老石旦煤礦緩坡斜井大口徑通風(fēng)立眼鉆孔關(guān)鍵技術(shù)

吳興榮

(寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)勘查院，寧夏 銀川 750011)

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)背景

礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)是整個(gè)礦井設(shè)計(jì)內(nèi)容的重要部分，是保證安全生產(chǎn)的重要一環(huán)。用鉆機(jī)施工通風(fēng)立眼，施工后即可投入使用，施工速度快，費(fèi)用小，及時(shí)形成通風(fēng)系統(tǒng)[1]。鉆孔通風(fēng)效果良好[2]，可以保證正常通風(fēng)。本次所設(shè)計(jì)的神華烏海能源有限公司老石旦煤礦緩坡副斜井通風(fēng)立眼鉆孔，就是為了解決緩坡斜井通風(fēng)而設(shè)計(jì)的鉆孔。設(shè)計(jì)孔徑1.2 m，孔深292 m，全孔下入?800 mm無(wú)縫鋼管，鋼管壁厚≮15 mm，管外環(huán)狀間隙全部用混凝土固井。

1.2 工藝選擇

通過(guò)與通風(fēng)立眼施工法[3]對(duì)比，本次施工因過(guò)采空區(qū)，且孔深較大，采用反井成孔工藝非常合適。導(dǎo)向孔采用?244 mm牙輪鉆頭由上口向下鉆進(jìn)，為了保證終孔位移不超標(biāo)，采用鉆孔軌跡控制以及無(wú)線隨鉆定向鉆進(jìn)施工[4]。當(dāng)遇到采空區(qū)漏孔，正常堵漏效果不好時(shí)，采用套管隔離，改用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)[5]，配合單點(diǎn)測(cè)斜定向，確保孔底坐標(biāo)位移不超過(guò)靶點(diǎn)2.5 m。導(dǎo)孔鉆至終孔層位后，按井隊(duì)提供的終孔坐標(biāo)，由礦方開(kāi)挖硐室，找到鉆孔位置，在鉆孔下口更換?1200 mm反井?dāng)U孔鉆頭，由下口向上反鉆至上口，反井施工292 m。成孔后下入?800 mm無(wú)縫鋼管，然后混凝土固井。

1.3 鉆遇采空區(qū)情況

該鉆孔鉆遇2個(gè)采空區(qū)分別在21.74～23.14 m，78～81 m兩段，穿過(guò)2次采空區(qū)用時(shí)40 d。

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 導(dǎo)向孔過(guò)采空區(qū)技術(shù)

施工至21.74 m時(shí)發(fā)現(xiàn)泥漿漏失，之后鉆具放空至23.14 m，下部有坍塌填方松散層0.7 m，底板23.84 m，確定采空區(qū)高度為2.14 m。首先通過(guò)向采空區(qū)投黃土、水泥球、灌注水泥砂漿[6]等都無(wú)法封堵該采空區(qū)，最后研究決定采用下放?273 mm技術(shù)套管的方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行隔離[7]。為了解決套管最后順利起拔的問(wèn)題，在套管下部焊接擋圈、纏繞麻繩、麻繩內(nèi)外涂抹黃油等方法來(lái)保證套管順利起拔見(jiàn)圖1。導(dǎo)向孔施工結(jié)束后，很輕松地就把套管全部起拔出來(lái)了。實(shí)踐證明此辦法可行實(shí)用。

圖1 套管底部處理方法

在通風(fēng)立眼鉆孔施工至孔深91 m，更換泥漿后，掃孔至87 m處發(fā)生漏失，上鉆后測(cè)水位81 m，對(duì)78 m以淺架橋后發(fā)現(xiàn)未發(fā)生漏失，最后判斷漏失層位在78～81 m之間。經(jīng)和礦方聯(lián)系走訪，71～81 m為十六煤，判斷該段為十六煤保留煤柱，因施工擾動(dòng)，煤柱坍塌，形成空洞。

處理十六煤采空區(qū)先通過(guò)填堵的方法進(jìn)行，向孔內(nèi)打水泥漿、投黃土、灌注細(xì)石砼等方法都未達(dá)到對(duì)采空區(qū)的封堵，最后一次投入了10 m3左右黃土也無(wú)法將采空區(qū)填起，決定采用空氣潛孔錘來(lái)完成導(dǎo)向孔的施工。

先采用?245 mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔至91 m后，下入?159 mm×6 mm套管91.5 m，套管底部處理方法與上部采空區(qū)類似。導(dǎo)向孔施工結(jié)束后，也很輕松地就把套管全部起拔出來(lái)了。再次證明此辦法可行實(shí)用。

2.2 潛孔錘遇地層出水的施工技術(shù)

在使用潛孔錘施工時(shí)，鉆壓保持在8～15 kN，鉆具轉(zhuǎn)速一般控制在14～24 r/min，風(fēng)量一般在20～24 m3/min[8]，本次潛孔錘施工鉆壓嚴(yán)格控制在12 kN以內(nèi)，專門(mén)購(gòu)買(mǎi)調(diào)速電機(jī)將鉆具轉(zhuǎn)速控制在16 r/min以內(nèi)，保證潛孔錘的錘頭不被磨損。風(fēng)量一般采用空壓機(jī)低壓，當(dāng)巖粉上返不正常時(shí)采用空壓機(jī)高壓進(jìn)行鉆進(jìn)。

在使用空氣潛孔錘施工至130 m后地層中的涌水量越來(lái)越大，從孔口返上的不是干燥的灰塵，而是泥水混合物。上鉆后再鉆進(jìn)時(shí)，會(huì)在孔口噴出大量的水，還發(fā)生鉆頭泥包現(xiàn)象。

通過(guò)分析，由于克取的巖粉與水混合，增加了巖粉比重，增大了巖粉的粘性，空氣循環(huán)已經(jīng)無(wú)法將克取的巖粉全部攜帶出來(lái)，有一部分粘在了孔壁，一部分提鉆后落在了孔底，下鉆過(guò)程容易發(fā)生鉆頭泥包，影響鉆進(jìn)效率。為了解決此問(wèn)題，采用泡沫鉆進(jìn)方法。泡沫鉆進(jìn)是空氣鉆進(jìn)必不可少的配套工藝技術(shù)，泡沫流體的應(yīng)用，不僅有利于解決和克服于空氣循環(huán)所遇到的困難和問(wèn)題，而且對(duì)改善和提高空氣鉆進(jìn)的應(yīng)變能力，有著十分重要的意義[9]，施工現(xiàn)場(chǎng)采用洗衣粉溶解后倒入鉆桿內(nèi)，利用空氣循環(huán)產(chǎn)生的大量泡沫攜帶巖粉，增強(qiáng)了循環(huán)介質(zhì)攜帶巖粉能力，同時(shí)潤(rùn)滑了鉆具，降低了鉆頭泥包現(xiàn)象的發(fā)生，提高了鉆探效率，取得了非常好的效果。

2.3 反井施工技術(shù)

反井施工技術(shù)的原理是將原鉆孔作為導(dǎo)孔，在坑道內(nèi)安裝二次擴(kuò)孔鉆頭，鉆桿通過(guò)鉆機(jī)油缸的軸向上頂力對(duì)擴(kuò)孔鉆頭施加工作壓力，同時(shí)通過(guò)鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)對(duì)擴(kuò)孔鉆頭傳遞扭矩，向上進(jìn)行反拉擴(kuò)孔鉆進(jìn)，鉆擴(kuò)出所需要的鉆孔直徑及長(zhǎng)度[10]。大口徑反井鉆機(jī)工藝與正常鉆進(jìn)工藝剛好相反，通過(guò)短鉆桿反向提拉旋轉(zhuǎn)克取巖粉，巖粉落入孔底，通過(guò)井下巷道清理巖粉，孔內(nèi)淋水冷卻鉆頭，每上提擴(kuò)孔進(jìn)尺1.0 m，將鉆桿卸掉一根，這樣上提鉆進(jìn)一根鉆桿，卸掉一根鉆桿，一直鉆擴(kuò)到地面，反井施工結(jié)束。

根據(jù)設(shè)計(jì)的孔徑、設(shè)計(jì)的孔深，調(diào)研國(guó)內(nèi)大直徑反井鉆機(jī)研制狀況[11]，本次選擇使用ZFY-2.5/100D型全液壓大口徑反井鉆機(jī)施工。

2.3.1 反井鉆機(jī)地基處理

鉆機(jī)定位不穩(wěn)定會(huì)造成鉆孔偏斜，因此一定要保證施工前鉆機(jī)被牢牢地固定在混凝土基礎(chǔ)上，以承受因鉆進(jìn)產(chǎn)生的推拉力和扭矩，否則施工中會(huì)出現(xiàn)鉆機(jī)機(jī)身?yè)u動(dòng)，嚴(yán)重影響鉆機(jī)的定位和穩(wěn)定，從而使鉆機(jī)移位和鉆孔偏斜[12]。設(shè)計(jì)反井鉆機(jī)地基尺寸為4.0 m×3.0 m×1.0 m，地基上下鋪設(shè)二層?16 mm的鋼筋網(wǎng)，通過(guò)計(jì)算完全能夠達(dá)到反井施工所需要的強(qiáng)度。澆筑C25混凝土12 m3等待凝固，3 d后進(jìn)行反井鉆機(jī)的安裝及調(diào)試工作。

2.3.2 反井施工關(guān)鍵技術(shù)

(1)施工中一定要勤對(duì)鉆具進(jìn)行稱重，掌握孔內(nèi)鉆具的總重，隨時(shí)觀察鉆壓表，上提壓力不能大于2 MPa；在進(jìn)尺慢的情況下，將上提壓力調(diào)至1.5 MPa左右。主泵壓力采用8 MPa左右，最大控制在12 MPa，轉(zhuǎn)速為鉆機(jī)的最低轉(zhuǎn)速14～16 r/min。

(2)從硬巖層進(jìn)入軟巖層時(shí)，一定要將上提壓力調(diào)小，待順利穿過(guò)該軟巖地層后，方可使用正常的上提壓力施工。

(3)從軟巖層進(jìn)入硬巖層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)憋車的情況，操作人員應(yīng)控制住操作手柄，適當(dāng)?shù)恼{(diào)小壓力，不出現(xiàn)憋車現(xiàn)象后方可使用正常的壓力進(jìn)行施工。

(4)反拉過(guò)巷道底板時(shí)，壓力表的壓力調(diào)至0.2～0.32 MPa，不得提空，以免造成孔內(nèi)不規(guī)則影響將來(lái)下套管作業(yè)。到頂板時(shí)鉆頭全部接觸原始地層后再進(jìn)行正常鉆進(jìn)。

(5)反井鉆機(jī)下齒圈承受著所有鉆具的重力和扭矩，由于本孔孔深、孔徑大，下齒圈長(zhǎng)時(shí)間在高壓力、大扭矩的情況下容易從下齒圈薄弱點(diǎn)斷裂造成跑鉆事故，所以要備用能夠及時(shí)更換的下齒圈。通過(guò)聯(lián)系廠家對(duì)下齒圈薄弱位置進(jìn)行了加固。同時(shí)在反拉過(guò)程中對(duì)下齒圈進(jìn)行不定期的檢查和探傷，確保下齒圈不帶傷工作。此外，嚴(yán)格控制上頂力，通過(guò)計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)推導(dǎo)出壓力表1 MPa相當(dāng)于115 kN左右拉力，根據(jù)廠家提供的上頂拉力極限是每個(gè)滾輪為70 kN，6個(gè)滾輪合計(jì)拉力極限為420 kN，施工過(guò)程最大上頂拉力控制在360 kN以下，正常施工上頂拉力控制在200 kN左右。另外，在鉆機(jī)井口加裝了?178 mm鉆桿扶正器，一是保護(hù)鉆桿居中，二是一旦大齒圈發(fā)生意外斷裂，也能保證鉆桿不掉入孔內(nèi)造成損失。

(6)反井鉆頭磨損情況判斷方法：①聽(tīng)聲音，聽(tīng)鉆頭與孔壁的克取聲音是否均勻；②看成色，將鉆具下至巷道內(nèi)檢查鉆頭使用情況；③觀進(jìn)尺，在同一地層反拉過(guò)程中觀察進(jìn)尺情況，若進(jìn)尺變慢則分析原因，有可能鉆頭出現(xiàn)磨損。

(7)反井?dāng)U孔至鉆頭距基礎(chǔ)2.5 m時(shí)，降低鉆壓慢速鉆進(jìn)，認(rèn)真觀察，如果基礎(chǔ)周圍出現(xiàn)異常情況要及時(shí)采取措施處理，繼續(xù)緩慢擴(kuò)孔，直至鉆頭露出地面[13]。

2.3.3 反井施工要注意的問(wèn)題

(1)反井鉆機(jī)施工前一定要按照廠家設(shè)計(jì)要求澆筑混凝土地基，保證地基能夠達(dá)到鉆探過(guò)程中需要的強(qiáng)度2倍以上，不可圖省事或節(jié)約成本而僅對(duì)地基進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理。

(2)下鉆時(shí)應(yīng)該帶鉆頭下鉆，這樣可以在下鉆遇阻后進(jìn)行掃孔，避免鉆具無(wú)法下放后重新上鉆。

(3)安裝反井鉆頭時(shí)一定要將巷道頂板與鉆頭接觸的地方進(jìn)行修整，并保證在安裝鉆頭時(shí)保持通訊暢通。

(4)反井施工時(shí)一定要控制上頂力，不得隨意加壓鉆進(jìn)，鉆遇硬地層可以緩慢克取，鉆遇軟地層時(shí)一定要控制進(jìn)尺，不能搶進(jìn)尺。

(5)對(duì)所有的反井鉆桿進(jìn)行探傷檢查，尤其是舊鉆桿，確保不能將廢鉆桿下入孔內(nèi)，在下鉆過(guò)程中檢查鉆桿絲扣及齒圈絲扣，不準(zhǔn)帶傷作業(yè)。

2.4 下套管及固井關(guān)鍵技術(shù)

反井?dāng)U孔結(jié)束后開(kāi)始準(zhǔn)備下套管及固井等工作，大口徑鉆孔的工作管下放和固管工藝直接關(guān)系到鉆孔的成敗[14]。該孔需要下入?800 mm×15 mm的套管，按原設(shè)計(jì)需要下入292 m套管，通過(guò)查看地層，下部地層完整堅(jiān)硬，礦方變更設(shè)計(jì)，要求只對(duì)上部采空區(qū)進(jìn)行套管封堵，確定下入的套管長(zhǎng)度為130 m，下入的套管總質(zhì)量約38 t。變更設(shè)計(jì)后套管懸空如何固井及保證固井質(zhì)量就成了問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)討論，采用了人工制作柔性井底的方法解決了這一難題。

2.4.1 人工柔性井底制作方法

將套管下部砸成外徑?900 mm的喇叭口，在喇叭口以上1 m段打眼焊接鋼絲繩。鋼絲繩的焊接方法是：鋼絲繩左右間距50 mm，上下間距100 mm，上下鋼絲繩要錯(cuò)位進(jìn)行焊接，焊接的方法是首先在套管上面割眼，之后將鋼絲繩穿在套管上，在套管內(nèi)外對(duì)鋼絲繩進(jìn)行焊接，焊接完成后對(duì)鋼絲繩外端采用工具將其分開(kāi)。在鋼絲繩上部焊接扶正器，扶正器采用厚度20 mm的鋼板，高度100 mm，長(zhǎng)度400 mm，一組扶正器共計(jì)8塊，在套管外圈均勻的進(jìn)行焊接，制作的人工柔性井底實(shí)物見(jiàn)圖2。

2.4.2 焊接

惡劣天氣使焊條受潮，坡口生銹，增加焊接金屬中氫擴(kuò)散機(jī)會(huì)，容易產(chǎn)生焊接缺陷，惡化焊接金屬的機(jī)械性能。因此，要采取必要的防護(hù)措施并加強(qiáng)焊條的使用管理，以保證焊接質(zhì)量[15]。為了保證焊接質(zhì)量，本次下套管外雇專業(yè)焊工進(jìn)行焊接操作，焊接過(guò)程中采用保溫箱對(duì)焊條進(jìn)行保溫，主要目的就是保證焊接質(zhì)量達(dá)到預(yù)定要求。

圖2 人工柔性井底實(shí)物

2.4.3 固井

固井前先投黃土，不得投石料，以免在使用一段時(shí)間鋼絲繩發(fā)生銹蝕后石料落入孔內(nèi)造成人員傷害事故。投黃土的順序是先投大塊黃土，后逐漸變細(xì)，最后投入粉末狀的黃土，投完黃土后向環(huán)狀間隙倒入0.5 m3清水，將黃土軟化后向環(huán)狀間隙打入密度為1.75 kg/m3水泥漿3 m3，不能打太多，水泥漿液凝固2 d后人工柔性井底固化制成。剩余固井工作利用商品混凝土罐車正常進(jìn)行澆筑完成。

3 通風(fēng)立眼鉆孔取得的成果

(1)當(dāng)鉆遇采空區(qū)在50 m以淺時(shí)直接通過(guò)下套管的方法快速的對(duì)采空區(qū)進(jìn)行封堵，沒(méi)有必要嘗試其它堵漏方法，浪費(fèi)時(shí)間和材料。

(2)在使用空氣潛孔錘鉆遇含水地層時(shí)，當(dāng)?shù)貙佑克坎淮髸r(shí)可以向孔內(nèi)灌注發(fā)泡劑、洗衣粉等能產(chǎn)生大量泡沫的方法來(lái)攜帶孔底的巖粉，必須保證供風(fēng)量能夠達(dá)到施工需要，同時(shí)要嚴(yán)格控制進(jìn)尺，以免造成埋鉆事故。

(3)反井鉆機(jī)齒圈是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)聯(lián)系廠家對(duì)齒圈薄弱位置進(jìn)行了加固，通過(guò)計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)推導(dǎo)出壓力表1 MPa相當(dāng)于115 kN左右拉力。

(4)通過(guò)聘請(qǐng)專業(yè)焊接工進(jìn)行焊接作業(yè)，使我單位的焊工學(xué)習(xí)到了新的方法和知識(shí)，這將提高我單位焊工下套管的作業(yè)水平。

(5)人工柔性井底的設(shè)計(jì)與制作，成功地完成了懸空固井難題。為我單位在懸空固井方面積累了經(jīng)驗(yàn)，為同類鉆孔的固井提供了借鑒依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

老石旦煤礦緩坡斜井通風(fēng)立眼歷時(shí)128 d，圓滿完成了施工任務(wù)。本次施工也是鉆探技術(shù)綜合應(yīng)用的典范，從導(dǎo)向孔的無(wú)線隨鉆定向技術(shù)，到改用潛孔錘施工后的無(wú)磁單點(diǎn)測(cè)斜定向技術(shù)；從常規(guī)鉆進(jìn)技術(shù)到反井施工技術(shù)；從技術(shù)套管的下放及順利起拔到大直徑套管下放及懸空固井技術(shù)，特別是大直徑套管人工柔性井底的制作，是本次施工的創(chuàng)新點(diǎn)和亮點(diǎn)。反井施工技術(shù)是溝通煤礦巷道與地面通道最經(jīng)濟(jì)、快速有效的手段，也是一種鉆探新工藝，希望該項(xiàng)技術(shù)能在更廣闊領(lǐng)域推廣及應(yīng)用。