西部地區鉆井法施工立井穿越第四系砂層對策

白云飛，趙國良

(陜西延長石油榆林可可蓋煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

2021年3月，國家“十四五”規劃明確提出推動煤炭生產向資源富集地區集中，建設黃河中上游和幾字灣等清潔能源基地，該區域主要位于內蒙古鄂爾多斯市和陜西榆林市境內，地表多為沙漠地形地貌，目前國家規劃的大型呼吉爾特礦區、納林河礦區、榆神礦區、榆橫礦區、神府礦區均位于該區域，含煤地層為侏羅系延安組，規劃井型500～1 500萬t/a。淺部煤層主要以露天、斜井開拓為主，深部煤層主要以斜井、立井開拓方式為主[1-3]。無論采用斜井或立井開拓，風井一般布置為立井，再根據井田不同地層水文、地質條件合理選取普通法、凍結法或鉆井法施工，以達到安全快速高效建井的目標[4-6]。

總體來說，該區域內采用凍結法施工較為普遍，采用鉆井法尚無先例[7-9]。目前，國內應用鉆井法施工立井井筒多數位于山東魯西南地區、江蘇蘇北地區和安徽兩淮地區，已成功鉆井70余座，鉆井深度可達600 m、井徑可達13 m，全機械化作業技術先進，“打井人員不下井”實現了本質安全。由于東部地區和陜蒙地區地層條件不同，特別是陜蒙區域表土段風積沙及沖積砂礫層與東部區域第四系砂鈣質黏土不同，強度弱且極松散，鉆井法能否安全可靠穿越本地層關系到鉆井工程的成敗[10-12]。因此，重點對鉆井法穿越西部地區第四系風積沙及砂層等松散地層的對策進行探討。

1 區域地質條件

1.1 區域地層

陜北、蒙西地區屬華北地層區鄂爾多斯盆地分區東勝—環縣小區，區域內地層由新至老分別為新生界第四系全新統上更新統馬蘭組、薩拉烏蘇組，中更新統離石組，下更新統午城組。新近系上新統靜樂組，中生界白堊系，下統洛河組。侏羅系中統安定組、直羅組、延安組，下統富縣組，三疊系上統瓦窯堡組。主要含煤地層為侏羅系延安組。

1.2 井田地層簡述

以榆橫礦區可可蓋井田為例，井田地表全部被第四系松散沉積物覆蓋，主要有全新統風積沙、上更新統薩拉烏蘇組，白堊紀下統洛河組，侏羅系中統安定組、直羅組、延安組及下統富縣組，三疊系上統瓦窯堡組等。在巖層飽和抗壓強度大小方面，不穩定松散砂層組、土層組(風積沙、上更新統薩拉烏蘇組)為0 MPa，全-強風化巖組(洛河組地層頂部)為1.92 MPa，弱穩定煤巖組(2號煤層)為10.70 MPa，中等-微風化砂巖、泥巖及互層巖組(白堊系洛河組及侏羅系中統安定組)為17.75 MPa，中等穩定、砂巖組(侏羅系中統直羅組及延安組)為23.17 MPa。

1.3 井檢孔勘探成果

可可蓋礦井設計在中央風井場地布置中央進、回風立井，井筒相距148 m。井檢孔勘探資料顯示第四系全新統風積沙厚度為3.5 m、5.2 m，淺黃色松散狀粉砂，表層含現代植物根系。第四系薩拉烏蘇組砂層厚度為57.61～56.51 m，淺黃色松散狀細砂，灰綠色粉砂質亞黏土。第四系離石組黃土層厚為23.99～29.91 m，淺黃色粉砂質亞黏土、棕紅色砂土黏土，該層為黃土土質，散體結構，較緊密堅硬，顆粒均勻，原狀飽和黃土的壓縮系數為0.07～0.3 MPa-1，承載力較高，穩定性較好。

2 鉆井法及其適應條件

2.1 鉆井法工藝簡述

鉆井法施工工序為施工準備(鎖口基礎施工)→安裝鉆機、門吊→鉆井施工→井壁連接與下沉→井壁扶正、固定→壁后充填、檢查→成井，如圖1所示。泥漿制備與鉆機安裝、井壁預制與鉆井工序可平行作業以縮短工期。由于松散層對鉆井施工影響重大，所以存在松散地層的區域采用鉆井施工必須將松散層加固治理作為鉆井施工的先決條件。

圖1 鉆井法施工工藝流程示意Fig.1 Drilling method construction process flow

2.2 鉆機性能

目前較為成熟的AD130/1000型豎井鉆機為動力頭式豎井鉆機，具有動力大、結構簡單、安裝方便、控制簡便等特點，該型號鉆機設計最大鉆井深度1 000 m，最大鉆井直徑13 m，最大提升能力700 t，動力頭扭矩600 kN·m，主機裝機功率1 050 kW，轉速最大可達22 r/min。最新研制并應用的ZDZD-100重型工程鉆機是迄今世界上能力最大的多用途動力頭式工程鉆機之一。采用全液壓驅動，適用各類礦山立井井筒鉆鑿施工。鉆機配有油缸驅動的可變徑穩定器和可變徑鉆頭，適應巖石硬度達130 MPa(f=13)，鉆壓≥150 t，硬巖鉆速>100 mm/h。設計最大鉆井深度650 m，可變鉆井直徑4～12 m，最大提升能力900 t，動力頭扭矩為1 000 kN·m，主機裝機功率960 kW，轉速最大可達12 r/min。

2.3 鉆井法適應條件

2.3.1 工程地質條件適應性

該井筒穿越白堊系、侏羅系巖層多為不穩定-弱穩定巖石，弱膠結，強度較低，一般f≤4，僅個別巖層f=7；而我國中、東部地區鉆井法施工井筒下部基巖強度一般f≥5。因此，采用同樣的鉆井設備施工西部地區軟弱地層是可行的。

2.3.2 水文地質條件適應性

根據可可蓋井田勘探報告、井檢孔勘探報告以及相鄰已建成的小紀汗礦井、大海則礦井、巴拉素礦井井筒實際揭露地層的涌水量情況，本區域內第四系薩拉烏蘇組、白堊系洛河組、侏羅系延安組2號煤層為主要含水層，井筒施工過程中均受到不同程度影響。若采用鉆井法鑿井，井筒施工不受含水層影響，是建井防治水害最有效的手段。

2.4 適應性分析

本次立井最大鉆井直徑8.5 m，最大鉆井深度535 m，巖石以泥巖類為主，強度弱，巖石的單軸抗壓強度為15.6～70 MPa，約80%的巖石單軸抗壓強度≤50 MPa，平均約38 MPa。根據現有鉆井技術和鉆機性能，鉆機功率大，自動化程度高，鉆機能力完全滿足巖石強度可鉆性。通過分析認為，立井鉆機對于可可蓋井田地層巖性強度是適應的。

3 鉆井法穿越西部地區第四系松散砂層的對策

3.1 采取對策的必要性

根據井檢孔勘探結果，第四系風積沙、薩拉烏蘇組砂層埋深大、極松散、富水性強，井筒開挖后圍巖自由面無法抵抗砂層自然塌落，采用錨噴臨時支護及砌碹永久支護困難，易發生潰砂突水甚至淹井事故。飽和松散砂層段鑿井技術一直是建井工作的難題，一般開鑿立井前需要采取凍結、注漿等特殊鑿井措施。本次采用的鉆井法開鑿立井井筒，分析認為鉆井過程采用正常泥漿護壁反力無法抵抗砂層自然塌落，仍存在發生潰砂突水的可能性，因此必須對第四系松散地層采取有效的對策進行加固治理，實現鉆井安全穿越第四系松散層，為鉆井法成功鉆井立井井筒創造先決條件。

3.2 松散層加固方案比選

3.2.1 可行性比較

對于飽和松散層厚度較小且富水性小的井筒，目前多采用板樁法和超前預注漿法進行處理，對于飽和松散層厚度較大且富水性較強的井筒，多采用降水法或凍結法進行處理，然后采用鉆爆法破巖，井壁采用錨噴及砌碹等聯合支護完成井筒施工。本次采用的鉆井法不同于凍結法施工工藝，井筒采用鉆機破巖，鉆井過程采用泥漿護壁臨時支護，井壁地面預制，待鉆進至設計深度后采用沉井法下沉井壁并找正后充填固井，井筒自由面暴露時間相對較長。通過調研了解，認為地基工程通常采用MJS工法(全方位高壓噴射工法)對表土段松散層治理是非常有效的手段，MJS工法自20世紀70年代問世以來成功用于深基坑開挖、隧道掘進和邊坡治理等建筑、鐵路行業，以往用于深井鑿井中案例較少，但對煤礦建井也有借鑒意義。因此，將MJS工法與傳統的松散層治理工法優缺點及可行性一并比較如下，見表1。經分析認為，板樁法和超前預注漿法適應性不強，不可行；降水法對松散層加固作用不大，不可行；凍結法和旋噴法均能達到松散層加固和含水層防治的目的，都具有可行性。因此，需對具有可行性的2種工法從安全、質量、工期、造價以及施工組織等方面優缺點再次進行比較。

表1 鑿井方案技術可行性對比Table 1 Technical feasibility comparison table of schaft sinking scheme

3.2.2 凍結法

凍結法的優點是安全可靠、技術成熟、質量可控。但凍結法工期長、費用較高，凍結圍巖對鉆井泥漿影響較大且凍結工期伴隨整個鉆井工期；立井井口周圍布置凍結管及凍結站、立井鉆機及龍門吊，基礎設備、管道較多并存在交叉，不利于大型設備作業，施工組織管理困難。

3.2.3 MJS工法

MJS工法的優點是安全可靠、質量可控、工期短、相比凍結法費用較低，不存在旋噴和鉆井交叉作業的情況，有利于施工組織和管理。但是MJS工法井筒施工應用案例較少，存在樁體交接不嚴密導致潰砂突水的風險，但采取控制引孔斜度、間隔跳樁施工、水泥漿液合理配比等措施后可規避風險。綜合井筒地質條件及目前旋噴工藝及裝備情況，分析認為MJS工法可作為井筒穿越第四系薩拉烏蘇組富水松散砂層治理的對策之一。

3.3 MJS工法

旋噴法是用鉆機鉆至預定深度后，用高壓脈沖泵加壓使水泥漿液由鉆桿底端的噴嘴旋轉向四周噴射，同時旋轉提升，用高壓射流破壞土體結構并使破壞的土體與水泥漿液攪拌混合，膠結硬化形成上、下直徑大致相同、具有一定強度的圓柱狀旋噴樁固結體，強度一般在3～8 MPa以上，滲透系數達6～10 cm/s。當旋噴樁相互交接后，便以同心圓的形式在井筒之外形成一個永久性封閉的旋噴帷幕體，從而在井筒鉆進前起到超前支護、止水的作用。MJS工藝漿液噴射流初始壓力高達40 MPa，流量約90～130 L/min，噴射流能量大，作用時間長，再加上穩定的同軸高壓空氣保護和內壓力的調整，使得成樁直徑較大，可達2～2.8 m，成樁深度大。

施工分為2個工作流程。先施工引孔鉆至設計標高，再下噴頭由下至上噴射注漿。每個施工段的旋噴樁均劃分為一序孔和二序孔，先施工一序孔再施工二序孔，施工時采取間隔跳樁施工。

3.4 施工設計

3.4.1 布樁平面圖

根據對第四系薩拉烏蘇組砂層標準貫入實測擊數18～19.7擊，MJS工法成樁樁徑一般可達2.0～2.5 m。設計樁徑1 500 mm，樁距987 mm，樁間搭接513 mm，搭接處厚度1 129 mm。結合可可蓋礦井中央進、回風立井井筒設計凈徑6 000 mm、井壁厚度600 mm、壁后充填厚度650 mm，確定鉆井直徑8 500 mm、樁體保護層厚度350 mm、旋噴樁體中心直徑10 700 mm，共布樁34根。井筒旋噴樁布置平面圖如圖2所示,剖面圖如圖3所示。

圖2 井筒旋噴樁布置平面Fig.2 Layout plane of wellbore jet grouting piles

圖3 井筒旋噴樁布置剖面示意Fig.3 Layout section of wellbore jet grouting piles

3.4.2 終孔層位及樁體長度

高壓旋噴引孔的開孔孔徑為φ250 mm，采用泥漿護壁、回轉鉆進的方法，一鉆到底。根據井檢孔資料，對第四系風積沙及薩拉烏蘇組上部共30 m深度進行加固，下部灰綠色粉砂質亞黏土及離石組黃土具有一定的自穩性，不采用加固措施。因此，鉆孔終孔層位進入風積沙和薩拉烏蘇組松散砂層深度30 m。鉆孔成孔后，下入噴頭，由鉆孔底部向上邊旋噴邊提升至地表時終止旋噴，樁長30 m。

3.4.3 設計工程量及造價

設計共布樁34根，另外布置1根試樁45 m。引孔總延米、旋噴長度均為1 065 m。經測算，旋噴樁330萬元、樁機環形導墻2萬元、措施項目費(安全文明施工費、冬雨季夜間施工措施費)15萬元、規費17萬元、稅費34萬元，工程總造價398萬元，綜合指標3 737元/m。

3.5 應用效果

可可蓋煤礦中央進、回風立井井筒采用MJS工法完成第四系松散層加固后，分別采用AD130/1000型豎井鉆機和ZDZD-100重型工程鉆機各施工一條立井井筒。自安設鉆機以來，通過觀測未發現位于旋噴樁體上的鉆井鎖口基礎下沉或變形，樁體有效阻止了第四系松散層坍塌，井筒內的護壁泥漿量未出現異常增加情況，松散層含水被MJS樁體有效隔離，砂層水未涌入鉆井空間，采用MJS工法施工的旋噴樁體，達到了對松散層治理的目的。目前，中央進風立井采用一鉆成井φ8.5 m完成鉆進280 m；中央回風井采用一擴成井φ4.5 m鉆進513 m至設計深度并揭露主采2號煤層，采用φ8.5 m擴孔鉆進230 m，各井筒正在按設計有序鉆進。

4 結語

通過對松散層治理方案比選，確定采用MJS工法對松散層進行加固治理，在井筒外部形成一個永久性封閉的旋噴帷幕體，井筒鉆進前起到超前支護、止水的作用，防止鉆井過程中發生松散層坍塌引起潰砂突水，為鉆井法施工提供安全的作業空間，較凍結法具有造價低、工期短、不交叉干擾、有利于施工組織管理等優點。隨著西部地區晉陜蒙寧大型能源基地的建設，建井技術不斷變革，應用鉆井法安全高效快速施工立井已是大勢所趨。松散層治理問題得到有效解決將會為鉆井法在西部地區的廣泛應用提供先決條件，MJS工法從建筑行業基坑支護到煤炭行業井筒支護的探討與實踐應用，可以成為煤炭行業建井工作的新選擇。