朱集西矸石井一鉆成井施工技術分析

鄭翔鰨

摘要:本文通過對朱集西矸石井鉆井法鑿井工藝的優(yōu)化，采用國內先進的一鉆成井安全快速高質地完成了矸石井井筒的施工。現(xiàn)將施工中得出的經驗進行總結和分析，以供借鑒。

中圖分類號：TD262文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2011)04(a)-0000-00

1 國內外鉆井技術概況

國外從十九世紀開始采用鉆井法開鑿井筒，在西歐至20世紀中葉，用霍爾格曼鉆機鉆了40余個井筒，但一般鉆井直徑都較小，鉆井深度較淺，最大鉆井直徑7.53m，深度422m。前蘇聯(lián)采用各種鉆井機先后鉆鑿170個井筒，其中20世紀50年代研制的y3TM型分級擴孔鉆機，設計可在較軟巖層鉆直徑8.75m，深800m的井筒。美國由于地下核實驗的需要，曾采用鉆井法鑿了數百個直徑1.2m～1.8m的實驗井，最深達1700m。美國休斯公司上世紀80年代研制CSD-300型鉆機，設計最大鉆井直徑6.0m，最大鉆井深度600m，但僅在澳大利亞西部的鎳礦巖層中，鉆成一個直徑4.267m，鉆深663m的風井。上面所說的采用一鉆成井技術施工的井筒直徑都在4.0m以內，直徑超過4.0m的井筒，多采用分級鉆井施工。

我國鉆井法鑿井從上世紀50年代開始研究，1969年在淮北礦區(qū)朔里南風井成功地鉆鑿了我國第一個煤礦井筒，直徑為4.3m，深度為92.5m。70年代，我國采用石油配套設備改制的鉆機先后建成了十多個煤礦井筒。但一般直徑較小，深度較淺。之后我國先后研制了ND-1、BZ-1、SZ-9/700、AS-9/500等型煤礦豎井專用鉆井機，最大提升力為300t，轉盤扭矩300KNm，鉆井直徑9.0m，鉆深700m；80年代，我國從德國引進了兩臺L-40/800型鉆井機，鉆機設計最大鉆井直徑8.0m，鉆井深度600m，提升能力300t，轉盤扭矩420KNm，但超前鉆孔直徑均未超過4.0m。2008年，我國采用自行研制的AD130/1000型豎井鉆機采用一鉆成井技術完成了淮北礦業(yè)集團袁店一礦南風井井筒的施工，該井鉆井直徑7.1m，鉆井深度301m，為世界上采用一鉆成井技術完成的鉆井直徑最大的井筒。

2 井筒概況

朱集西煤礦是由皖北煤電集團有限公司開發(fā)的大型煤礦。位于安徽省淮南市潘集區(qū)，設計年產煤400萬t，是目前安徽省年產量最高的大型煤礦之一。朱集西煤礦矸石井設計鉆井直徑7.7m，鉆井深度545m，比袁店一礦南風井深244m，鉆井直徑大0.6m。井筒穿過表土層469.55m，穿過巖石地層75.45m。是一鉆成井技術的又一次大跨越，是我國鉆井法鑿井技術發(fā)展與應用的又一里程碑。

2.1地質條件

根據朱集西煤礦勘察地質柱狀圖，可以看出，朱集西煤礦風井地質條件非常復雜。表土段粘性強，遇水膨脹性強，極易產生膨脹、縮徑、卡鉆和泥包鉆頭；巖石段極不穩(wěn)定，硬度大，產生掉塊和塌邦，造成掉鉆和卡鉆。

2.2鉆井設計方案及鉆進情況

原設計鉆井方案為超前鉆孔直徑為6.0m，第1級擴孔為φ7.7m。根據袁一風井的施工經驗，將鉆進方案優(yōu)化為φ7.7m一鉆成井。該井自2008年11月26日開鉆至2010年1月1日鉆進工作全部結束，總鉆進時間401天（扣除施工影響11天，實際為390天），平均鉆進速度為42.6m/月。

3 施工過程中采取的主要措施

鉆井法鑿井全部工程在地面操作，鑿井工人不需下井，是一種施工機械化水平最高，施工準備期短，用電負荷低，安全可靠，勞動條件好，工程成本低，工程質量好，技術先進的井筒特殊施工方法。根據該井筒的設計參數和地質條件，為保證朱集西煤礦矸石井的順利施工，在施工過程中采取了如下措施：

3.1設備改造及技術研究

根據矸石井的地層賦存特征、井筒的設計參數及鉆機的技術性能和使用情況，決定選用AD130/1000型豎井鉆機，為了確保項目的順利實施，我們進行了鉆機和配套設備的改造工作，主要有：

（1）鉆機改造：為滿足深大型井筒鉆井要求，保證鉆進作業(yè)的正常、高效、低故障率，我們與洛陽礦山機械研究院聯(lián)合對AD130/1000型鉆機進行改造設計，對液壓系統(tǒng)、機械手、西門子S7-300PLC電控程序進行了改造大大提高了鉆機的整體性能。

（2）鉆機安裝方法改進：AD130/1000型豎井鉆機安裝、拆除時都需要用到100t大型吊車，同時還需要2臺40t吊車配合才能完成，安裝成本高，時間長。通過在井架上部加設頂升支座，用油缸通過兩次頂升便可完成安裝、拆除工作，大大簡化了安裝、拆除工序，降低了施工成本。

（3）鉆具系統(tǒng)改造：采用φ6.0m鉆頭改制φ7.7m全斷面鉆頭，根據原φ6.0m鉆頭刀具布置情況，對改制后的φ7.7m鉆頭的刀具重新進行設計布置，確保鉆井效率。

（4）門式起重機電纜卷筒的改造：原300t門式起重機電纜卷筒在收放電纜時用的是同一力矩、用一方向，設計時只按收纜力矩考慮，未考慮放纜力矩，容易拉壞電纜。通過改進，將收纜、放纜分開調速，使電纜收放自如，安全。

（5）選配混凝土自動攪拌站和混凝土輸送泵：泵輸送砼作為一種自動化程度很高的砼輸送工藝，已廣泛應用于房屋建筑、道路與橋梁、市政公用、港航等諸多建設領域。而在煤炭建設特別是鉆井法施工領域，該工藝近幾年才被引入。

3.2泥漿固化處理

鉆井生產過程中產生的廢棄鉆井液是一種含粘土(膨潤土)及鉆屑的穩(wěn)定膠態(tài)懸浮物體，具有高懸物固體、高粘度、PH值中性的流體。因鉆井施工產生的泥漿量非常大，直接排放會對土壤、水體、污水處理廠產生不良影響，并危及周圍生態(tài)環(huán)境，甚至可能造成污染事故。采用就地存放方法不僅占地面積大、污染環(huán)境, 而且影響后繼工程正常進行，同時存在大量的安全隱患，浪費了國家寶貴的土地資源。為改變泥漿高污染、占地大的現(xiàn)狀，我們應用泥漿固化處理技術將鉆井產生的廢漿液經接收池緩沖沉降，經污泥泵提升進入污泥破穩(wěn)一體化裝置加藥處理，通過加壓泵強制固液分離，脫水污泥進入污泥池自然干化后就地填埋，污水進入污水沉降池沉降處理回用或達標排放。該項目的實施，將改變以往處理泥漿的方法，從根本上破壞泥漿的結構性質，并對其進行固化處理，做到達標排放，從而減少土地的占用和對環(huán)境的污染，同時還可降低安全風險、節(jié)約施工成本，對鉆井法施工今后的發(fā)展具有重要意義。

3.3優(yōu)化施工工藝和鉆井參數

針對朱集西煤礦矸石井特點，經過多次反復研究，在認真總結以往鉆井施工經驗的基礎上，詳細制定了朱集西煤礦矸石井鉆進施工的施工組織設計和安全技術措施。根據地層變化的特點，確定合理的鉆壓、鉆速、扭矩、泥漿沖洗量等一系列鉆井參數。在施工過程中，根據現(xiàn)場實際發(fā)現(xiàn)新情況、新問題及時調整和完善相應的鉆進參數，不斷摸索和總結經驗，從而既保證了較快的鉆進速度，又保證了安全順利施工。

3.4泥漿護壁與控制技術

鉆進過程中，使用泥漿臨時支護井邦，反循環(huán)洗井排渣，地面泥漿重力沉淀、旋流器除砂的排矸凈化裝置。泥漿性能參數的確定，不僅與地質因素有關，也與測井、井壁下沉、壁后充填等施工工藝密切相關，而且各項性能參數之間是互相關聯(lián)、互相制約、互相依賴的。我們根據該井井深，巖石層厚，泥漿性能參數波動范圍大，控制參數難等特點，研究制定了各施工工序的泥漿參數和控制指標。由于該井鉆井深度達545m，井壁節(jié)數達106節(jié)，井壁下沉和充填時間長，為保證井壁安全順利下沉和壁后充填質量，采用加鈉羧甲基纖維素降調整泥漿的穩(wěn)定性和膠體率。通過對泥漿的精心處理和維護，在鉆井期間，保證了井邦的穩(wěn)定，提高了鉆井效率；在井壁下沉和充填期間，保證了井壁的順利下沉和充填置換的效果，確保了成井的質量。

3.5工程完成情況

朱集西煤礦矸石井從2008年11月底開鉆，于2010年1月完成鉆井施工任務。成井質量優(yōu)良，成井偏值172mm，偏斜率0.319‰，有效圓直徑φ5.085m；符合國家規(guī)范的規(guī)定和設計要求，且無漏水現(xiàn)象。

朱集西煤礦矸石井采用一鉆成井技術的成功，創(chuàng)造了國內一鉆成井深度和直徑的記錄，在世界同行業(yè)內遙遙領先。