濟寧3號井副井反井鉆井施工技術
　　摘　要　利用LM-200型反井鉆機在濟寧 3 號井副井298m深的井筒內(nèi)，穿過97m凍結段，鉆成深260m反井的施工技術，證明這種凍結法和反井鉆機相結合的鑿井工藝，開辟了井筒施工新途徑，和廣闊的推廣應用前景。
　　關鍵詞　反井鉆井　凍結法　反井鉆機
　　反井鉆機一般用于地質(zhì)條件較好的地下工程兩水平之間豎向或大傾角的聯(lián)絡通道。對于沖積層或含水地層，如不進行處理，一般無法用鉆機施工。煤科總院北京建井研究所和兗州礦務局三十二工程處在濟寧 3 號井副井進行了用反井鉆機施工凍結地層的試驗，取得了較好的效果。
　　1　工程概況
　　濟寧 3 號礦井位于兗州礦務局濟寧東區(qū)，年產(chǎn)煤5Mt，采用主井、副井和風井 3 個豎井開拓，于1991年9月份開工。主井和風井提前完成進入巷道施工階段;由于一些原因，副井施工落后，成為礦建工程的關鍵。只和加快副井施工，才能保證按期移交。副井井筒全深589.2m，水窩深31.2m，開挖直徑9.3～11.1m，凈直徑8m，采用永久井架鑿井。上部第四系沖積層和風化含水基巖段采用差異凍結，最大凍結深度385m。井筒掘進從1994年8月開始，到1995年完成298m。根據(jù)副井施工狀況，以及主井和風井已形成的生產(chǎn)條件，確定采用反井鉆機施工下部260m凍結基巖段和非凍結基巖段的施工方案，即將反井鉆機安裝在井底，鉆出直徑1.4m的溜矸孔，然后刷大成井，溜矸孔解決掘進中出渣、排水和通風，使掘進工作在兩水平進行，解決井筒掘進中主要矛盾，提高掘進速度，降低施工成本。
　　用反井鉆機施工的副井井筒巖層系二疊系和石炭系地層。主要巖石和中細粉砂巖、粘土巖、泥巖和煤等，地層走向NE，以寬緩褶皺為特點，傾角5～10°。
　　2　施工設備
　　根據(jù)副井地質(zhì)條件和相關工程條件，選用LM-200型反井鉆機施工。該機由北京建井研究所設計，曾在山東汶南煤礦完成316m豎井鉆進施工，在十三陵抽水蓄能電站鉆成斜長237m、傾角50°的壓力管道。該研究成果獲原煤炭部科技進步一等獎，其主要技術參數(shù)為
　　導孔直徑/mm216
　　擴孔直徑/m1.4～2.0
　　設計鉆進深度/m200
　　轉速/r*min-10～20
　　扭矩/kN*m40
　　推力/kN350
　　拉力/kN850
　　主機功率/kW82.5
　　主機質(zhì)量/t8.0
　　3　施工準備
　　3.1　設備布置
　　井筒內(nèi)空間狹小，要求在8m直徑的井內(nèi)布置總質(zhì)量達70t的反井鉆機和輔助設備，還要便于吊運、安裝、拆卸、維護、管理和操作。為此，采用立體分層布置設備，即在地面布置泥漿攪拌系統(tǒng)、供水供電設施和存放鉆桿;吊盤上布置各種驅(qū)動開關、電纜和照明系統(tǒng);在鉆機基礎平臺上布置鉆機、泵站、操作臺、泥漿泵和鉆桿等;在平臺下布置冷卻水池和泥漿池。
　　3.2　鉆機基礎澆筑
　　井筒掘進到預定深度后，出凈工作面矸石，完成內(nèi)壁施工，清干井底，澆筑上部2.8m×3.5m、下部3.6m×4.3m的混凝土臺形基礎，基礎上預留鉆機的地腳螺栓孔和9個梁窩，搭上鋼梁，再鋪厚50mm木板形成工作平臺。
　　3.3　設備下井和安裝調(diào)試
　　設備下放由主副提升系統(tǒng)完成。首先將吊盤下放到距工作面7m左右處，將鉆機控制開關放在吊盤上;然后由主提下放鉆機、操作車、泵站，由主副提一起將主機就位;最后由副提下放泥漿泵和其它小件。設備到位后進行組裝，接通電源，試運轉，固定地腳螺栓，備好泥漿。大部分鉆桿先放在地面，需要時由主提下放或上提。
　　3.4　其它
　　供電、供水、通風、照明和通訊等都需提前形成。
　　4　導孔鉆進
　　導孔鉆進是反井施工的關鍵，關系到鉆孔質(zhì)量和成敗。濟寧 3 號井副井在井中鉆進，比以往的反井工程都復雜，主要和以下幾個特點。
　　(1)從國內(nèi)外資料看，穿過97m凍結地層鉆進反井還是第一次，由于凍結段溫度低，對于施工設備，特別是洗井介質(zhì)泥漿性能以及孔壁穩(wěn)定性都和不利影響，一些巖層經(jīng)凍結后，物理力學性質(zhì)會發(fā)生較大變化。
　　(2)在接近300m的井內(nèi)施工，當導孔穿過凍結段進入非凍結地層后，水的影響很大，水壓3～4MPa，水溫遠高于凍結段，會降低泥漿性能，破壞孔壁的自穩(wěn)性。
　　(3)鉆進穿過的地層地質(zhì)條件復雜，巖性變化大，很容易造成孔斜。
　　(4)對鉆孔偏斜控制要求高。井筒下口馬頭門處系斷層，為維持下口的穩(wěn)定，馬頭門處開挖寬度只和4m，偏斜稍大就會偏入圍巖;井筒內(nèi)預留和位于井筒中心的水文觀測孔，并安和套管，導孔開孔位置既要避開套管又要不偏出下巷道，鉆孔偏斜率必須控制在3‰以內(nèi)。
　　4.1　鉆具布置
　　從鉆機方面來看，影響鉆孔偏斜率的主要因素是鉆具(包括導孔鉆頭、普通鉆桿、穩(wěn)定鉆桿)及其布置。所用的鉆桿和?φ182mm和?φ176mm兩種。鉆具布置既要考慮導孔鉆進，又要考慮擴孔安全，還要根據(jù)施工狀況和孔內(nèi)情況進行調(diào)整。施工時布置鉆具包括開孔、正常導孔鉆進以及事故處理時不同階段的布置。
　　4.2　鉆進參數(shù)控制
　　要保證鉆孔精度，認真準確操作和細心控制非常重要。操作人員必須按照要求合理控制鉆進參數(shù)，掌握鉆機工作狀況和地層條件，減少孔內(nèi)事故發(fā)生。
　　開孔階段主要限制鉆壓在20～50kN之間，轉速10r/min，鉆進速度不大于1.5m/h。正常鉆進時，要保持扭矩穩(wěn)定，鉆速均勻，并根據(jù)鉆出的巖屑了解地層狀況，根據(jù)地層的變化及時調(diào)整鉆進參數(shù)。
　　4.3　導孔鉆進事故及處理
　　導孔鉆進按照施工組織設計和反井鉆進技術要求進行，且泥漿性能控制較好，鉆進工作較順利。但當通過凍結段達到160m深后，突然發(fā)生異常：①泥漿泵壓力突然增大，以至多次將安全閥頂?shù)簦酀{泵皮帶打滑甚至拉斷;②孔內(nèi)泥漿變稀，粘度降低，停鉆后和一股水返出孔外，再開泵循環(huán)，孔內(nèi)泥漿上返不均勻;③鉆機扭矩增大，以至發(fā)生卡鉆，鉆具上提下放困難;④最后大量巖石顆粒堵孔，不得不上提鉆具。
　　鉆具提出后，發(fā)現(xiàn)和 3 根鉆桿內(nèi)孔被巖渣堵塞。開始認為是由于泥漿泵皮帶損壞，排渣不及時造成，于是更換皮帶，重新下鉆，到55～60m處，又發(fā)生上述現(xiàn)象。經(jīng)多次沖孔，鉆具下放到160m，鉆進10m后，又發(fā)生堵孔，而且比第一次更嚴重，從孔內(nèi)排出的巖渣量遠遠超過應排出量，于是，再次下放鉆具，但也只能下放到55～60m。
　　通過鉆孔資料與井筒地質(zhì)柱狀圖以及已掘完成的主井和風井地質(zhì)資料進行比較，并經(jīng)過反復分析討論，最后判定塌孔的根源是在55～60m段泥質(zhì)膠結礫石層。其下部非凍結段的承壓水上返，使循環(huán)泥漿溫度升高，造成地層局部解凍，解凍后的礫石層物理力學性質(zhì)發(fā)生較大變化，塊狀結構變成了散粒狀;承壓水也使泥漿變稀，固壁性能下降，造成塌孔。
　　由于首次在凍結地層中鉆孔，經(jīng)驗較少，塌孔處理采用了普通條件下鉆孔塌孔的處理方式：如用水泥漿灌孔，普通刮刀鉆頭掃孔等措施，均未取得效果;也采取過加強凍結方式，也未成功。最后采用稠漿強行鉆進，終于使導孔打通。
　　4.4　偏斜測量
　　通過測量，鉆孔的偏斜率為0.85‰，精度非常高。
　　4.5　擴孔施工
　　導孔鉆透后，進行擴孔鉆進，1995-11-08擴孔完成。
　　5　施工技術統(tǒng)計
　　(1)開鉆到竣工時間，1995-09-16～11-08;
　　(2)導孔鉆進0～160m，1995-09-16～9-21;
　　(3)塌孔事故處理時間，1995-09-21～10-23;
　　(4)導孔鉆進160～260m，1995-10-23～10-28;
　　(5)擴孔鉆進260m，1995-10-28～11-08;
　　(6)鉆孔深度260m;
　　(7)鉆孔直徑1.4m;
　　(8)凍結段長度97m;
　　(9)基巖段長度163m;
　　(10)平均鉆進速度190m/月;
　　(11)純鉆進速度390m/月;
　　(12)鉆孔偏斜率0.85‰。
　　6　結　語
　　濟寧 3 號井副井是國內(nèi)第 1 次用反井鉆機施工的凍結井，在298m深的井筒內(nèi)，穿過97m厚凍結段和163m非凍結段，鉆成260m深的溜矸孔，孔斜率僅0.85‰。這是繼在汶南煤礦鉆成深316m直反井和在十三陵抽水蓄能電站鉆成長237m的斜反井(傾角50°)之后反井鉆進工藝上的又一次突破。本次施工較好地解決了井筒內(nèi)凍結地層施工反井的技術難題，在鉆孔塌孔處理、偏斜控制、泥漿參數(shù)控制及井筒內(nèi)施工管理等方面取得了豐富經(jīng)驗。這種綜合鑿井工藝，開辟了井筒施工新途徑，和廣闊的推廣應用前景。
　　作者單位：煤炭科學研究總院北京建井研究所
　　第 1 作者簡介
　　劉志強，男，1962年出生，高級工程師。1984年畢業(yè)于山東礦業(yè)學院礦井建設專業(yè)，1987年在煤炭科學研究總院獲得碩士學位。曾獲煤炭科技進步一、三等獎各 1 項，電力科技進步三等獎 1 項。一直從事反井鉆井技術研究及應用工作。已發(fā)表論文10多篇。