大直徑逃生鉆孔施工工藝及應用研究

張 博,孫 文

(1. 太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024;2. 煤炭科學技術研究院有限公司裝備分院,北京 100013;3.神華神東寸二礦,內蒙古 伊旗 017209)

傳統的井下避難硐室僅是在發生事故時為人員在井下提供暫時的躲避空間,而且是被動等待救援,不能主動撤離到地面安全地點,在救援工程量大,耗費時間長時存在一定局限性[1-2],存在如下幾點問題:

1)永久避難硐室維持生存時間短,通常只有幾天時間,當救援工作難度大、時間長時,避險硐室的作用就得不到體現。

2)永久避難硐室避險人員只能被動等待救援,不能實現積極自主逃生。

3)礦井井筒位置多集中在工業廣場,井田面積大,大巷長,安全出口數量少,難以保證及時逃生。

借鑒智利礦難、山東平邑石膏礦難救援的成功經驗[3],大直徑逃生鉆孔可作為礦山緊急逃生的新出口,如圖1。因此對大直徑逃生鉆孔快速施工工藝及及應用技術進行研究[4-5],解決目前緊急避險系統存在的避險人數受限、被動等待救援等問題,對實現神東礦區礦山安全、高效、可持續發展具有很好的應用價值和現實意義。

圖1 大直徑逃生鉆孔逃生Fig.1 Escape through large-diameter boreholes

1 工程環境

1.1 礦井工程地質

布爾臺煤礦屬于神東礦區,煤層頂底板巖石主要為砂質泥巖、細粒砂巖,次為粉砂巖、粗粒砂巖及泥巖。根據鉆孔巖石物理、力學性試驗成果:巖石的孔隙率2.23%～30.46%,巖石的含水率為0.03%～19.05%,吸水率2.18%～10.96%,抗壓強度吸水狀態0.3 MPa～41.5 MPa,自然狀態1.7 MPa ～52.1 MPa,平均22.4 MPa,普氏系數0.17～5.32,抗拉強度0.21 MPa ～3.71 MPa,抗剪強度0.34 MPa ～25.17 MPa,軟化系數0.07～0.96。

井田巖石質量指標(RQD)平均值49%,巖體質量指標(M)平均值為0.037,巖石質量劣,巖體完整性差,巖體質量較差,穩固性也較差。煤層頂底板巖石的力學強度較低,巖石均以軟弱巖石為主,半堅硬巖石次之,遇水軟化變形,甚至有崩解破壞現象,因此,煤層頂底板巖石的穩固性總體較差。

該大直徑鉆孔位置表土段厚度27.71 m;基巖段主要以細砂巖,砂質泥巖、泥巖等互層,致密,堅硬,以石英成分為主。

1.2 逃生鉆孔布置

根據布爾臺礦井田部署及開拓條件,考慮到22煤已掘大巷分為兩段:一盤區南部大巷和正在掘進的二盤區北部大巷,兩段長度分別為4 763 m和4 473 m。一盤區南部大巷完全由工業廣場逃生通道和松定霍洛進回風立井服務半徑所覆蓋。

一盤區南部的22煤中部大巷將延伸至井田西部邊界,同時將在二盤區西部盤區邊界開拓新的22煤大巷,因此在靠近二盤區邊界的位置增加新的逃生通道,從而能夠為其東部、西部、南部的三條22煤大巷服務。

2 大直徑鉆孔工藝

2.1 大直徑鉆孔設計

設計鉆孔深380.00 m,表土層厚27.71 m。表土段鉆孔直徑Φ2 550 mm,下入Φ2 140 mm×20 mm螺旋焊管,材質Q235B,考慮到護壁管要坐到穩定的基巖,所以表土段施工至少深入基巖段3 m到穩定基巖層,暫定31 m,根據施工鉆進情況再作適當調整;基巖段鉆孔直徑Φ1 980 mm,從31 m～380 m,整井工作管采用Φ1 540 mm×20 mm鋼管,材質Q235B。另外,在井筒內還要下入Φ203 mm×12 mm一套金屬管,材質20#無縫鋼管。

施工用重型鉆機GZ-2600,配套大功率TBW-1200/7B泥漿泵。

2.2 大直徑鉆孔施工工藝[6-8]

1)孔口管固定:在鉆孔指定位置將長2 mΦ2 800 mm×12 mm的孔口管垂直固定在地層里并高出地表200 mm,周圍用水泥砂漿填埋,在出漿方向割開泥漿出口,其截面同泥漿溝槽。鉆機底盤安裝后,將孔口管用盤元均分四個點與底盤固定,以防孔口管在施工中墜入孔內。

2)開口鉆進:選用超前Φ600 mm組合鉆頭,配備Φ510 mm鉆鋌全斷面鉆進至31 m,調漿測孔1次,確保鉆孔上部偏斜控制在3‰以內,以探明地質情況,指導后續施工。改用二級Φ1 500 mm組合鉆頭擴孔至31 m,再改用Φ2 550 mm組合鉆頭擴孔至31 m。

3)直接安裝Φ2 140 mm×20 mm護壁管并固管。

4)基巖段鉆進:選用Φ600 mm三牙輪組合鉆頭超前鉆進,配備Φ510 mm鉆鋌全斷面鉆進至380 m,每隔50 m調漿測孔1次,確保鉆孔偏斜控制在3‰以內,以探明地質情況,指導后續施工。改用二級Φ1 500 mm組合鉆頭擴孔至380 m,再改用Φ1 980 mm組合鉆頭擴孔至380 m。

5)由于孔徑大、孔深,破碎巖屑多、顆粒大,為有效排除巖屑,提高鉆進效率,選用兩臺TBW-1200/7B泥漿泵,進行泥漿循環,實施噴射鉆進技術并配備旋流振動篩篩出泥漿中固相顆粒。

6)每隔50 m測孔1次,根據偏斜情況,制定下一步鉆孔方案。

7) 減壓鉆進,鉆壓不得超過鉆鋌重量的80%。

8) 由于工作管超過鉆塔承載能力,為安全起見,采用漂浮工藝下沉,確保下沉安全。

9) 由于Φ203 mm×12 mm金屬管總重近22 t,沒有超過鉆塔承載能力,故采用外管箍連接,直接管卡下放安裝,所用焊條滿足焊接工藝性能,焊接質量合格。井口必須設置井口操作平臺,確保作業安全,防止高空墜落事件的發生。

大直徑鉆孔施工工藝流程見圖2。

圖2 大直徑鉆孔施工工藝流程Fig.2 Construction process of large-diameter boreholes

2.3 下管方法

Φ2 140 mm×20 mm護壁套管總重量僅19 t;Φ203 mm×12 mm金屬管總重量僅22 t,所以直接安裝下放。Φ1 540 mm×20 mm工作管由于超重,達278 t,為安全起見,應采用漂浮下沉工藝安裝下放工作管。除Φ203 mm×12 mm金屬管采用外管箍連接其它兩套管路均采用坡口焊接連接,護壁管安裝施工圖見圖3。

3-a 平面圖

3-b 剖面圖圖3 護壁管安裝施工圖Fig.3 Installation and construction of wall-protecting pipes

3 護壁管穩定性分析

3.1 分析依據

驗算鋼管環向穩定性時,可近似采用受均勻外壓的無限長兩端封閉圓柱薄殼失穩臨界壓力公式:

(1)

式中:Pcr為計算深度處鋼管的徑向失穩壓力,MPa;E為計算深度處鋼管的彈性模量,MPa;t為薄殼的厚度,m,取t=r1-r0;r1為薄殼的外半徑,m;r0為薄殼的內半徑,m。r為薄殼的半徑,m,取r=(r1+r0)/2,為安全起見,可取r=r1;νh為計算深度處鋼管的泊松比;γ0為結構重要性系數,1.0～1.1;γG為荷載分項系數,1.35;γM為材料分項系數,1.1;σs為環向壓力,MPa。

根據石油行業常用下述公式對鋼管結構的擠毀壓力進行計算[9]:

(2)

式中:Pco為彈性擠毀壓力,MPa;Dc為套管管體外直徑,mm;δ為套管管體壁厚,mm。

公式(3):

(3)

式中: 彈性模量取E=2.06×105,泊松比取μ=0.3。

公式(3)是由虎克定律作為基礎推導出來,因此只能適用彈性范圍,公式(2)是克林頓司特通過大量試驗研究后得到的,并考慮了套管壁厚的不均勻性。

從上式還可以看出,套管抗擠彈性強度只與鋼材彈性系數和幾何尺寸有關,而與材料強度無關。

3.2 Φ1540護壁管校驗分析

護壁管鉆孔垂深0～31 m采用Φ2 140 mm×20 mm,下部垂深0～380 m采用Φ1 540 mm×20 mm。

1)Pcr=2.06×105×203/4×(2 140/2)3×(1-0.32)=0.37(在-31 m處);

γ0γGσs/γM=1.05×1.35×1.65水泥比重×31÷1.1÷1 000=0.065 9;

γ0γGσs/γM=1.05×1.35×1.2泥漿比重×31÷1.1÷1 000=0.047 9;

其安全系數K1=0.37/(0.063-0.047)=0.37/0.018=20.56。

2)Pcr=2.06×105×203/4×(1 540/2)3×(1-0.32)=0.99(在-380 m處);

γ0γGσs/γM=1.05×1.35×1.65×380÷1.1÷1 000=0.808;

γ0γGσs/γM=1.05×1.35×1.2×380÷1.1÷1 000=0.588;

其安全系數K2=0.99/(0.808-0.588)=0.99/0.22=4.5。

國家安全規定鋼管穩定性安全系數為3,因此安全系數符合規定要求。

4 結論

1)總結了礦山現有緊急避險逃生設施的建設特點,分析需要改進問題,提出地面大直徑鉆孔作為新型逃生通道,完善了礦山安全出口的建設。

2)根據布爾臺煤礦的礦井特點,分析了大直徑鉆孔合理的布設位置,對大直徑鉆孔施工工藝和技術特點進行了研究與應用。

3)護壁管的穩定性是大直徑鉆孔施工的難點,本文校核了護壁管的穩定,為大直徑鉆孔的安全施工提供參考依據。

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