鉆井法鑿井一擴成井施工工1 (1)

1、鉆井法鑿井一擴成井施工工法GJYJGF100-2012中煤礦山建設集團有限責任公司 安徽水利開發(fā)股份有限公司中煤特殊鑿井有限責任公司王厚良 趙時運 丁明 蔡鑫 劉建國 1 前言隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，國家對煤炭的需求量日益增大。礦井立井井筒向深大方向發(fā)展。鉆井法施工煤礦立井井筒在質量方面優(yōu)勢顯著，但效率不高。在深厚沖積層中采用鉆井法鑿井，鉆進過程需要多次分級擴孔才能達到所需要的鉆井直徑，多次擴孔雖然能有效地利用鉆機能力，但也存在許多問題：需要多個擴孔鉆頭，設備占用量大，施工成本高，輔助工作時間長、工效低，成井速度慢。為了更好的發(fā)揮鉆井法的優(yōu)勢，優(yōu)化施工工藝，采用新型鉆機，減少鉆進分級等方法，對深大

2、井筒進行“一擴成井”，有效地解決了鉆井法成井速度問題。在鉆井法鑿井“一擴成井”工藝研發(fā)過程中，依托 “煤礦深井建設技術國家工程實驗室”，采用理論分析，計算機模擬，室內(nèi)試驗等方法，開展了鉆井新工藝研究，新型破巖滾刀研制，新型高效鉆頭結構研究，攻克了在傳統(tǒng)鉆井法鑿井“一次超前，分級擴孔”的鉆進工藝中存在的諸多難題，獲得專利6項?！耙粩U成井”快速鉆井法鑿井關鍵技術及裝備研究成果榮獲國家科學技術進步獎二等獎、安徽省科學技術進步獎一等獎和中國煤炭工業(yè)科學技術獎特等獎。該技術于2010年12月26日通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的專家鑒定，對鉆井法鑿井技術的應用和發(fā)展具有重要意義。2 工法特點2.0.1采用“

3、一擴成井”技術施工煤礦立井井筒，減少了輔助作業(yè)時間，提高了鉆井速度，縮短了施工工期30以上。2.0.2采用專配15系列滾刀，提高鉆頭刀具的破巖效率，降低鉆頭的故障率，使鉆頭的檢查間隔從8天提高到14天。2.0.3依據(jù)鉆頭排渣能力合理匹配 “超前孔”和“擴孔”關系，一次破巖面積增加1-2倍，純鉆進速度提高50%以上；減少巖屑重復破碎，減少造漿15。2.0.4采用鉆井防偏技術控制鉆孔偏斜，利用超聲波測井儀對鉆孔的偏斜率進行監(jiān)測，鉆井偏斜率小，成井質量高。2.0.5設備占用量少，減小勞動強度，減少施工場地的占用。3 適用范圍適用于不穩(wěn)定含水地質條件下直徑大于8m小于10m的立井井筒施工，尤其適用于深

4、厚沖積層立井井筒施工。4 工藝原理根據(jù)井筒設計參數(shù)和地質條件，選擇鉆機并配備合適的鉆頭和刀具，在確定的位置上，采用超前鉆孔和一次擴孔鉆進的方法施工；利用豎井鉆機驅動鉆具旋轉，使?jié)L刀切割巖土，將其破碎成巖屑；通過壓氣反循環(huán)進行泥漿循環(huán)洗井作業(yè)，將破碎的巖渣攜帶到地面的沉淀池內(nèi)沉淀；泥漿循環(huán)的同時又起到護壁和冷卻鉆頭的作用，如此反復，完成鉆井的施工。鉆進施工期間，在地面預制井壁并養(yǎng)護，養(yǎng)護期滿后吊運堆放。當鉆進至設計直徑和深度后，依靠泥漿的浮力將預制好的井壁逐節(jié)對接漂浮下沉；當浮力大于重力時，向井壁內(nèi)注入配重水，使井壁下沉并保持井壁處于漂浮狀態(tài)直至井壁下沉到位；井壁下沉到底后，測量扶正井筒，使其偏

5、斜率符合規(guī)范規(guī)定。然后采用水泥漿和碎石交替充填將井幫與井筒間的泥漿置換出來，完成充填固井作業(yè)。5 施工工藝流程及操作要點5.1 工藝流程施工工藝流程見圖5.1-1。測量放線 設備安裝調(diào)試 配置泥漿 超前孔鉆進 井壁下沉 井壁預制 基礎施工 擴孔鉆進 充填固井 鉆進施工圖5.1-1 工藝流程圖5.2 操作要點5.2.1 測量放線根據(jù)業(yè)主提供的井筒中心坐標及測量控制點，放樣確定鉆井井筒的中心，依據(jù)井筒中心及工業(yè)廣場總平面布置圖確定出泥漿沉淀池、設備基礎等位置。5.2.2 基礎施工（1）鎖口施工1）根據(jù)臨時鎖口設計圖紙，用機械沿輪廓線開挖，臨時鎖口周邊及底部進行修整、夯實。2）臨時鎖口施工完畢后，其

6、平整度必須滿足鉆機安裝的要求。（2）基礎施工1）根據(jù)工業(yè)大臨基礎圖紙完成泥漿沉淀池、井壁預制基礎等的施工。井壁預制基礎的平整度和強度必須能滿足井壁預制的要求。2）沉淀池的長度、寬度和深度應能滿足泥漿流動時巖土顆粒依自重沉淀要求，沉淀池寬度還應控制在撈渣機械的工作半徑內(nèi)。5.2.3設備安裝、調(diào)試（1）利用起重設備完成鉆機、空氣壓縮機、門式起重機等設備的安裝；鉆機安裝完畢后，要保證大鉤提吊中心、轉盤中心、井筒設計中心在同一鉛垂線上。（2）根據(jù)圖紙合理布置刀具，測量并記錄鉆頭高度。（3）完成設備電氣安裝后，應先通電進行空載試運轉，然后負載進行設備試運轉。5.2.4 配制泥漿開鉆前應認真分析井筒地質資

7、料，對自然造漿能力好的地層，可直接采用清水開鉆。對開鉆后不能自然造漿或自然造漿能力差的地層，提前配置泥漿，泥漿配置數(shù)量應能滿足超前孔泥漿護壁需要。5.2.5 鉆進施工一擴成井示意圖（1）開鉆前，配備的空壓機最大供風量應能滿足全斷面鉆進時泥漿沖洗的要求。（2）開鉆時應先進行泥漿正循環(huán)鉆進作業(yè)，當鉆進深度滿足出漿要求后，起鉆具，裝入混合器，進行泥漿反循環(huán)鉆進作業(yè)。（3）鉆進期間，要經(jīng)常檢查鉆進記錄，校核鉆具全長。（4）鉆進期間，應根據(jù)地層情況合理選擇鉆壓、轉速等參數(shù)。（5）在鉆進通過膨脹性地層時，鉆孔容易縮徑，可采取控制泥漿失水量、掃孔、反向刀具等技術措施，預防和消除鉆孔縮徑。（6）在鉆進通過膨脹

8、性粘土層、泥巖層時，鉆頭容易泥包，可采取如下措施預防和消除鉆頭泥包：1）鉆進時應適當控制鉆壓，減小鉆進速度。2）加大泥漿的沖洗量和適當降低泥漿的粘度。3）改進鉆頭結構和刀具布置方式。4）鉆進過程中經(jīng)常上下串動鉆具，反復掃孔洗井。5）每次下鉆時，在鉆頭距井底1.0m1.5m處，經(jīng)掃孔后，再進入工作面。（7）鉆進期間，操作人員應注意觀察各儀表的變化情況，防止掉鉆、井內(nèi)掉物、井幫坍塌等。（8）鉆進期間，應及時清理沉淀池內(nèi)的沉渣，定時化驗泥漿的各項參數(shù)，嚴格控制井口泥漿面不低于臨時鎖口面500mm。（9）當超前孔鉆至設計深度后，利用超聲波測井儀測量鉆孔垂直度和直徑，符合規(guī)范要求后，進行下一步施工。（1

9、0）超前孔鉆進結束后進行擴孔鉆進，當擴孔鉆進達到設計深度后，經(jīng)調(diào)制泥漿、測井，確認符合要求后下沉井壁。5.2.6 井壁預制（1）法蘭盤加工時，應成對配鉆加工，并嚴格控制焊接變形。（2）固定下法蘭盤應用專用工具將其點焊在基礎鋼軌上，清掃干凈。按方位焊好預埋件、節(jié)間注漿管，并將不正的焊筋板、封水板調(diào)正，做好方位標記。（3）井壁吊運堆放前應標明節(jié)號和方位，根據(jù)井壁下沉的順序按“先下在上，后下在下”的原則堆放。5.2.7 井壁下沉（1）井壁下沉準備1）井筒鉆進結束后，調(diào)整泥漿參數(shù)，為井壁下沉做好準備。2）測量鉆井的深度、直徑以及偏斜情況，繪制井筒的縱剖面圖和平面投影圖，判斷是否具備下沉井壁條件。3）計

10、算出每節(jié)井壁下沉時所需增加配重水量，便于下沉時掌握。4）找出井壁底的中心，焊好找正用的中心線支座。5）安裝第一段高的注漿充填用防逆流裝置（檢查、調(diào)整壓力）。6）認真檢查井壁底和其它井壁的壁后補注漿管，確保密封可靠。7）驗算井壁下沉時的漂浮高度,對漂浮高度不滿足要求的井壁要提前加設支撐梁。（2）井壁連接、下沉1）將井壁底吊至井口，對準臨時鎖口中心，緩慢下放，使支撐梁落在臨時鎖口上，并將支撐梁找平墊實。 2）上、下兩節(jié)井壁對接時,壓在下節(jié)井壁的重量不得超過其鋼梁的最大承載力。3）井壁對接時,當下部井壁的上法蘭盤與上部井壁的下法蘭盤的方位標記對齊后,緩慢下落上部井壁，當兩節(jié)井壁輕輕接觸, 應迅速穿好

11、螺栓，然后拉線找正,使中心線與井壁上下法蘭盤”米”字線中心重合。4）井壁對接找正后，應用手將上下法蘭盤連接螺栓擰緊，當對接的兩法蘭盤間隙超過5mm時，應用鐵楔沿圓周方向按固定間距墊實，保證上部井壁的重量均勻傳給下部井壁；法蘭盤焊接時，當間隙過大需加圓鋼填塞。5）井壁下沉結束后，測量井筒內(nèi)的無水段高深度，并將其和理論計算值進行對照。如果實際值與理論計算值之差在±15m之內(nèi)，視為正常。如果超出正常值則需要進行分析找出原因。（3）扶正固定井壁下沉到底后，應測量計算井筒的偏斜率，根據(jù)井筒偏斜率情況，確定出扶正點的位置和扶正量，在臨時鎖口上部利用千斤頂扶正井壁，當偏斜率符合規(guī)范要求后，扶正工作

12、完成。5.2.8 充填固井充填段高的合理劃分以及充填材料的選用對提高壁后充填質量、降低成本等起到積極的作用。段高的合理劃分以及充填材料的選用既應符合規(guī)范的規(guī)定，又要根據(jù)井筒深度按實際地質條件、井壁結構和充填工藝。水泥漿充填段高應設在第一段高和粘土層（隔水層）中或鋼板砼符合井壁層位內(nèi)，以增加摩擦力，更好地起到固井封水和腰箍作用。井筒表土段可采用石子充填，在確保充填質量前提下可起到降低成本的目的，一次充填高度不應超過100m。深井表土段應分為若干段，水泥漿和石子交替進行充填。井筒頂部充填段應采用水泥漿進行充填段高不得小于30m。（1） 水泥漿充填劃分原則：第一段高必須采用水泥漿充填，起固井和封水作

13、用，第一段高下部要深入穩(wěn)定基巖層中達5m以上，上部要覆蓋沖積層與巖石交接帶以上15m；水泥漿充填段高宜設在粘土層（隔水層）中或鋼板砼復合井壁層位內(nèi)，以增加摩擦力，更好地起到腰箍作用；井筒表土段可采用石子充填，一次充填高度不應超過100m。1）第一段高充填前，必須計算配重水量，加足配重水量。2）第一段高采用水泥漿充填，密度應大于1.70g/mm3。3）充填采用一泵一管制，并宜采用同型號注漿泵，充填時要經(jīng)常觀察壓力表讀數(shù)，如發(fā)現(xiàn)壓力表讀數(shù)不正常，要及時查明原因，確保充填正常進行。4）第一段高注漿后養(yǎng)護時間不應少于48小時，中間注漿段養(yǎng)護時間不應小于36小時。5）在下一段高充填前，應在對稱的四個方位

14、探測實際深度。 （2）石料充填1）拋石充填應均勻對稱進行，石料粒徑4060mm。2）拋石充填時，應在相互垂直的方位用兩臺經(jīng)緯儀檢測井壁位移，隨時調(diào)整各方位的充填速度，使整個充填頂面大致保持一致。6 材料與設備6.0.1 主要材料、機具設備見表6.0.1-1 表6.0.1-1 主要材料、設備表序號名 稱規(guī) 格單位數(shù)量備 注1鉆 機臺套根據(jù)井筒直徑、設計鉆井深度和現(xiàn)場情況確定2鉆 桿根3超前鉆頭套4擴孔鉆頭套5泥漿除砂裝置ZX-250套6空壓機GR200/20臺7門式起重機300t×18m套8洗碴機臺19注漿泵TBW-850/50臺套610吊 帽只根據(jù)井壁設計情況和井筒數(shù)量確定11內(nèi)導向

15、只12井壁模板套13井壁專用吊具套14吊車50t輛15裝載機L40臺216自卸汽車78t輛417挖掘機0.9m3臺118灰漿攪拌機C-076-1臺219雙軸攪拌機5m3臺套520超聲波測井儀SKD-1套121經(jīng)緯儀J2臺222水準儀臺123全站儀臺124黃砂根據(jù)井筒深度、直徑和井壁設計確定25碎石26水泥7 質量控制7.0.1 該工法嚴格執(zhí)行礦山井巷工程質量驗收規(guī)范（GB50213-2010）、煤礦井巷工程施工質量檢驗評定標準（MT5009-94）、混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范（GB50204-2002）、煤礦立井井筒裝備防腐蝕技術規(guī)范（MT/T 5017-96）、建筑鋼結構焊接規(guī)程（JGJ

16、8191）。其質量檢驗項目及檢驗方法如下：（1）鉆井臨時鎖口工程質量：檢驗材料質量證明書、復檢報告、砼試件強度報告、砼施工記錄。（2）鉆進、吊運、泥漿系統(tǒng)的安裝質量：檢查安裝記錄。（3）鉆井護壁泥漿質量：檢查泥漿化驗記錄。（4）各級鉆頭鉆進最終深度：測量鉆進最終深度時組成鉆桿、鉆頭等的長度，計算出鉆具總長，校核鉆進最終深度時的活殘尺和死殘尺。（5）成孔偏斜率：檢查測井圖紙。（6）井壁法蘭盤連接質量：檢查井壁下沉質量驗收記錄。（7）井壁法蘭盤和法蘭盤裸露面的防腐質量：檢查井壁下沉質量驗收記錄。（8）鉆井成井有效圓直徑：檢查測井圖紙。（9）鉆井成井深度：測量井壁下沉結束后井壁總長度。（10）鉆井成

17、井偏斜率：檢查測井圖紙。7.0.2 達到工程質量目標所采取的技術措施（1）鉆進前，要準確測量鉆頭、鉆桿高度、長度、死殘尺等參數(shù)。（2）在不均勻地層或軟硬交接地層鉆進時，應堅持減壓鉆進。（3）鉆進期間，要嚴格控制泥漿的參數(shù)，確保護壁質量。（4）鉆進結束前，提前調(diào)制泥漿，確保泥漿各項參數(shù)符合井壁下沉的要求。（5）充填用水泥漿必須攪拌均勻，水泥漿密度不應小于1.7g/mm3。水泥漿充填完畢，在碎石充填前，必須待水泥漿初凝后方可進行碎石充填。第一段高充填時，壁后注漿充填率不小于設計充填量的90%，其他段高不小于設計充填量的80%。（6）節(jié)間注漿時，水泥漿應攪拌均勻，密度應不低于1.75 g/cm3,

18、且水泥漿必須具有良好的流動性，確保水泥漿能充實井壁接頭間隙，水泥漿凝固后結石率不小于95%。7.0.3 達到工程質量目標所采取的管理措施（1）各分項工程均應編制質量、安全保證措施，各分項工程實施單位經(jīng)濟收入與質量掛鉤。（2）完善各級質量責任制，并認真落實，做到有檢查、有記錄、有評比、有總結。（3）開展質量管理教育和組織群眾性的質量管理活動，加強質量技術培訓。8 安全措施8.0.1 分部分項工程施工前，應編制專項安全措施，報上級安全部門批準后，組織貫徹、實施。8.0.2 基坑開挖完畢后，基坑周圍應設置防護擋板或防護欄，并設安全警示牌，夜間應有照明。8.0.3 鉆進期間，井口和泥漿溝槽須設置安全防

19、護網(wǎng)，井口和沉淀池周圍必須有保證夜間施工安全的照明設施。8.0.4 鉆進期間，地面的鉆桿排放要整齊，有防止鉆桿滾動措施。8.0.5 施工期間，特種作業(yè)人員必須持證上崗，作業(yè)人員必須佩戴防護用具。8.0.6 在井口進行鉆具檢修時，檢修工作面應有防滑措施，洞口應鋪設安全防護網(wǎng)，更換刀座、刀具時應將更換下來的刀座、刀具慢慢落至工作面，并及時清理到井口外。8.0.7 門式起重機行走軌道及基礎應經(jīng)常檢查，當基礎出現(xiàn)下沉或軌距偏差較大時應及時進行處理。8.0.8 廢漿池堤壩設置柵欄和安全警示牌，并安排專人進行巡視。9 環(huán)保措施9.0.1 鉆井期間，利用兩級凈化的方式對泥漿進行處理：即先利用篩網(wǎng)振動機將大塊

20、巖屑清除，進入自重沉淀，再利用泥漿凈化裝置對泥漿進行凈化，凈化出的巖屑可作為回填用土或作為臨時建筑的砌筑用砂，從而減少土地占用。9.0.2 在礦井附近設置臨時廢漿池，將鉆進時多余泥漿排至費漿池，采用泥漿無害化處理技術，對泥漿進行無害化處理，減少泥漿對環(huán)境的污染，同時，臨時廢漿池可兼做矸石堆放場地。9.0.3 鋪設運渣車輛專用車道，撈渣、運渣期間，運渣車輛應行駛平穩(wěn)。9.0.4 撈渣結束后，安排專人對運渣專用車道的泥漿進行清理。9.0.5 采用新型螺桿空氣壓縮機，降低了施工時產(chǎn)生的噪聲對職工聽覺的傷害，改善了職工的工作環(huán)境。9.0.6 水泥漿充填時，水泥罐、攪拌機附近的工作人員必須佩戴防塵口罩，避免吸入懸浮在空氣中的水泥粉塵。10 效益分析10.1 經(jīng)濟效益一擴成井技術的成功運用，提高了鉆井法施工鉆進效率，