煤礦井筒大直徑鉆井法鑿井技術(shù)
煤礦井筒大直徑鉆井法鑿井技術(shù)
煤炭科學(xué)研究總院 洪伯潛
摘 要：在深厚含水沖積層中建設(shè)煤礦井筒，需要采用特殊施工方法，鉆井法鑿井是一種安全、可靠、技術(shù)先進(jìn)的煤礦井筒施工方法，它的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了豎井井筒施工技術(shù)的突破；我國(guó)60年代末采用鉆井法施工了第一個(gè)井筒，30多年來(lái)，逐步攻克了“國(guó)產(chǎn)化、高效率、打直井、少污染、大直徑、薄井壁” 等方面的課題，使鉆井法鑿井技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展，率先完成了近600m深井筒的建設(shè)，綜合技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
關(guān)鍵詞： 深厚沖積層 煤礦井筒 鉆井法鑿井 泥漿護(hù)壁 懸浮下沉井壁
一、前 言
自從有了煤礦豎井以來(lái)，無(wú)論是原始的人工開(kāi)挖，還是技術(shù)發(fā)展后的機(jī)械化掘砌，都離不開(kāi)鑿井工人下井在地層中窄小的空間操作，勞動(dòng)條件差。在含水沖積層中建設(shè)煤礦井筒，需要采用地層凍結(jié)法、鉆井法、圍幕法和降低水位法等特殊方法施工。鉆井法鑿井是一種安全可靠，成本低、質(zhì)量好的煤礦大直徑井筒施工方法，機(jī)械化程度很高，尤其適合于深厚含水沖積層的井筒施工，它的全部工程（包括地層凍結(jié)法的地層改性、挖掘、矸石提升和井筒支護(hù)等施工工序）在地面操作，工人無(wú)需下井，改善了勞動(dòng)條件，無(wú)職業(yè)病危害。我國(guó)自60年代末開(kāi)始應(yīng)用以來(lái)，在工程實(shí)踐中體現(xiàn)出了其強(qiáng)大的生命力，因而深受廣大礦井建設(shè)者的歡迎，并獲得迅速發(fā)展（圖1，2）。
鉆井法鑿井綜合多種技術(shù)工藝，通過(guò)在地面專(zhuān)門(mén)研制的大直徑鉆機(jī)，驅(qū)動(dòng)鉆桿、鉆頭和破巖刀具向地層鉆進(jìn)（圖3），我國(guó)現(xiàn)有鉆機(jī)設(shè)計(jì)最大鉆井直徑達(dá)12m，最大 
(圖3)鉆井法鑿井鉆進(jìn)示意圖
鉆進(jìn)深度800m。鉆進(jìn)時(shí)用泥漿臨時(shí)支護(hù)井幫和冷卻鉆具。通過(guò)鉆桿中的風(fēng)管送入壓縮空氣，用壓氣升液法將泥漿高速排上地面（又稱(chēng)反循環(huán)洗井），達(dá)到?jīng)_洗井底和攜帶鉆屑的目的。含鉆屑的泥漿，經(jīng)過(guò)地面凈化處理，返回井中，多余廢漿和成井后的大量棄漿可經(jīng)過(guò)快速處理，固化或還原成水和土。
井孔鉆進(jìn)為了合理利用設(shè)備能力和保證質(zhì)量，一般采用一次超前，分級(jí)擴(kuò)孔，鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)控，恒鉆壓自動(dòng)給進(jìn)的減壓鉆進(jìn)方式。當(dāng)鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)直徑和深度后，將地面分節(jié)預(yù)制好帶有井壁底的鋼筋混凝土井壁或鋼板混凝土復(fù)合井壁，在充滿(mǎn)泥漿的鉆孔中用鋼法蘭盤(pán)逐節(jié)連接，懸浮下沉至井底作永久支護(hù)，已完成的工程井壁總重量達(dá)2萬(wàn)多噸（圖4）。最后在井壁外圍用水泥漿和其它材料，根據(jù)地層條件分段進(jìn)行置換泥漿的充填固井。成井偏斜率根據(jù)井型不同，控制在0.4‰（主、副井）～0.8‰（風(fēng)井）以?xún)?nèi)。
德國(guó)工程師肯特(Kind) 1850年用改造的沖擊鉆鉆成了世界上第一個(gè)直徑4.25m，深98m的井筒。1871年德國(guó)工程師霍爾格曼(Honigmann)研制了超前孔直徑2m，經(jīng)11次擴(kuò)孔達(dá)到7.65m，可鉆深512m分級(jí)擴(kuò)孔的旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，至上世紀(jì)中葉，在西歐鉆了40余個(gè)井筒，最大鉆進(jìn)直徑7.53m，深度422m，該鉆機(jī)的基本形式和工藝沿用至今。20世紀(jì)70年代德國(guó)生產(chǎn)的L-35，L40型鉆機(jī)均屬此類(lèi)（圖5）。
前蘇聯(lián)從20世紀(jì)30年代開(kāi)始為礦井建設(shè)研制大直徑鉆機(jī)，至50年代先后研制了分級(jí)擴(kuò)孔鉆機(jī)、環(huán)形取心鉆機(jī)，和渦輪鉆機(jī)。各種鉆機(jī)先后施工井筒100多個(gè)。
美國(guó)1910年開(kāi)始研究鉆井法鑿井，美國(guó)鉆井界認(rèn)為，當(dāng)鉆井直徑＜3.6m時(shí)，鉆井法具有最佳經(jīng)濟(jì)效益。因而在小直徑硬巖鉆井設(shè)備和技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。1980年為煤礦和鈾礦建設(shè)需要，休斯公司在70年代生產(chǎn)CSD-820鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)改型、擴(kuò)大鉆機(jī)能力，研制了CSD-300型鉆機(jī)（圖6），設(shè)計(jì)最大鉆井直徑6.096m，最大鉆井深度609.6m。1981年10月在澳大利亞西部的阿格紐鎳礦巖層中，鉆成一個(gè)直徑4.267m，深663m的風(fēng)井。羅賓斯（Robbins）公司研制的RM系列反井鉆機(jī)也很成功。
國(guó)外鉆井法鑿井用于施工類(lèi)似我國(guó)地層條件的井筒不多，比較典型的有，德國(guó)鉆機(jī)在荷蘭施工的煤礦，鉆井直徑7.65m，深512m。
二、穩(wěn)步發(fā)展的我國(guó)鉆井法鑿井技術(shù)
我國(guó)研究鉆井法鑿井技術(shù)從上個(gè)世紀(jì)50年代末開(kāi)始，根據(jù)當(dāng)時(shí)的條件，在學(xué)習(xí)國(guó)外資料和借鑒國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了設(shè)備配套和原理性試驗(yàn)。1969年在淮北礦區(qū)朔里南風(fēng)井成功地鉆鑿了第一個(gè)直徑4.3m，成井直徑3.5m，深90m的井筒，由于它技術(shù)新穎，優(yōu)點(diǎn)突出，一些地區(qū)在很短的時(shí)間內(nèi)相繼配套了四臺(tái)性能類(lèi)似的鉆機(jī)，并先后完成20個(gè)井筒的施工。雖然這些井筒的平均鉆井直徑僅5.1m，平均深度141m，在鉆進(jìn)速度及效率方面，還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足煤礦豎井建設(shè)的需要。但通過(guò)這些鉆機(jī)的工程實(shí)踐，比較完整地總結(jié)出了具有我國(guó)特色的大直徑井筒的鉆井工藝，為70年代陸續(xù)進(jìn)行ND—1型、SZ9/700型和AS9/500型煤礦大型鉆機(jī)（圖1）的研制奠定了基礎(chǔ)。這些大型鉆機(jī)充分考慮了鉆鑿煤礦大直徑井筒的特點(diǎn)和當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)技術(shù)水平，采用地面轉(zhuǎn)盤(pán)式豎井鉆機(jī)形式，主機(jī)提升能力3000～3200kN，轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩200～300kN-m，設(shè)計(jì)最大鉆井直徑7.4～9.0m，最大鉆井深度500～700m，基本適應(yīng)了大直徑深井鉆井工程的需要。大鉆機(jī)采用抱鉤提升、轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)無(wú)級(jí)調(diào)速，恒鉆壓自動(dòng)給進(jìn)，起下鉆具時(shí)各抱卡壓氣驅(qū)動(dòng)，鉆進(jìn)過(guò)程鉆進(jìn)參數(shù)控制臺(tái)面自動(dòng)顯示，集中操作等一系列先進(jìn)技術(shù)，機(jī)械化和自動(dòng)化程度較高，從而大大地提高了我國(guó)鉆井法鑿井的技術(shù)水平，這些鉆機(jī)已成為我國(guó)鉆井法突破500~600 m深大井筒鉆進(jìn)的基本設(shè)備。
“六五” 期間攻克了曾一度阻礙我國(guó)鉆井法鑿井發(fā)展的瓶頸技術(shù)——破巖刀具，并投入成批生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了全部設(shè)備國(guó)產(chǎn)化；開(kāi)發(fā)研究了“低密度鉆井泥漿”和“高效泥漿處理劑”等課題，大大提高了鉆孔護(hù)壁機(jī)理研究和實(shí)施的水平；“七五”期間研究完成散裝水泥壁后充填機(jī)械化，使鉆井法鑿井?dāng)[脫了最后一道笨重體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了全部工序機(jī)械化，為我國(guó)煤礦鉆井法鑿井技術(shù)趕超世界先進(jìn)水平創(chuàng)造了條件。期間完成了淮南潘三煤礦西風(fēng)井，穿過(guò)沖積層440m，鉆深508m的井筒，使我國(guó)煤礦鉆井法鑿井綜合技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。又開(kāi)展了“大直徑薄井壁”和“約束混凝土在井壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用”等課題研究，在井筒深部采用內(nèi)鋼板鋼筋混凝土復(fù)合井壁和雙鋼板混凝土復(fù)合井壁，成功地完成了謝橋西風(fēng)井通過(guò)沖積層厚405m，鉆井深度464.5m，成井直徑7.0m的井筒。世紀(jì)之交竣工的淮北許疃煤礦，主、副、風(fēng)三個(gè)井筒都采用鉆井法施工，偏斜率僅有0.1‰和0.2‰，在鉆井法施工主副井技術(shù)上取得了新的突破。這是鉆井法鑿井在長(zhǎng)期實(shí)踐中對(duì)鉆井參數(shù)不斷研究完善的結(jié)果。
進(jìn)入21世紀(jì)，根據(jù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和煤炭資源賦存的實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)東部深厚沖積層覆蓋的煤炭勢(shì)在必行，它對(duì)國(guó)家和該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展意義重大，但難度很大。國(guó)家科技部將《600m深厚沖積層鉆井法鑿井技術(shù)研究》列為“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃，以龍固主井作為攻關(guān)依托示范工程。通過(guò)業(yè)主、科研、設(shè)計(jì)、施工協(xié)作各方的共同努力，開(kāi)展了專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，解決了巨野煤田發(fā)現(xiàn)20多年來(lái)，未能開(kāi)發(fā)的深厚沖積層井筒施工技術(shù)，安全、快速、高質(zhì)量的完成了龍固煤礦三個(gè)井筒的建設(shè)任務(wù)，為巨野煤田全面開(kāi)發(fā)和我國(guó)東部地區(qū)深厚沖積層鑿井提供經(jīng)驗(yàn)。綜合技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
至今，鉆井法鑿井在我國(guó)已竣工61個(gè)井筒，累計(jì)長(zhǎng)度16000多m，其中深度超過(guò)300m的有21個(gè)，深度超過(guò)400m的有10個(gè)，施工井筒平均深度逐年增加（表1）。另有鄆城風(fēng)井和深度都在650m左右的板集煤礦主、副、風(fēng)三個(gè)井筒，淮南張集北區(qū)綜合井成井直徑8.3m等井筒，正在鉆進(jìn)施工，最大鉆井直徑達(dá)10.8m 。（表2）列出了我國(guó)至今已施工深度超過(guò)500m的井筒。 
三、龍固煤礦主井近600m鉆井法鑿井實(shí)例
龍固煤礦位于山東省巨野煤田中部，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，優(yōu)化設(shè)計(jì)，主井采用雙井筒提升方案，井筒直徑5.7m，采用鉆井法施工，穿過(guò)沖積層546.48m，鉆井法成井深度582.75m，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外穿過(guò)沖積層最厚、鉆井法施工最深的井筒。為此，國(guó)家科技部將《600m深厚沖積層鉆井法鑿井技術(shù)研究》列入“十五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，并將龍固主井作為攻關(guān)依托示范工程（圖8）。
根據(jù)當(dāng)時(shí)的設(shè)備的條件，采用AS9/500型鉆機(jī)進(jìn)行改造，將原鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩由300kN•m提高到400kN•m；電路系統(tǒng)以PLC數(shù)字控制整流系統(tǒng)、取代可控硅整流、模擬信號(hào)控制，無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍寬，故障率低，操作方便，運(yùn)行更可靠，大大提高了純鉆進(jìn)時(shí)間。鉆進(jìn)采用一次超前（Ф4m），兩次擴(kuò)孔（Ф7.1m和Ф8.7m）的鉆進(jìn)工藝。龍固主井地層條件復(fù)雜，第三系沖積層以粘土質(zhì)地層為主，約占80%，其中又以膨脹性粘土居多，鉆進(jìn)中極易發(fā)生膨脹縮徑卡鉆和泥包鉆頭。通過(guò)研究復(fù)雜地層的合理泥漿護(hù)壁條件及鉆井參數(shù)，采取嚴(yán)格控制泥漿的失水量，抑制粘土膨脹。經(jīng)過(guò)篩選實(shí)驗(yàn)，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鉆進(jìn)泥漿復(fù)合處理劑，以維護(hù)泥漿臨時(shí)支護(hù)性能，防止了鉆進(jìn)中井孔縮徑、塌幫，減少泥包鉆頭，保證井孔完好。 
龍固礦主井近600m深，懸浮下沉井壁時(shí)間長(zhǎng)，要求泥漿具有良好的穩(wěn)定性，研究采用兩性離子聚合物FA367作為后期泥漿處理劑，調(diào)整下沉井壁時(shí)所需的泥漿性能，使其粘度、膠體率和穩(wěn)定性保持在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，保證井壁安全下沉到底。
為了防止井筒建成后，因井下工作面采掘，地層下沉引發(fā)豎向附加力導(dǎo)致井壁局部破壞事故，通過(guò)對(duì)工程實(shí)測(cè)、模型試驗(yàn)和相關(guān)規(guī)程的綜合分析，井壁設(shè)計(jì)荷載引入平均值為25 kPa（2.5t/m2），的豎向附加力，并進(jìn)行了復(fù)雜受力條件下結(jié)構(gòu)綜合強(qiáng)度計(jì)算，增強(qiáng)了井壁長(zhǎng)期使用的安全。井筒深部采用擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單內(nèi)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(nèi)層鋼板，鋼板又以徑向力的形式反作用于外層鋼筋混凝土筒體，使其內(nèi)側(cè)產(chǎn)生徑向約束壓應(yīng)力，該應(yīng)力達(dá)到一定值后，筒體內(nèi)側(cè)徑向應(yīng)變小于混凝土的極限值，井壁就不會(huì)破壞。同時(shí)保留鋼筋混凝土的基本特性，充分發(fā)揮了材料效率，相對(duì)強(qiáng)度高，施工質(zhì)量有保證。并成功應(yīng)用了C70高性能混凝土，解決了預(yù)制井壁的防裂技術(shù)。達(dá)到了既提高井壁抗復(fù)雜受力的強(qiáng)度又滿(mǎn)足懸浮下沉安裝對(duì)結(jié)構(gòu)自重的限制。全井井壁由4種厚度（550mm、650mm、700mm、850mm），12種規(guī)格的121節(jié)預(yù)制段組成，總重量21711.8t。
研究采用新型結(jié)構(gòu)—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(yàn)（圖10），結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)先進(jìn)，施工方便。
在節(jié)間連結(jié)上采用沿厚度多點(diǎn)墊鐵、提高節(jié)間注漿材料抗壓強(qiáng)度達(dá)25～30MPa；結(jié)石率超過(guò)95%，從而確保近 600m 長(zhǎng)、二萬(wàn)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(guò)程發(fā)生結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)，保證主井井筒對(duì)垂直度的
要求，懸浮下沉相當(dāng)于200層樓高的井壁，成井偏斜僅134mm（圖11）。
龍固1號(hào)主井于2002年8月8日破土開(kāi)鉆，2號(hào)主井11月8日相繼施工，鉆
井深度582.75m，鉆進(jìn)直徑8.7m，井壁最小內(nèi)徑5.7m，分別于2004年6月9日和9月9日結(jié)束，撤離井口，平均成井速度為27.67m/月和27.90m/月。 井筒已于2004年年底進(jìn)行井筒基巖段延深注漿掘進(jìn)，經(jīng)過(guò)近二年復(fù)雜受力條件的考驗(yàn)，無(wú)任何異?，F(xiàn)象。井筒偏斜率僅0.23‰和0.235‰，有效斷面Φ5.636m和Φ5.616m（設(shè)計(jì)要求Φ5.5m），井壁無(wú)漏水，施工質(zhì)量?jī)?yōu)良。這是鉆井法鑿井成功完成深度508m的深井筒施工以后的又一次飛躍。龍固礦兩個(gè)主井井筒鉆井法施工無(wú)論是成井深度，還是穿過(guò)不穩(wěn)定沖積層的厚度，均屬?lài)?guó)內(nèi)外第一，綜合技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。也是我國(guó)首先成功完成近600m深厚沖積層井筒的施工。它的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)全面開(kāi)發(fā)巨野礦區(qū)，乃至我國(guó)東部地區(qū)深厚沖積層鑿井提供技術(shù)保證和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使鉆井鑿井技術(shù)在理論和實(shí)踐上取得新的突破。
作者簡(jiǎn)介:洪伯潛 男，中國(guó)工程院院士，煤炭科學(xué)研究總院副總工程師，博士生導(dǎo)師，1931年12月生， 1956年畢業(yè)于浙江大學(xué)土木系，長(zhǎng)期從事煤礦特種結(jié)構(gòu)及鉆井法鑿井技術(shù)的研究，承擔(dān)完成國(guó)家“六五”、“七五”和“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目《深井鉆井法鑿井技術(shù)的研究》和《600m深厚沖積層鉆井法鑿井技術(shù)》，獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，煤炭部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，煤炭協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，發(fā)表 “大直徑煤礦井筒鉆井法鑿井”、“約束混凝土在井筒支護(hù)中的研究和應(yīng)用”“巨野煤田開(kāi)發(fā)條件及井筒施工的關(guān)鍵技術(shù)” 等論文40余篇。
2006．10．
