壁條件及鑽井參數，采取嚴格控製泥漿的失水量，抑製粘土膨脹。經過篩選實驗，選用純堿分散劑、三聚磷酸鈉稀釋劑和鈉羧甲基纖維素降失水劑作為該井鑽進泥漿複合處理劑，以維護泥漿臨時支護性能，防止了鑽進中井孔縮徑、塌幫，減少泥包鑽頭，保證井孔完好。
龍固礦主井近600m深，懸浮下沉井壁時間長，要求泥漿具有良好的穩定性，研究采用兩性離子聚合物FA367作為後期泥漿處理劑，調整下沉井壁時所需的泥漿性能，使其粘度、膠體率和穩定性保持在一個合適的範圍內，保證井壁安全下沉到底。
為了防止井筒建成後，因井下工作麵采掘，地層下沉引發豎向附加力導致井壁局部破壞02manbetx.com
，通過對工程實測、模型試驗和相關01manbetx
的綜合03manbetx
，井壁設計荷載引入平均值為25 kPa（2.5t/m2），的豎向附加力，並進行了複雜受力條件下結構綜合強度計算，增強了井壁長期使用的安全。井筒深部采用擁有自主知識產權的單內鋼板約束混凝土井壁，以鋼筋混凝土作為主要承力體，外層受力變形，將力傳遞給內層鋼板，鋼板又以徑向力的形式反作用於外層鋼筋混凝土筒體，使其內側產生徑向約束壓應力，該應力達到一定值後，筒體內側徑向應變小於混凝土的極限值，井壁就不會破壞。同時保留鋼筋混凝土的基本特性，充分發揮了材料效率，相對強度高，施工質量有保證。並成功應用了C70高性能混凝土，解決了預製井壁的防裂技術。達到了既提高井壁抗複雜受力的強度又滿足懸浮下沉安裝對結構自重的限製。全井井壁由4種厚度（550mm、650mm、700mm、850mm），12種規格的121節預製段組成，總重量21711.8t。
研究采用新型結構—削球厚殼鋼筋混凝土井壁底，總厚度僅700mm，成功地承受了22000噸井壁懸浮下沉荷載考驗（圖10），結構合理、技術先進，施工方便。
在節間連結上采用沿厚度多點墊鐵、提高節間注漿材料抗壓強度達25～30MPa；結石率超過95%，從而確保近 600m 長、二萬多噸井壁的豎向剛度及自重傳遞均勻，有效地防止了井壁懸浮下沉安裝過程發生結構整體失穩，保證主井井筒對垂直度的
要求，懸浮下沉相當於200層樓高的井壁，成井偏斜僅134mm（圖11）。
龍固1號主井於2002年8月8日破土開鑽，2號主井11月8日相繼施工，鑽
井深度582.75m，鑽進直徑8.7m，井壁最小內徑5.7m，分別於2004年6月9日和9月9日結束，撤離井口，平均成井速度為27.67m/月和27.90m/月。 井筒已於2004年年底進行井筒基岩段延深注漿掘進，經過近二年複雜受力條件的考驗，無任何異常現象。井筒偏斜率僅0.23‰和0.235‰，有效斷麵Φ5.636m和Φ5.616m（設計要求Φ5.5m），井壁無漏水，施工質量優良。這是鑽井法鑿井成功完成深度508m的深井筒施工以後的又一次飛躍。龍固礦兩個主井井筒鑽井法施工無論是成井深度，還是穿過不穩定衝積層的厚度，均屬國內外第一，綜合技術達到國際領先水平。也是我國首先成功完成近600m深厚衝積層井筒的施工。它的建設經驗對全麵開發巨野礦區，乃至我國東部地區深厚衝積層鑿井提供技術保證和實踐經驗，使鑽井鑿井技術在理論和實踐上取得新的突破。
作者簡介:洪伯潛 男，中國工程院院士，煤炭科學研究總院副總工程師，博士生導師，1931年12月生， 1956年畢業於浙江大學土木係，長期從事煤礦特種結構及鑽井法鑿井技術的研究，承擔完成國家“六五”、“七五”和“十五”科技攻關項目《深井鑽井法鑿井技術的研究》和《600m深厚衝積層鑽井法鑿井技術》，獲國家科學技術進步一等獎1項、二等獎1項，煤炭部科學技術進步特等獎1項，煤炭協會科學技術特等獎1項，發表 “大直徑煤礦井筒鑽井法鑿井”、“約束混凝土在井筒支護中的研究和應用”“巨野煤田開發條件及井筒施工的關鍵技術” 等論文40餘篇。
2006．10．
