李廣兵，葉禮明，李 泉，石 民，宋毅鑫

(淮北礦業(yè)〈集團〉勘探工程有限責任公司，安徽 淮北 235047)

?

采用空氣潛孔錘鉆進技術在井筒內(nèi)施工泄水孔實踐

李廣兵，葉禮明，李 泉，石 民，宋毅鑫

(淮北礦業(yè)〈集團〉勘探工程有限責任公司，安徽 淮北 235047)

袁店一井煤礦風井井筒基巖段施工中遇工作面大量涌水，排水能力無法滿足掘砌需要。為保證井筒掘砌施工安全，提出施工鉆孔直達風巷的方法進行快速泄水，但已無法進行傳統(tǒng)泥漿鉆進。通過采用長距離懸空鉆桿結(jié)合空氣潛孔錘鉆進技術以及孔口管的安裝等施工工藝和措施，有效解決了巖粉上返、水壓過大、鉆桿擺動等施工技術難題，快速地完成了泄水孔的施工，成功將井筒基巖段涌水排入井下水倉，從而確保了井筒的安全和快速施工。

井筒涌水；懸空鉆桿；孔口管；潛孔錘鉆進；空氣鉆進

0 引言

地面預注漿技術是礦山特殊地層鑿井的一項重要技術[1-2],在煤礦井筒建設需要穿過含水豐富的基巖地層時往往會采用該技術，在淮北礦區(qū)有多次應用[3-6]。地面預注漿一般是在井筒掘砌之前完成，才能有效隔絕涌水對施工安全的影響。如若在掘砌過程中遇大量涌水工作面注漿無法有效施工時再考慮采用地面預注漿的方法，將會大大影響施工進度與施工成本。陜西彬長文家坡礦井排矸立井在施工過程中遇到工作面大量涌水的問題，針對這一問題，提出了一種利用長距離懸空鉆桿導向管鉆孔技術，模擬鉆孔環(huán)境進行泥漿循環(huán)鉆孔施工，將涌水導入巷道，成功對工作面進行了泄水[7]。本文結(jié)合工程實例，提出另一種施工方法，利用空氣鉆進技術，以快速有效地解決井筒掘砌工作面涌水問題。

1 工程概況

袁店一礦東風井設計深度757.50 m，凈直徑6500 mm，311 m以淺沖積層及基巖風化帶采用凍結(jié)法施工，余下446.5 m基巖段采用普通鑿井法施工。掘進至316 m位置時遇含水層，井筒涌水量急劇增大，最大涌水量達到80 m3/h。由于現(xiàn)場設備能力有限，每天排水時間高達12 h，已經(jīng)無法滿足掘進以及井壁澆筑等施工的需要。為了解決該施工問題，提出采用長距離懸空鉆桿結(jié)合空氣潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進施工工藝從風井工作面施工垂直鉆孔至井筒下口進入已經(jīng)建成的回風巷道，將井筒涌水引至井下水倉，再由此排出礦井。

2 地質(zhì)特征及水文地質(zhì)條件

該孔位于礦井東部，根據(jù)袁店一井煤礦東風井檢查鉆孔提供的地質(zhì)資料：鉆孔穿過地層自上而下依次為第四系和二疊系。第四系厚約269.30 m，基巖部分主要由泥巖、粉砂巖、砂巖、煤層和破碎帶組成，其中破碎帶分為5層：①450.76～461.93 m，厚度11.17 m；②467.05～469.05 m含水層，厚度2.13 m；③499.02～503.29 m含水層，厚度4.27 m；④535.50～537.00 m含水層，厚度1.50 m；⑤655.64～658.62 m，厚度2.98 m。

根據(jù)檢查孔水文地質(zhì)資料，316 m工作面以深還存在4個含水層：①388.50～399.75 m含水層，厚度11.25 m；②471.75～486.05 m含水層，厚度14.30 m；③609.25～614.35 m含水層，厚度5.10 m；④745.10～754.26 m含水層，厚度9.16 m。根據(jù)檢查孔測井資料，預計井筒涌水量80 m3/h。

3 鉆孔設計

3.1 確定鉆孔地面位置

鑒于井筒工作面空間不足，加之已開挖部分難于進行傳統(tǒng)的泥漿循環(huán)鉆井，提出在井筒上口布置鉆機。袁店一礦東風井搶險快速放水鉆孔理論孔位應設在東風井井筒中心，但由于既有礦建現(xiàn)有井架限制，鉆機天車只能固定在礦建井架一個地方，從而導致鉆孔無法布置在井筒中心，只能從天車下放中線找垂點，找最接近的點安裝施工。

3.2 工作面導向管埋設

井下工作面預先施工一段5 m鉆孔，鉆孔埋設孔口管，固管止水。工作面再用護筒澆筑混凝土穩(wěn)固孔口管?？卓诠苡娩摻z繩結(jié)合螺旋錨桿固定在井筒壁上，以防止鉆進過程中鉆桿擺動打脫孔口管。

3.3 鉆孔施工方案

利用長距離懸空鉆桿空氣潛孔錘回轉(zhuǎn)鉆孔技術進行鉆井。一方面借助空氣作為攜巖介質(zhì)，巖粉直接排至井筒工作面，另外一方面利用空氣作為潛孔錘沖擊的動力來源。鉆進過程中采用低轉(zhuǎn)速、低鉆壓鉆進。同時與礦建隊伍排水工作做好協(xié)調(diào)工作。終孔測斜至關重要，一旦鉆孔未進入巷道，采取井下巷道貫通泄水。

根據(jù)排水需要，設計鉆孔深度為755.84 m，鉆孔施工長度為439.84 m，孔徑216 mm。鉆孔內(nèi)下放?139.7 mm×9.17 mm篩管，絲扣外管箍連接，絲扣涂抹環(huán)氧樹脂結(jié)構膠。設計鉆孔結(jié)構如圖1所示。

4 鉆孔施工

4.1 加固工作

由于井口空間有限，無法進行正常的鉆機井架安裝，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境和鉆進需要，對鉆機底盤和井架天輪平臺做了相應加固工作，達到滿足鉆孔施工安全要求。由于鉆機坐在井筒底盤的工字鋼上，施工前必須對工字鋼進行加固，設計用2個25a槽鋼對面焊接加固支撐，下支撐點為永久井壁，上支撐點為井筒底盤的工字鋼。鉆機卷揚底盤下用螺栓固定在井盤底梁。天車底盤安裝在井筒天輪平臺的工字鋼上，用鋼板及銷釘、螺絲加固。

圖1 設計鉆孔結(jié)構示意

4.2 導向管施工

(1)鉆具下到掘進工作面后，在井底鉆具垂點用風錘和風鎬挖好鉆頭鉆窩，鉆窩大小稍大于?311 mm潛孔錘，深度≮1 m。

(2)用?311 mm潛孔錘鉆進5 m以便下放孔口管。將加工好的長度12 m的帶喇叭口的孔口管(?244.5 mm鋼管)下入鉆孔，然后在孔口管上部用螺旋錨桿和鋼絲繩將之與井壁使進行固定。調(diào)整好中心位置，用水泥漿進行固管。在孔口管外圍用長1.3 m規(guī)格?1500 mm×7 mm的管材作為護筒，內(nèi)部扎鋼筋籠后澆筑C40混凝土，護筒外再用混凝土做坡腳固定。導向管結(jié)構見圖2。

圖2 導向管結(jié)構示意

(3)固管時間≮3 d。之后經(jīng)試驗合格后方可進行下一步鉆進工作，否則必須重新固管。

4.3 鉆進設備及機具選擇

(1)根據(jù)空氣鉆進技術要求，結(jié)合現(xiàn)場情況，采用兩空一增的空氣鉆進設備配置。通過設備選型最終確定了鉆機等設備型號，具體情況見表1。

表1 主要設備情況

空壓機是空氣鉆進施工的關鍵設備?？諌簷C采用美國壽力DLQ1250XHH/1525XH雙工況型，低壓擋額定壓力2.41 MPa(350 Psi)時，氣量43.2 m3/min；高壓擋額定壓力3.45 MPa(500 Psi)時，氣量35.4 m3/min。增壓機選用蚌埠產(chǎn)ZR4015MPA型，氣量40 m3/min，最大增壓到15 MPa。

(2)為保證鉆孔垂直度，防止孔斜，同時考慮鉆進氣量問題，主鉆具采用?127 mm鉆桿。鉆具組合為：?127 mm鉆桿+?178 mm鉆鋌+?311/216 mm潛孔錘。

4.4 施工環(huán)境改進

(1)由于井筒內(nèi)有吊盤、井口有封口盤等，這些設施影響鉆孔布置。因此，應對吊盤、封口盤和二層平臺進行改造，即把對鉆孔施工有影響的部位進行開孔切除，切除部分待鉆孔完畢后要進行恢復；為防止切除部分墜落至井筒內(nèi)，提前對切除部分采取安全防墜措施。

(2)對于井口薄弱部分，重新鋪墊鋼板；井口所有電纜進行包裹，以免損壞傷人；加工工作臺板，以便工人方便操作?，F(xiàn)場施工環(huán)境見圖3。

4.5 鉆進工藝參數(shù)

鉆孔施工總長度448 m，實際鉆進工期9 d(純鉆進時間48 h)，平均49.7 m/d(9 m/h)。空氣鉆進設備組合及施工現(xiàn)場布置如圖4所示。

4.5.1 轉(zhuǎn)速

為確保在鉆進過程中鉆桿的擺動幅度及對孔口管的擾動降到最低，將轉(zhuǎn)速降低到30 r/min左右。

4.5.2 鉆壓

圖3 現(xiàn)場施工環(huán)境

圖4 空氣鉆進設備組合施工現(xiàn)場布置示意

由于潛孔錘的特殊構造和工作原理，壓力過大或者過小沖擊器均無法工作或者效率很低，進尺慢，所以根據(jù)現(xiàn)場的地層情況，鉆壓控制在20 kN左右的低壓力。鉆進時要給壓均勻，采用懸吊鉆進，以防鉆桿產(chǎn)生較大的橫向扭矩。

4.5.3 氣壓

空壓機出氣壓力受鉆孔深度及涌水量的影響。隨著鉆孔深度的增大不斷增大，特別是開始鉆進時用于舉水的壓力增加得很快。開孔時壓力舉水空氣壓力1.5 MPa，鉆進壓力1.2 MPa；400 m時舉水空氣壓力超過了3.5 MPa，不得不使用增壓機舉水，舉水結(jié)束后再使用普通空壓機鉆進，鉆進時空氣壓力達到了1.8 MPa；穿過第二層含水層后壓力明顯上升，到600 m時舉水空氣壓力達到了4.5 MPa，鉆進時空氣壓力2.7 MPa；隨后壓力增加的更大，舉水壓力達到了5 MPa，鉆進時空氣壓力也是達到了3.4 MPa。

4.6 終孔結(jié)構

鉆孔終孔深度762 m，達到設計深度，由于該孔技術條件限制，無法使用泥漿配合螺桿鉆具，難以糾斜，鉆孔未進入巷道。經(jīng)過現(xiàn)場會商研究決定利用自尋北陀螺儀鉆桿內(nèi)進行測井，找準方位在井下巷道內(nèi)施工鉆孔對接貫通泄水。鉆孔施工完畢，下入?139.7 mm×9.17 mm篩管，泄水成功，泄水量達到約100 m3/h。

鉆孔實際結(jié)構如圖5所示。

圖5 泄水鉆孔實際鉆孔結(jié)構示意

5 結(jié)語

經(jīng)過相關技術攻關與方案調(diào)整，解決了制約長距離懸空無法進行傳統(tǒng)泥漿鉆進及鉆桿擺動的問題，克服了水量大、壓力大的施工影響因素，圓滿完成鉆孔的施工任務。該施工方法與地面預注漿相比，投入低、速度快。本次工程經(jīng)驗為建井中遇到涌水情況提供了一項經(jīng)濟高效的解決方法。不足之處是孔斜難以控制，需要下一步重點研究解決。

[1] 崔云龍.簡明建井工程手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2003.

[2] 郭培強，尚國安.立井井簡含水層地面預注漿施工技術[J].中國煤炭地質(zhì)，2009，21(S2)：60-61.

[3] 許延春.豎井施工中用地面預注漿法堵塞裂隙涌水和加固巖層[J].煤田地質(zhì)與勘探，1995，(2):41-44.

[4] 昌修林.地面預注漿技術在立井井筒施工中的應用[J].建井技術，2007,28(5:)：12-14.

[5] 胡煥明.地面預注漿技術在楊柳煤礦井筒施工中的應用[J].建井技術，2006,27(5)：2-4.

[6] 趙厚勝.井筒地面預注漿施工技術[J].煤炭技術,2006,25(9):96-98.

[7] 丁振宇.地面預注漿技術在袁店二礦風井施工中的應用[J].建井技術，2011,32(4)：11-13.

[8] 王冠民，孟林，劉慶利，等.利用長距離懸空鉆桿導向管鉆孔技術應用研究[J].煤炭工程，2012，(11),26-28.

[9] 趙福森,譚家政,楊晨,等.空氣(泡沫)潛孔錘鉆進工藝在王家?guī)X煤礦緊急避險孔中的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(8):25-29.

[10] 劉海波.空氣泡沫潛孔錘鉆進技術在大直徑基巖深井中的應用試驗[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(5):31-34.

Practice of Drainage Hole Construction in Shaft by Air DTH Drilling Technology/

LIGuang-bing,YELi-ming,LIQuan,SHIMin,SONGYi-xin

(Huaibei Mining Group Exploration Engineering Co., Ltd., Huaibei Anhui 235047, China)

Large amount of working face gushing water was encountered in the bedrock section of air shaft in Yuandian 1st coal mine, the drainage capacity could not meet the needs of excavation and lining. In order to ensure the safety of shaft excavation and lining, rapid releasing by direct drilling to air shaft was proposed, but the conventional mud drilling could not be used. By long-distance suspended drill pipe with air DTH hammer drilling technology, conductor pipe installation and some other construction technologies and measures, the technical difficulties of rock powder returning upward, too large water pressure, drill pipe swinging and some others have been effectively solved, the drainage hole construction is completed smoothly, the gushing water in bedrock section is discharged into the underground sump.

shaft water gushing; suspended drill pipe; conductor pipe; DTH hammer drilling; air drilling

2016-07-25；

2017-05-09

李廣兵，男，漢族，1989年生，石油與天然氣工程專業(yè)，碩士，從事煤田地質(zhì)與勘探及大口徑鉆孔施工工作，安徽省淮北市杜集區(qū)梧桐中路18號，lgbing1989@126.com。

P634

B

1672-7428(2017)06-0048-04