促进剂cbs杨爱东 邹淑平
(山东鲁能物矿开发有限公司・济南250014)
方波信号发生器
摘 要 钻井法凿井技术在我国煤矿建设中取得了巨大的发展。但是，在山东省巨野煤田郭屯矿井，新生界冲积地层深近570m，大大超过了钻井法已经达到的440m冲积层深度。在郭屯煤矿，钻凿深约610m的井筒给施工技术带来严峻的挑战。本文对用钻井法施工郭屯煤矿井筒的可行性进行了探讨，为解决郭屯矿井凿井技术课题提出了建议。关键词 钻井法凿井 深厚冲积层
中图分类号 TD26211+1 文献标识码 C 文章编号 1004-4051(2003)06-0051-03
STU DY ON SHAFT SINKING TECHN OLOG Y B Y BORING METH OD
IM GU OTUN MINE OF JU YE COALFIE LD
Y ang Aidong Z ou Shuping
(Shandong Luneng Materials Trade&Mining Co1,Ltd・Jinan250014)
Abstract:The technology of large diameter shaft boring had notablely been developed for constructing coal mine shaft in China.However,the thickncss of Cainozoic group alluvium is570m at Guo Tun coal mine that will be constructcd at J u Y e coal field in Shandong province,it is greatly larger than440m that is the most thickness of alluvium passed by shaft boring method in China at present.Boring a610m deep large diameter hole and lining shaft at Guo Tun coal mine is a challenge for constructing technology.In this paper,The feasibility of shaft boring at Guo Tun coal mine was discusscd,and questions for study were suggestcd.
K eyw ords:Shaft sinking by boring,Deep alluvium
目前钻井法凿井技术在我国煤矿建设中取得了巨大的发展。但是，巨野煤田郭屯矿井的开发，面对新生界地层深近570m的表土，钻深约610m的井筒，表土厚度大大超过了目前钻井法已经达到的440m深度，从技术、经济、安全方面都给下一步施工带来更为严峻的挑战。本文通过对巨野煤田郭屯矿井钻井法凿井的技术进行研究，为解决郭屯矿井凿井技术课题提出了建议，也为我国今后在特厚表土层中利用钻井法凿井提供了借鉴的依据。
1 攻关技术研究
根据巨野煤田郭屯井田的地层特点，采用钻井法凿井具有作业安全、经济技术合理的优势，但对以下一些关键技术问题需要研究解决，才能安全、顺利、经济地用大直径钻井法施工如此深大的井筒。
(1)考虑竖向附加力的新型井筒支护结构
对于成井直径(或有效断面直径)615m的井筒，根据钻机设备能力和空间平面尺寸，最大钻孔直径受到限制。为了保证600m长的井壁在具有一定允许偏斜的钻孔中顺利悬浮下沉安装，以及壁后充填固井的需要，井壁外侧和井帮之间需留有一定空间，经验证明它与井深成正比。分析现有350～508m井筒的相关参数可以得出，采用内管充填方式，壁后预留空间约需0150m，据此推算最大井壁厚度为019m。因此必须研究一种既能同时抵御水平地压和竖向附加力作用，又能满足现场施工条件的高强、高效井壁结构，并应用成熟的理论和规范对井壁结构进行全面的强度和变形计算，以保证井壁在长期使用中的安全。
(2)井筒支护施工工艺
钻井法凿井井筒支护采用预制井壁悬浮下沉安装的方法，井壁节之间用钢法兰盘连接，为了保证井壁的正直，需采用钢楔块正，井壁之间仅由楔块、焊缝和局部接触的法兰盘来传递竖向荷载，为了避免竖向荷载传递的不均匀性，必须研究适应于600m深井壁的节间联接处理工艺及材料。地层竖
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巨野煤田郭屯矿井钻井法凿井技术研究
向附加力是井壁长期使用中承受的主要外力之一，也是近年来一些井筒发生井壁局部破坏的直接原因，必需通过充填段高合理划分和充填材料的研究，来减小井壁竖向附加力，并通过试验研究确定它的取值。
激光快速成型机泥浆临时护壁是保证表土不稳定地层中钻孔安全施工的基本条件，巨野煤田井筒设计深度600m 左右，最大钻孔直径9.3～914m，钻进中孔壁暴露时间长，保证砂层的稳定和粘土层的防水化是泥浆护壁的首要任务。原则上说护壁仍然是以足够的泥浆柱静压和薄韧的泥皮来抵御砂层中的水和机械因素引起的失稳塌井，以及控制泥浆失水，达到防止粘土层膨胀、崩裂引起缩径、片帮。因此，必须根据地层的具体条什，研究配制相应的化学泥浆。并在钻进中随时检测，使泥浆始终保持适应地层变化的良好参数。
(4)抑制造浆和废弃泥浆处理
大直径钻井采用反循环泥浆洗井，泥浆在钻杆中通过压气作高速上升运动，携带钻进中钻头破碎下来的土块岩屑，经排浆管排出地面，进入泥浆净化池。巨野煤田井筒体积可超过4万m3，泥浆总循环量
达10万m3以上。因此开展抑制造浆和优化地面净化系统，达到减少泥浆总循环量并及时净化处理泥浆中的携带物，将关系到工程的顺利进行和它的技术经济效果。钻进用的泥浆由于复杂地层护壁的特殊需要，往往加入一些化学处理剂，根据井场环境的具体要求，需要对钻进过程多余的废浆及成井后全部弃浆进行水土分离处理，达到水可直接排放无污染，土可装运堆积。
(5)防止泥包钻头加快钻进速度
巨野煤田新生界表土层80%以上为粘土，避免泥包钻头是钻进中一个很重要的问题，它对整个井筒的钻进速度影响很大，减少泥包钻头的基本措施是，选用合适的破岩刀具，并根据破岩规律设置钻头吸收口；选择好钻进参数并随地层变化适时予以调整；注意加强泥浆净化处理和优化泥浆参数。
(6)提高井下设备密封性及耐用性
巨野煤田井筒钻井工程超过目前施工最深井筒近百米，对破岩刀具和超声波测井仪等井下设备的耐压性能提出新的要求。它关系到设备的正常使用，以及工程质量和经济效果。滚刀的使用寿命，对钻井法凿井的施工成本影响很大，进一步研究CrMnMo空冷耐磨钢的物理力学和机械性能，提高破岩的效率，以及在空冷状态下获得良好的机械性能，实现刀齿修复，不需热处理，空冷自硬。影响滚刀使用寿命的另一个因素是刀体的密封，滚刀直接在井下长时间滚动破岩，如刀体密封性能不好。泥浆中的颗粒进入轴承，直接影响滚刀的使用寿命。研究、改进新型刀体密封及压差自动平衡结构，使密封耐
压性能达到满足钻深大于600m钻井的需要。
对于深井，不提钻检测井筒的偏斜情况，不仅有着技术进步的意义，而且可减少钻进辅助时间，提高成井速度。现有的超声波测井仪需要研究一种新型探头及密封结构使其抗压能力达到适应于650m以上深井使用。同时开发一种专用数据接口，使测井仪能与普通微机直接进行数据交换和通讯。新改进的测井仪要求可测直径018～12m，测量精度±015%～110%，满足巨野煤田钻井法凿井施工的需要。
2 解决方法建议
(1)井壁厚度控制
钻井井壁一般为厚壁筒结构，它的材料效率，随着径厚比的减少而降低。因此，超过一定范围后，单纯采取增加厚度来提高结构承载能力，是不合理的。根据设计部门的计算研究，郭屯矿副井设计井筒有效断面直径为613m，考虑到偏斜因素，成井直径加大012～013m，井壁最小内径为615～616m(关于井壁偏斜对井筒有效断面的影响下面另有论述)。在多次矿井开发技术研讨会上，井壁厚度成为确定施工方法的关键问题。国内科研部门在长期从事钻井法井壁科研和设计的基础上，研究开发出的新型复合约束混凝土结构，用于郭屯矿副井井壁设计，采用与淮南谢桥西风井井壁同样的设计理论和计算依据，并考虑因地层下沉产生竖向附加力作用，验算径向应变，结果可达到符合规范和安全使用的条件，并满足现有施工设备的要求，其基本参数为：井筒采用钻井法施工深度为610m (表土深570m)；
井壁最小内径为6160m或6150m；井壁最大外径8130m；井壁最大厚度850mm或900mm。
(2)井壁偏斜后井筒有效断面的考虑
钻井井壁采用井口地面预制悬浮下沉工艺，安装时随着井壁的加长，重心逐步下降，当井壁下沉到一定深度后，整体结构形成一个近似正直的悬浮体，当钻孔的偏斜值符合有关规程要求时，井壁底部和侧面一般不会碰靠井帮。当“钻井深度小于300m，钻孔允许偏斜率不得超过011%;300～400m，偏斜值不得超过320mm;400～500m，偏
25中国矿业2003年第12卷第6期离子电推进
斜值不得超过400mm;501～600m，偏斜值不得超过480mm。”《建井工程手册》中有关钻进终孔检查测量的质量要求：当钻孔“局部偏斜达到2‰；偏斜达到1‰，有明显拐点；终孔(投影)有效断面不够(不能满足下沉井壁的基本要求)，应进行扫孔或扩孔纠偏”)，同时根据《钻井井筒永久支护通用技术条件》要求，严格控制井壁悬浮下沉时配重水的添加量，井壁也不会发生沿轴线整体失稳。井壁悬浮下沉到底就位后，内径轴线应该是一近似直线，但由于受井壁质量不均衡的影响，可能产生一定的偏斜，此偏斜的允许值,《规范》、《技术条件》的要求为:“井筒深度小于300m，偏斜差率不得超过018‰；井筒深度301～400m，偏斜值不得超过240mm；井筒深度401～500m，偏斜值不得超过300mm；井筒深度501～600m，偏斜值不得超过360mm；安装提升设备的井筒，其有效断面必须符
合设计要求。”郭屯矿副井矿井深度610m，根据这些有关规定，取井壁下沉到底后，产生的最大偏斜值为400mm。井壁深部厚度850mm(或900mm)，内径650mm的段高，长度140m，按比例可求得段高上部，井壁内侧水平位移约92mm；而上一段高的井壁厚度变为700mm (或750mm)，内径变为6180m，每边缩进150mm，段高100m，上部井壁内侧水平位移约157mm；井口处井壁厚度为550mm(或600mm)，内径变为711m，每边累积缩进300mm，井壁偏斜最大水平位移400mm。根据上述计算，井壁内径加大100mm以上，就可以满足井筒有效断面的要求。综合考虑各种因素，建议井壁最小内径取615m (或616m)。
柔性霓虹灯(3)钻井参数的组合方案
井壁有效直径 613m，针对郭屯钻井条件建议采用:
〔方案1〕井壁直径d1=615m、d2=618m、d3 =711m；井壁厚度B1=850mm、B2=700mm、B3 =550mm；井壁外径D1=812mm；壁厚充填空间宽度c=550mm；钻井直径D2=913m。
〔方案2〕井壁直径d1=616m、d2=619m、d3 =712m；井壁厚度B1=850mm、B2=700mm、B3 =550mm；井壁外径D1=813mm；壁厚充填空间宽度c=500mm；钻井直径D2=913m。
(4)关于壁后充填和竖向附加力
化学泥浆
钻井法凿井井壁采用悬浮下沉安装的施工工艺，钻孔直径必须大于井壁外径，以适应钻孔偏斜和井壁下沉工艺的需要，其大小与钻井深度和施工工艺有关。这个预留空间在井壁下沉到底后，必须进行充填，达到固井目的，并隔断上部含水层的水，保证下步工程破底延深的安全施工。壁后充填属钻井法凿井的最后一道工序，但又是一个非常重要的工作，如处理不好，充填材料达不到固井和隔水的要求，将会影响下一道工序的开展，如淮南潘三西风井由于壁后水泥浆充填效果差，充填时水泥浆的相对密度没有达到设计要求，难于置换出钻井泥浆，出现大段高不凝固混合物，造成井壁整体下滑，井壁底压坏，影响了下一道工序的进行。但过多的采用固结材料充填，又会加大地层下陷作用於井壁的竖向附加力，因此，合理的选择充填段高和材料，保证施工质量是非常重要的。
(5)关于粘土层膨胀井筒缩径，影响钻头提出的问题
泥浆临时护壁是保证表土不稳定地层中钻孔安全施工的基本条件，郭屯矿井井筒钻井深度610m 左右，最大钻孔直径913～914m，钻进中孔壁暴露时间长，因此保证砂层的稳定和粘土层的防水化仍是泥浆护壁的首要任务。为了防止粘土层因粘土膨胀而产生缩径，影响钻头提出的问题，首先应该根据粘土的性质，选择相应的泥浆处理剂，严格控制泥浆的失水量，在膨胀性地层，失水量一般可控制到小于10mm3/30min，使泥皮薄而韧，并且在泥浆失水仪上形成的泥皮厚度为015～115mm之间，基本上使井帮地层和泥浆隔开，防止地层进一步水化膨胀，并在钻进中随时检测，使泥浆性能始终保持适应地层土质变化的良好参数。另一方面为了保证缩径后，钻头仍可顺利提出，应在钻头体的上部加装
反向刀具。在以往大量的粘土层钻进中，这方面已取得了不少的经验。
(6)加强管理，提高建井速度
在设备和施工技术的不断改进和发展中，钻井法凿井综合施工速度得到了长足的提高，特别是随着企业改革的深入发展，管理水平有了根本的变化，减少辅助时间、提高钻进效率、确保工程质量的意识，已成为施工者的自觉行动。根据正在进行钻井施工的淮北许疃矿副井，井筒内径618m，钻井直井910m，深近400m，从目前进度分析，有可能用1年左右时间完成，综合成井速度可望超过25m/月。该管理经验为安全、优质、高速完成郭屯矿副井的钻井任务，奠定了基础。
(收稿日期:2003年6月5日)
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巨野煤田郭屯矿井钻井法凿井技术研究
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