范京道,封 華,宋朝陽,任懷偉,馬 英,汪青倉,譚 杰,劉全輝,李 川
(1. 陜西延長石油礦業(yè)有限責(zé)任公司,陜西 西安 710016;2. 北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013;3. 中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013;4. 陜西延長石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000)
資源和能源是人類生存與發(fā)展的2個(gè)重要基礎(chǔ)支柱,也是人類文明進(jìn)步的動(dòng)力。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,截止到2020年全球煤炭占世界能源結(jié)構(gòu)比從最高的48%下降到27%;我國的煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的比例已經(jīng)由2005年的72.4%下降到56.8%,我國煤炭產(chǎn)量和消費(fèi)量分別為39億t和39.6億t,全球占比分別為50.4%和54.3%。盡管能源結(jié)構(gòu)對(duì)潔凈、綠色和低碳能源的需求不斷調(diào)整,煤炭仍將是我國能源的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”,而在國家“雙碳”目標(biāo)的要求下,必然推動(dòng)煤礦智能化建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施、頂層設(shè)計(jì)、技術(shù)路徑等方面的理論研究與實(shí)踐,同時(shí)也是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)進(jìn)步倒逼煤礦開發(fā)模式的變革,從而促進(jìn)煤炭資源向高質(zhì)量的智能、安全、高效、綠色等方向發(fā)展,智能化、綠色化已成為新時(shí)期煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。
目前,我國90%以上的煤炭產(chǎn)量來自于地下開采,煤礦井筒作為進(jìn)入地下開采的咽喉,保障人員、設(shè)備、物料、資源等運(yùn)輸或提升的安全通道,是地下煤炭資源開采的首要工程。目前,煤炭資源開發(fā)戰(zhàn)略目標(biāo)早已向西部礦區(qū)轉(zhuǎn)移。西部礦井建設(shè)初期曾試圖采用普通法施工,但由于地層富水、松散等地質(zhì)因素導(dǎo)致出水、潰沙、坍塌等災(zāi)害而難以進(jìn)行,后采用凍結(jié)特殊鑿井的方法進(jìn)行施工。然而鉆孔爆破破巖鑿井存在下井人員多、作業(yè)環(huán)境差、職業(yè)傷害嚴(yán)重、安全事故時(shí)有發(fā)生、施工難度大和風(fēng)險(xiǎn)高,與煤炭行業(yè)智能化發(fā)展的總體趨勢(shì)不匹配、不協(xié)調(diào)。以井筒為例,工程量只占井巷工程總量的5%~7%,但受制于建井技術(shù)的不足,工期占到了井巷施工總工期的40%~50%。因此,少人、安全、綠色、智能化礦井建設(shè)是現(xiàn)階段煤炭智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)和重要方向。
陜西延長石油可可蓋煤礦位于毛烏素沙漠南緣的陜西省榆林市,煤層賦存地層為西部典型的富水弱膠結(jié)巖石地層。可可蓋煤礦作為陜西延長石油礦業(yè)公司,在“十四五”期間煤炭產(chǎn)能達(dá)到5 000萬t/a,并形成千萬噸智能化煤礦集群的核心支撐,為推動(dòng)智能化礦井建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展,縮短建井周期,保障煤炭能源供給,采用斜井-豎井聯(lián)合開拓方式。鑒于此,筆者團(tuán)隊(duì)提出了智能化建井建智能礦井的建設(shè)理念,確定了主副斜井采用敞開式TBM掘進(jìn),進(jìn)回風(fēng)豎井采用豎井鉆機(jī)鉆井的建設(shè)方案,并研究了斜井敞開式全斷面TBM掘進(jìn)和豎井鉆機(jī)“一鉆完井”關(guān)鍵技術(shù)和裝備,提出了井筒全機(jī)械破巖建設(shè)與運(yùn)營安全保障方法與措施,探索了可可蓋煤礦全礦井機(jī)械破巖智能化建井模式,旨在為我國西部富水弱膠結(jié)地層中煤礦安全開發(fā)提供全礦井機(jī)械化智能建設(shè)模式和技術(shù)路徑。
隨著建井基礎(chǔ)理論的發(fā)展,機(jī)械裝備制造水平提高,以及數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,井筒建設(shè)在斜井和豎井方面均發(fā)展出了各自適用的鑿井技術(shù)與裝備。
在煤礦斜井建設(shè)方面發(fā)展出了敞開式、復(fù)合式、單護(hù)盾等類型TBM掘進(jìn)裝備,例如,神華新街臺(tái)格廟礦斜井設(shè)計(jì)6°全下坡,開挖斷面直徑7.6 m,總長度6 314 m,斜井開口至4 200 m處(志丹群和表土層段)采用復(fù)合式TBM掘進(jìn),進(jìn)入安定組后轉(zhuǎn)換成單護(hù)盾TBM掘進(jìn),但因種種原因該斜井進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)而未開展施工;神東補(bǔ)連塔煤礦斜井TBM掘進(jìn),設(shè)計(jì)5.5°連續(xù)下坡,開挖直徑7.62 m,凈直徑6.6 m,斜井長度2 745 m,其中明挖段26.32 m,TBM掘進(jìn)段2 718.2 m,單月最高進(jìn)尺639 m,平均月進(jìn)尺546 m。此外煤礦平硐和井下巷道TBM掘進(jìn)方面,如神華新疆澇壩灣煤礦副平硐采用ZTE6460復(fù)合式TBM掘進(jìn),掘進(jìn)直徑6.46 m,掘進(jìn)長度6 200 m,最高月進(jìn)尺364.5 m;大同塔山煤礦主平硐采用雙護(hù)盾TBM掘進(jìn),掘進(jìn)直徑4.82 m,掘進(jìn)長度2 911.6 m,最高月進(jìn)尺662.5 m;山東新巨龍煤礦采用EQC6330全斷面TBM掘進(jìn),掘進(jìn)直徑6.33 m,大巷按R500 m的曲率半徑以2.1°上坡施工454.8 m,然后按3°上坡施工2 361.7 m,掘進(jìn)月進(jìn)尺高達(dá)400 m以上,巷道全長2 816.5 m;另外還有淮南張集煤礦高抽巷掘進(jìn)直徑4.5 m,全長1 594 m;山西東曲煤礦掘進(jìn)直徑5 m,全長3 600 m,云南羊場煤礦楊家礦井掘進(jìn)直徑3.2 m,全長1 014 m。
目前,不同地質(zhì)條件下煤礦豎井建設(shè)方面,已發(fā)展出了多種型號(hào)的豎井鉆機(jī)、反井鉆機(jī)和豎井掘進(jìn)機(jī)等裝備,以及各自適用的鉆井技術(shù)與工藝。北京中煤礦山工程有限公司研制的適用煤礦的MSJ5.8/1.6D下排渣豎井掘進(jìn)機(jī)和BMC系列反井鉆機(jī)需要有下部排渣通道的工程條件,而目前國內(nèi)現(xiàn)有的上排渣豎井掘進(jìn)機(jī)尚無煤礦井筒建設(shè)的應(yīng)用案例。豎井鉆機(jī)鉆井法1854年始于德國,我國于1969年在淮北朔里煤礦南風(fēng)井開始使用鉆井法鑿井工藝,并在國內(nèi)中東部地區(qū)推廣應(yīng)用,主要用于解決第四系深厚不穩(wěn)定含水沖積地層的豎井建設(shè)??煽缮w煤礦進(jìn)回風(fēng)豎井建設(shè)屬于我國西部煤系地層中首次應(yīng)用鉆井法鑿井。
經(jīng)過50多年的發(fā)展,豎井鉆機(jī)鉆井技術(shù)已由“四級(jí)鉆進(jìn)”至“并級(jí)鉆進(jìn)(三級(jí)鉆進(jìn))”再到“一擴(kuò)成井”、“一鉆成井”,充分合理地發(fā)揮了鉆井裝備的能力,提高了鉆進(jìn)效率;形成了大直徑井筒“一擴(kuò)成井”、小直徑井筒“一鉆成井”的技術(shù)和工藝,即井筒直徑較大時(shí),采用一級(jí)超前多級(jí)擴(kuò)孔鉆進(jìn),井筒直徑較小時(shí),采用全斷面一次鉆進(jìn)。豎井鉆機(jī)裝備方面,自主研發(fā)了國內(nèi)外設(shè)計(jì)能力最大、自動(dòng)化程度最高、性能可靠的液壓豎井鉆機(jī)。例如研制的L40/1000型豎井鉆機(jī),完成了最大成井直徑8.3 m,最大鉆井直徑10.8 m,最深鉆井深度660 m的井筒;研制的AD130/1000型液壓驅(qū)動(dòng)豎井鉆機(jī),具有鉆進(jìn)深度1 000 m、直徑13 m的豎井能力。到目前為止,我國鉆井法鑿井已鉆鑿119個(gè)井筒,總深度超過22 km。鉆井法具有機(jī)械化程度高、鉆進(jìn)自動(dòng)控制、井下無人的優(yōu)勢(shì),符合2020年八部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》的要求。因此,在西部煤炭資源開發(fā)過程中,利用鉆井法鑿井對(duì)推動(dòng)西部礦區(qū)機(jī)械化和智能化井筒建設(shè)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
現(xiàn)階段特殊建井技術(shù)及裝備在機(jī)械化、信息化的進(jìn)程中得到很大進(jìn)步,但無論是豎井還是斜井的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化建設(shè),圍繞“巖-機(jī)”相互機(jī)制仍然面臨很多待解決的共性問題:一是井筒穿越地層條件具有多變性、差異性和不確定性等復(fù)雜特征,導(dǎo)致井筒掘進(jìn)工藝的適應(yīng)性不足,在地層巖石破碎、巖渣運(yùn)移、圍巖支護(hù)、涌水控制等方面依然面臨很大挑戰(zhàn);二是井筒掘進(jìn)地質(zhì)超前探測(cè)與預(yù)報(bào)、裝備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、偏斜智能判識(shí)與自適應(yīng)調(diào)控、“巖-機(jī)”作用實(shí)時(shí)感知融合與分析等技術(shù)難以滿足工程需求。因此,復(fù)雜工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件下井筒高可靠、高效率的安全智能建設(shè)與管理依然需要地質(zhì)力學(xué)、巖體力學(xué)、機(jī)械工程、控制科學(xué)與工程、材料科學(xué)、鉆井工程學(xué)、信息科學(xué)與工程等多學(xué)科融合與發(fā)展,突破地層涌水封堵和穩(wěn)定性控制技術(shù),以及井筒掘進(jìn)裝備的破巖能力、高效排渣、定向掘進(jìn)、協(xié)同支護(hù)、智能監(jiān)控等掘進(jìn)技術(shù)和工藝難題。
可可蓋井田內(nèi)風(fēng)積沙覆蓋面積大,地勢(shì)整體西高東低,北高南低,海拔+1 241~+1 282 m,一般相對(duì)高差5~10 m,最大相對(duì)高差41 m。根據(jù)井田勘探報(bào)告和井筒檢查孔資料,井田地質(zhì)構(gòu)造簡單且井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂和褶皺構(gòu)造,地層傾角小于1°;巖石的耐磨性指數(shù)在1.05~2.88,屬極低耐磨性等級(jí);巖石抗壓強(qiáng)度多在50 MPa以下,抗剪與抗拉強(qiáng)度則更低,地層巖石可鉆性較好??煽缮w井田地表全部被第四系松散沉積物覆蓋,主要有由新統(tǒng)風(fēng)積沙、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組與中、下更新統(tǒng)黃土組成;鉆孔揭露的地層自上而下為第四系、白堊系下統(tǒng)洛河組、侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組、延安組地層;白堊系洛河組為富水性中等~強(qiáng)的間接含水層,直羅組為富水性弱的裂隙承壓含水層??煽缮w井田工程地質(zhì)條件,見表1。
表1 可可蓋井田工程地質(zhì)條件
根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對(duì)西部弱膠結(jié)地層物理力學(xué)特性與工程圍巖變形特征的研究成果,西部地區(qū)的侏羅系和白堊系地層成巖環(huán)境、成巖年代以及沉積過程具有一定特殊性,主要以顆粒物質(zhì)和膠結(jié)物質(zhì)經(jīng)過溶蝕、蝕變、壓實(shí)和膠結(jié)作用而成的沉積砂巖;具有強(qiáng)度低、膠結(jié)性能差、易風(fēng)化、擾動(dòng)敏感等特點(diǎn);特別是遇水后發(fā)生軟化、泥化、崩解等現(xiàn)象,其力學(xué)性質(zhì)劣化和強(qiáng)度大幅度降低;弱膠結(jié)地層巖石的物理特性導(dǎo)致煤礦地下井巷圍巖承載能力差、變形劇烈、持續(xù)時(shí)間長、破壞嚴(yán)重和支護(hù)困難等問題。
井田開拓方案是礦井設(shè)計(jì)的重要部分,井田開拓又以井筒為主,而井筒作為進(jìn)入地層深部開采的安全通道,是整個(gè)礦井安全生產(chǎn)的咽喉??煽缮w煤礦設(shè)計(jì)1 000萬t/a的生產(chǎn)能力,基于地層條件與技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等方面考慮,立足于井下開拓簡單、首采區(qū)開采技術(shù)條件好、外部運(yùn)輸距離短、壓煤少等原則,可可蓋煤礦采用主副斜井+通風(fēng)豎井的開拓方式,即井田西部礦井工業(yè)場地布置主斜井、副斜井,在井田中部主副斜井井底布置中央進(jìn)風(fēng)豎井和中央回風(fēng)豎井,在北部布置北一風(fēng)井;礦井生產(chǎn)后期增設(shè)北二回風(fēng)豎井和南部回風(fēng)豎井,實(shí)現(xiàn)全礦井分區(qū)通風(fēng)。
主斜井井口標(biāo)高+1 270.5 m,落底2號(hào)煤層的井底標(biāo)高+755.0 m,傾角5.6°,井筒方位角270°,斜長5 303 m,基巖段長度約4 803 m;副斜井井口標(biāo)高+1 270.50 m,落底2號(hào)煤層的井底標(biāo)高+755.0 m,傾角6°,井筒方位角270°,斜長5 302 m,基巖段長度約4 802 m;中央進(jìn)風(fēng)豎井井口標(biāo)高+1 260.0 m,井筒深度538.5 m,凈直徑6.0 m;中央回風(fēng)豎井井口標(biāo)高+1 261.0 m,井筒深度542.5 m,井筒凈直徑6.0 m??煽缮w煤礦井筒布置如圖1所示。主副斜井與通風(fēng)豎井在井田中部交匯,不設(shè)井底車場和煤倉,原煤通過輸送帶直接運(yùn)至地面。
圖1 可可蓋煤礦斜井與豎井井筒布置示意Fig.1 Layout plan of inclined shaft and shaft in Kekegai Coal Mine
根據(jù)對(duì)可可蓋煤礦周邊煤礦井筒施工調(diào)研,鄰近的大海則、巴拉素煤礦均為豎井開拓并采用全深凍結(jié)法鑿井;袁大灘礦井上部薩拉烏蘇組厚度93.5 m,洛河組缺失,主副斜井上部薩拉烏蘇組采用凍結(jié)法鑿井,進(jìn)回風(fēng)豎井采用全深凍結(jié)法鑿井;小紀(jì)汗礦井主副井采用斜井開拓,均采用普通法施工,進(jìn)回風(fēng)井采用豎井開拓。綜合分析研判可可蓋煤礦煤層580 m的賦存深度而言,豎井通風(fēng)、斜井運(yùn)輸是最合適的開拓方式。當(dāng)前,無論是豎井的凍結(jié)法鑿井,還是斜井的綜掘機(jī)普通法施工,均存在井下作業(yè)人員多、效率低、速度慢、耗能高、安全性差、后期維護(hù)量大,無法滿足大型礦井短周期、高安全、高質(zhì)量建設(shè)需求,迫切需要?jiǎng)?chuàng)新煤炭行業(yè)建井模式。
..主副斜井TBM掘進(jìn)可行性分析
近年來TBM裝備逐漸應(yīng)用于煤礦井巷工程的掘進(jìn),取得了良好的應(yīng)用效果。目前主要的盾構(gòu)機(jī)型式有土壓平衡盾構(gòu)機(jī)、泥水平衡盾構(gòu)機(jī)、單護(hù)盾TBM、單護(hù)盾雙模TBM、雙護(hù)盾TBM等,不同結(jié)構(gòu)的TBM裝備對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性不同,因此需針對(duì)可可蓋的地質(zhì)條件和整個(gè)礦井布局的設(shè)計(jì),綜合考慮斜井施工裝備的結(jié)構(gòu)以及支護(hù)形式??煽缮w煤礦主副斜井TBM掘進(jìn)要克服長距離、大埋深等技術(shù)難題;此外,穿越含水層時(shí)TBM裝備要承受較大的水頭壓力,因此TBM掘進(jìn)過程中不但應(yīng)考慮因地層條件不同對(duì)TBM刀盤掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行隨掘調(diào)整,同時(shí)要求襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠保證圍巖穩(wěn)定。
根據(jù)可可蓋井田井筒檢查孔地質(zhì)勘探,巖石單軸抗壓強(qiáng)度在0~50.7 MPa,考慮到洛河組含水層和侏羅系直羅組砂巖含水層涌水量較大、2煤層承壓水的問題,初期確定了單護(hù)盾雙模TBM加裝撐靴的設(shè)備類型:土壓平衡盾構(gòu)模式,采用管片支護(hù)可適應(yīng)軟土及富水地層掘進(jìn),撐靴支撐在管片上給主機(jī)提供推進(jìn)力;敞開式模式,采用錨網(wǎng)噴支護(hù)方式,撐靴支撐在井幫上給主機(jī)提供推進(jìn)力,錨網(wǎng)噴支護(hù)和掘進(jìn)可平行作業(yè);單護(hù)盾雙模TBM的模式轉(zhuǎn)換時(shí)間大約需15 d。通過對(duì)鄰近的小紀(jì)汗副斜井施工調(diào)研和交流情況,該井田揭露洛河組100 m之后巖層硬度增加,采用綜掘機(jī)掘進(jìn)效率降低,后又改為普通鉆爆法施工;同時(shí),可可蓋煤礦通過現(xiàn)場試挖發(fā)現(xiàn),可可蓋煤礦井口揭露的白堊系洛河組地層風(fēng)化程度低、巖石強(qiáng)度高。鑒于土壓平衡盾構(gòu)模式掘進(jìn)不僅需建立土壓平衡倉并加水和泡沫改良劑,并且采用螺旋出渣方式效率低,雙模之間的模式轉(zhuǎn)換時(shí)間長、進(jìn)尺效率低。因此,可可蓋煤礦主副斜井確定了采用敞開式TBM掘進(jìn)的方案。敞開式TBM掘進(jìn)如圖2所示。
圖2 敞開式TBM掘進(jìn)示意Fig.2 Schematic diagram of open TBM driving
敞開式TBM與護(hù)盾式TBM相比,盾殼較短,坡度適應(yīng)性強(qiáng),降低了卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn);敞開式TBM護(hù)盾為分體式,利用千斤頂伸縮功能可實(shí)現(xiàn)上護(hù)盾和側(cè)護(hù)盾能分別主動(dòng)支撐在井筒頂板和側(cè)幫,實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)防護(hù)功能,減少了空頂距;而護(hù)盾式TBM的護(hù)盾為整體結(jié)構(gòu),由于刀盤的擴(kuò)挖致使護(hù)盾范圍內(nèi)始終存在較大范圍的空頂區(qū)域,對(duì)頂板防護(hù)效果差;敞開式TBM自帶鋼拱架自動(dòng)拼裝和噴錨裝置,有利于實(shí)現(xiàn)快速支護(hù),可滿足TBM掘與支之間的協(xié)同性。但是敞開式TBM的撐靴支撐在井幫上,當(dāng)巖體強(qiáng)度不足以提供撐靴支撐力時(shí),需增加底部輔助推進(jìn)裝置,可通過在斜井底鋪設(shè)的仰拱塊提供TBM推進(jìn)反力來解決此問題,從而實(shí)現(xiàn)TBM順利推進(jìn);并根據(jù)地層條件特點(diǎn)采用鋼拱架或噴錨支護(hù)方式對(duì)斜井圍巖進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。因此,可可蓋煤礦主副斜井采用敞開式TBM掘進(jìn)具有可行性。
..進(jìn)回風(fēng)豎井鉆機(jī)鉆井可行性分析
在深厚含水或不穩(wěn)定地層中最可靠的特殊鑿井方法有凍結(jié)法和鉆井法。凍結(jié)法鑿井對(duì)松散含水層適應(yīng)性強(qiáng),采用人工制冷技術(shù),暫時(shí)將井筒周圍的含水巖土層凍結(jié)成一個(gè)封閉的凍結(jié)壁以抵抗水土壓力,隔絕地下水和井筒的聯(lián)系,在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行鉆孔爆破掘進(jìn)。然而凍結(jié)工程僅為措施工程,依然需要采用鉆孔爆破破巖,同時(shí)建井過程中增加了地層凍結(jié)時(shí)間,建井周期長,已然不符合現(xiàn)階段綠色智能化煤礦建設(shè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。鉆井法與凍結(jié)法相比具有機(jī)械化、自動(dòng)化程度高,打井不下井實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全,作業(yè)環(huán)境好安全性高,井壁地面預(yù)制的成井井壁質(zhì)量好,對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng),工期短,造價(jià)低;節(jié)省能源,節(jié)約資源,綠色施工等顯著優(yōu)勢(shì)。
在國家“七五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“深井鉆井法鑿井技術(shù)的研究”資助下,鉆井法成為我國首先通過深440 m表土不穩(wěn)定含水地層機(jī)械破巖鑿井施工方法;國家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“600 m深厚沖積層鉆井法鑿井技術(shù)研究”中,完成了山東巨野煤田新巨龍煤礦(年產(chǎn)600萬t特大型礦井)深厚沖積地層3個(gè)580 m深井筒施工,也是至今鉆井法鑿井井筒長期安全使用最深的井筒。盡管鉆井法鑿井在我國中東部深厚沖積地層鑿井是成熟技術(shù),但在我國西部富水弱膠結(jié)地層礦區(qū)尚無應(yīng)用。
可可蓋煤礦地層為典型的富水弱膠結(jié)地層,與我國中東部深厚沖積層在物理力學(xué)性質(zhì)上有一定的差異,但均屬于含水不穩(wěn)定地層。西部地區(qū)的弱膠結(jié)地層中富含水、強(qiáng)度較低,地層的可鉆性較好;遇水易軟化泥化、裂隙不發(fā)育、以孔隙水為主、巖層均勻性好等特點(diǎn),導(dǎo)致該類巖層的可注性較差,但是對(duì)于鉆井法中泥漿排渣護(hù)壁來講,該類地層具有不漏漿的優(yōu)勢(shì);同時(shí),機(jī)械裝備制造水平的提升、材料科學(xué)的進(jìn)步、智能控制技術(shù)的發(fā)展、跨行業(yè)多學(xué)科的助力等為豎井鉆機(jī)的研制提供了支撐。因此,在具備裝備研制條件,以及地層較好的可鉆性和地層不漏漿的優(yōu)勢(shì)條件下,可可蓋煤礦進(jìn)回風(fēng)豎井采用豎井鉆機(jī)鉆井具有可行性。
可可蓋煤礦通過對(duì)井田地質(zhì)和水文條件探查和分析,提出了經(jīng)濟(jì)合理的斜井和豎井聯(lián)合布置的礦井開拓方案,研判了主副斜井TBM掘進(jìn)和進(jìn)回風(fēng)豎井豎井鉆機(jī)鉆井可行性,在此基礎(chǔ)上初步形成了全礦井機(jī)械破巖建井模式。然而,無論是斜井TBM掘進(jìn)還是豎井鉆機(jī)鉆井從裝備運(yùn)行方式和掘支技術(shù)來分析,在一定程度上更多的還是爆破破巖技術(shù)的替代以及建井作業(yè)工人體力的延伸或替代,特別是穿越富水地層、極軟弱地層或破碎地層時(shí),必須隨時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)或者實(shí)施輔助技術(shù)或工藝才能完成安全鑿井。因此,要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、機(jī)械化、信息化建井向智能化建井發(fā)展,需借助物聯(lián)網(wǎng)、智能感知、大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)、仿真技術(shù)、云計(jì)算等新興技術(shù),突破復(fù)雜地質(zhì)條件下建井裝備與圍巖穩(wěn)定控制互饋感知、多動(dòng)作協(xié)同、分析計(jì)算及智能決策等關(guān)鍵技術(shù),形成全礦井機(jī)械化建井的智能感知與智能調(diào)控。
可可蓋煤礦全礦井機(jī)械破巖智能化建井模式,如圖3所示。構(gòu)建的全礦井機(jī)械破巖智能化建井模式,涵蓋了機(jī)械高效破巖、裝備性能狀態(tài)、排渣系統(tǒng)狀態(tài)、圍巖穩(wěn)定控制、井壁結(jié)構(gòu)可靠等參數(shù)智能反饋與調(diào)控,并為井筒及其結(jié)構(gòu)運(yùn)行期間風(fēng)險(xiǎn)防控和災(zāi)害治理提供可行的技術(shù)路徑和對(duì)策,為井筒全壽命協(xié)同智能運(yùn)行和安全服役提供保障。
圖3 可可蓋煤礦全礦井機(jī)械破巖智能化建井模式Fig.3 Mechanical rock breaking and intelligent shaft sinking mode of Kekegai Coal Mine
可可蓋煤礦是我國西部典型的富水弱膠結(jié)地層礦井,根據(jù)鉆孔揭露的地質(zhì)信息,斜井穿過松散層厚度63 m、洛河組強(qiáng)風(fēng)化段厚度20 m,松散層及洛河組為強(qiáng)含水層,涌水量較大。為實(shí)現(xiàn)安全快速掘進(jìn)和掘-支協(xié)同控制,提升智能化礦井建設(shè)水平,綜合考慮地層特性、工程條件和掘進(jìn)裝備性能等影響因素,陜西延長石油礦業(yè)公司采用ZTT7130型敞開式全斷面TBM系統(tǒng)(圖4)。ZTT7130型TBM刀盤開挖直徑7.13 m,刀盤轉(zhuǎn)速5 r/min,刀盤布置40把滾刀并采用背裝楔塊式安裝,刀盤驅(qū)動(dòng)功率2 300 kW;整機(jī)總長127 m,總質(zhì)量約1 300 t,使用電壓為10 kV,總裝機(jī)功率3 800 kW,主軸承設(shè)計(jì)壽命>15 000 h;采用8個(gè)油缸推進(jìn),單次行程為1.1 m,額定推力15 876 kN;同時(shí)TBM配備了錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)、鋼拱架支護(hù)系統(tǒng)、仰拱吊機(jī)、超前管棚支護(hù)及注漿系統(tǒng)、鋼筋排架支護(hù)系統(tǒng)、二次風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、帶式輸送機(jī)等,集超前探測(cè)、破巖、排渣、支護(hù)、降溫、除塵、通風(fēng)、導(dǎo)向等功能于一體并協(xié)調(diào)運(yùn)行。
圖4 斜井全斷面智能掘進(jìn)裝備Fig.4 A full face intelligent inclined shaft boring machine
考慮地表覆蓋第四系松散層強(qiáng)度極低和圍巖自穩(wěn)性能差的特征,斜井井口段采用放坡大開挖的明槽開挖形式;斜井穿越侏羅系安定組、直羅組、延安組地層時(shí)采用TBM工法施工,每隔600 m設(shè)置1條聯(lián)絡(luò)平巷,每隔40 m設(shè)1個(gè)躲避硐。其中,主斜井傾角5.6°全下坡,明槽開挖段264 m,TBM工法施工段5 040.9 m;副斜井傾角6°全下坡,明槽段開挖長度290 m,TBM掘進(jìn)工法施工段長度5 041.3 m。TBM刀盤、主梁等重大構(gòu)件采用分塊分段設(shè)計(jì)加工,在臨建場地進(jìn)行TBM裝備組裝后,整體步進(jìn)過明槽段后,在TBM始發(fā)硐內(nèi)進(jìn)行始發(fā)。斜井明槽開挖段與TBM掘進(jìn)始發(fā)現(xiàn)場如圖5所示。
圖5 斜井明槽開挖段與TBM掘進(jìn)始發(fā)現(xiàn)場示意Fig.5 Deep-trough excavation of inclined shaft and the site of TBM departure boring
..高效破巖掘進(jìn)與連續(xù)排渣技術(shù)
針對(duì)可可蓋煤礦巖石強(qiáng)度低、擾動(dòng)敏感的特性,斜井敞開式TBM掘進(jìn)形成了高效破巖與圍巖控制、連續(xù)排渣、裝備推進(jìn)與支撐協(xié)同控制技術(shù),以智能化裝備為基礎(chǔ),輔助系統(tǒng)為保障,制定完善的工藝措施,實(shí)現(xiàn)了TBM姿態(tài)大幅度調(diào)整,“探-破-支-運(yùn)”一體化連續(xù)掘進(jìn),保障了安全高效施工。
敞開式TBM在臨建場區(qū)組裝并步進(jìn)至明槽始發(fā)硐后,撐靴支撐在始發(fā)硐幫上,該處地層為強(qiáng)風(fēng)化洛河組砂巖,埋深約8 m,強(qiáng)度僅為2.6 MPa且有滲水,TBM始發(fā)時(shí)刀盤破巖掘進(jìn)對(duì)圍巖擾動(dòng)易導(dǎo)致圍巖體坍塌。因此,采用10號(hào)工字鋼及時(shí)對(duì)硐口支護(hù),封閉成環(huán),硐口鋼拱架并列雙排布置以增加支護(hù)強(qiáng)度;并對(duì)存在坍塌的部位及時(shí)進(jìn)行網(wǎng)片+錨桿支護(hù),利用TBM鋼筋排安裝器,加強(qiáng)坍塌部位支護(hù)強(qiáng)度。
針對(duì)軟弱地層無法提供足夠的推進(jìn)支撐反力問題,采用增大撐靴與圍巖接觸面積,導(dǎo)管注漿加固撐靴部位附近地層的方法,加強(qiáng)了撐靴部位支護(hù)結(jié)構(gòu),并利用鋼筋排架、工字型鋼或現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。為了避免因圍巖強(qiáng)度低,難以支撐TBM主機(jī)質(zhì)量,而可能造成刀盤及主機(jī)位置下陷、引起掘進(jìn)機(jī)栽頭現(xiàn)象發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),通過地質(zhì)超前探測(cè)和預(yù)報(bào)及時(shí)掌握工作面前方地質(zhì)情況;當(dāng)發(fā)生栽頭現(xiàn)象時(shí),在盾體兩側(cè)擴(kuò)挖形成導(dǎo)洞,對(duì)主機(jī)位置底部進(jìn)行注漿加固。此外,采用電液混合驅(qū)動(dòng)可短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大扭矩驅(qū)動(dòng),解決了卡機(jī)脫困的問題;采用的永磁同步電機(jī)與傳統(tǒng)異步電機(jī)相比體積更小、綜合節(jié)能約10%;通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)(圖6),包括溫度、刀盤壓力、刀具磨損量、支撐推力、撐靴支撐力、扭矩等參數(shù),為TBM掘進(jìn)、控制和維護(hù)提供了安全保障。
圖6 斜井敞開式TBM掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)布置Fig.6 Operation status monitoring arrangement of inclined open TBM tunneling equipment
TBM掘進(jìn)采用輸送機(jī)系統(tǒng)排渣,連續(xù)輸送機(jī)受料端安裝在TBM后配套上,卸料端位于主洞與地面交叉口部位,連續(xù)輸送機(jī)轉(zhuǎn)場,石渣經(jīng)連續(xù)輸送機(jī)運(yùn)抵洞口臨時(shí)棄渣場,再以自卸車運(yùn)輸?shù)接谰脳壴鼒觥?/p>
..穿越強(qiáng)含水層TBM安全掘進(jìn)防治水技術(shù)
可可蓋煤礦斜井下穿第四系松散層孔隙潛水、白堊系下統(tǒng)洛河組孔隙裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)安定組碎屑巖類裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組碎屑巖類裂隙承壓含水層、侏羅系延安組碎屑巖類裂隙承壓水,第四系中更新統(tǒng)離石組隔水層、安定組上部泥巖類隔水層等5個(gè)含水巖層(組)和2個(gè)隔水巖層(組)。斜井TBM穿越含水層時(shí),反坡排水難度高,預(yù)計(jì)最大涌水量約180 m/h,以頂板淋水和底板涌水為主要形式,水壓2~3 MPa,為靜態(tài)承壓水;地下水的同層位聯(lián)系較強(qiáng),不同層位聯(lián)系很弱,且地下水為穩(wěn)定流。為保障建井施工過程安全,制定了截水、分段抽水與及時(shí)噴漿封閉水等多種防治水及安全保障措施:
(1)局部地層采取注漿堵水措施,加固井筒周邊圍巖,增加圍巖強(qiáng)度并減少透水性,控制頂板淋水。
(2)為便利工作面排水,將排水泵最大限度的靠近斜井掘進(jìn)工作面;同時(shí),排水系統(tǒng)按照不低于2倍最大涌水量設(shè)計(jì)并采用雙電源配置,從而確保排水系統(tǒng)安全。
(3)2號(hào)煤層為承壓水,水壓2~3 MPa,揭煤前必須采取疏水降壓措施,將水壓降至0.5 MPa以下,采用在地面施工疏水降壓鉆孔方式,并根據(jù)前期探測(cè)的富水量及富水區(qū)域,有針對(duì)性的布置疏水降壓鉆孔,提前6個(gè)月疏排2號(hào)煤層水。
(4)斜井在穿越洛河組地層及地層不整合接觸帶時(shí),可能存在未探明的孔隙水涌入倉內(nèi)的情況,遇到突發(fā)涌水時(shí)應(yīng)立即拆出帶式輸送機(jī)并封閉倉門,改為螺旋出土器作業(yè),必要時(shí)對(duì)前方地層預(yù)加固后再繼續(xù)掘進(jìn)。
..TBM隨掘支護(hù)與圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)
針對(duì)可可蓋煤礦地層以軟弱-較堅(jiān)硬巖為主,巖體質(zhì)量一般、抗壓強(qiáng)度低、撐靴撐緊困難、圍巖自穩(wěn)能力差、支護(hù)工作量大等難題,研發(fā)了刀盤前方定點(diǎn)注漿支護(hù)、一鍵式鉆錨技術(shù)、工作軌跡智能控制的混凝土噴射技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)掘支協(xié)同作業(yè),降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,改善作業(yè)環(huán)境,保障作業(yè)安全。對(duì)TBM掘進(jìn)破碎地層超前加固處理,采用可破碎玻璃纖維套管,利用水動(dòng)力潛孔錘可實(shí)現(xiàn)100 m以上鉆孔深度,滿足刀盤前方定點(diǎn)注漿加固需求。圍巖支護(hù)采用“一鍵式鉆錨+自動(dòng)噴混”錨網(wǎng)噴工藝,研發(fā)的錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)包括L1區(qū)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)、L2區(qū)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng);L1區(qū)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)的1號(hào)鉆機(jī)和2號(hào)鉆機(jī)布置于主梁兩側(cè),每臺(tái)鉆機(jī)采用控制手柄獨(dú)立控制;L2區(qū)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)位于后支撐后部,共配置4臺(tái)鉆機(jī)?;炷羾娚湎到y(tǒng)安裝在噴混橋上實(shí)現(xiàn)與TBM掘進(jìn)同步混凝土噴射支護(hù)(圖7),距離刀盤掘進(jìn)工作面53~59 m處,噴頭距井幫0.9 m左右,采用遙控操作自動(dòng)噴混的方式:利用TBM噴混設(shè)備各關(guān)節(jié)安裝的傳感器及運(yùn)動(dòng)學(xué)建模技術(shù),實(shí)時(shí)獲取末端噴炬的空間位姿信息;同時(shí)利用運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃技術(shù),使TBM噴混設(shè)備按照設(shè)定的工作軌跡限定條件,自動(dòng)完成運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃,并控制相應(yīng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)自動(dòng)完成混凝土噴射施工,使混凝土完整覆蓋待噴面且達(dá)到100~200 mm的噴混厚度。
圖7 TBM自動(dòng)噴混設(shè)備與施工現(xiàn)場Fig.7 Automatic shotcrete equipment of TBM and construction site
..TBM掘進(jìn)不良地質(zhì)超前智能判識(shí)
超前探測(cè)是井巷掘進(jìn)必要的地質(zhì)安全保障,針對(duì)長距離斜井可能穿越圍巖松散、軟巖變形、斷層破碎帶、地層富水、高水壓、含有害氣體等特殊不良地質(zhì)地段需要解決的一系列關(guān)鍵技術(shù)難題,可可蓋煤礦采用的ZTT7130型敞開式全斷面TBM配備機(jī)載超前探測(cè)鉆機(jī),輔以三維地震波法、三維激發(fā)極化法等手段,構(gòu)建了多信息收集與智能評(píng)估和預(yù)警系統(tǒng)。根據(jù)地勘與實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)建立圍巖可掘性的動(dòng)態(tài)評(píng)估模型以及相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng),突破長距離斜井盾構(gòu)法施工與支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能決策與安全評(píng)估技術(shù),開發(fā)盾構(gòu)、圍巖、結(jié)構(gòu)和環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)土倉壓力、圍巖水土壓力、管片結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變等多種關(guān)鍵物理力學(xué)參數(shù)的監(jiān)測(cè),建立了不良地質(zhì)段智能評(píng)估、分級(jí)與預(yù)警平臺(tái),自動(dòng)關(guān)聯(lián)盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)與支護(hù)參數(shù),實(shí)現(xiàn)地測(cè)數(shù)據(jù)一體化管理與地層3D實(shí)時(shí)建模聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)調(diào)度環(huán)節(jié)時(shí)間效率管理聯(lián)動(dòng),提高決策效率。
..TBM掘支智能化監(jiān)控與施工優(yōu)化
根據(jù)地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)與實(shí)際掘進(jìn)參數(shù),建立圍巖可掘性的動(dòng)態(tài)評(píng)估模型,并借助AI技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)程高效視頻監(jiān)控技術(shù),研發(fā)出TBM掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(圖8)??蓪?shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送系統(tǒng)狀態(tài),錨網(wǎng)噴支護(hù)、鋼架支護(hù)或管片拼裝的現(xiàn)場高度機(jī)械化、自動(dòng)化操作,以及推進(jìn)速度、掘進(jìn)狀態(tài)、刀盤轉(zhuǎn)速等多動(dòng)作多功能區(qū)的監(jiān)控;同時(shí),通過掃描井筒有效斷面輪廓實(shí)時(shí)反饋圖像信號(hào),構(gòu)建破碎圍巖分級(jí)分類方法,實(shí)現(xiàn)斜井井幫變形與坍塌類型智能識(shí)別和在線實(shí)時(shí)預(yù)警。
研發(fā)出TBM精準(zhǔn)鉆進(jìn)和裝備姿態(tài)智能調(diào)控系統(tǒng)(圖9),建立了激光與傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng),直觀實(shí)時(shí)掌握掘進(jìn)機(jī)的設(shè)備姿態(tài)和偏離設(shè)計(jì)軸線程度,同時(shí)以數(shù)值的形式準(zhǔn)確地描述TBM設(shè)備主機(jī)前部與后部相對(duì)于斜井設(shè)計(jì)軸線的實(shí)際偏移量,并通過地層處理和遠(yuǎn)程操控技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝備姿態(tài)調(diào)整和掘進(jìn)方向的精準(zhǔn)控制。
圖8 TBM掘進(jìn)裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)Fig.8 The online observation system carry on the real-time monitor to TBM system’s running status
圖9 TBM精準(zhǔn)掘進(jìn)與姿態(tài)智能調(diào)控系統(tǒng)Fig.9 TBM targeted boring and intelligent attitude control system
..斜井智能建設(shè)與管理健康診斷
針對(duì)可可蓋煤礦富水軟弱地層條件和斜井長距離、大埋深工程條件,研發(fā)了基于3DGIS、BIM 與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的敞開式斜井TBM掘進(jìn)-場體-結(jié)構(gòu)綜合監(jiān)控體系和數(shù)字化綜合管理系統(tǒng),如圖10所示。
通過預(yù)埋監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備,借助網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng),對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、接收、處理、存儲(chǔ)以及可視化顯示,實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、盾構(gòu)施工過程的可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控、拼裝式管片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和數(shù)字化綜合管理;研發(fā)了煤礦斜井TBM掘進(jìn)安全生產(chǎn)綜合監(jiān)管云平臺(tái)及相關(guān)裝備,實(shí)現(xiàn)人員、物資、車輛定位系統(tǒng)與安防系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng),環(huán)境安全監(jiān)控與TBM掘進(jìn)應(yīng)急系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng),確保施工過程可查可控,工程安全有保障;研發(fā)了煤礦斜井TBM建設(shè)及投運(yùn)初期的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備,以及信息化遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)決策和智能管理系統(tǒng)。
可可蓋煤礦豎井鑿井裝備采用中國平煤神馬建工集團(tuán)有限公司在國內(nèi)大口徑工程鉆機(jī)和大型礦山豎井鉆機(jī)的技術(shù)和施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研制的ZDZD-100重型工程鉆機(jī)(圖11),該裝備是迄今世界上能力最大的多用途動(dòng)力頭式工程鉆機(jī)之一。
中央進(jìn)風(fēng)豎井采用ZDZD-100重型工程鉆機(jī)進(jìn)行鉆井,該鉆機(jī)配有油缸驅(qū)動(dòng)的可變徑穩(wěn)定器、大直徑全斷面可變徑鉆頭、穩(wěn)定鉆桿和裝備高效集中控制系統(tǒng),可適應(yīng)巖石普氏系數(shù)達(dá)130 MPa(=13)的巖層鉆進(jìn),鉆壓≥1 500 kN,硬巖鉆進(jìn)速度>100 mm/h;該鉆機(jī)設(shè)計(jì)最大鉆井深度為650 m,可變鉆井直徑為4~12 m,最大提升能力為9 000 kN,動(dòng)力頭扭矩為1 000 kN·m,主機(jī)裝機(jī)功率為960 kW,轉(zhuǎn)速最大可達(dá)12 r/min。為保障豎井鉆機(jī)安全提吊和穩(wěn)定鉆進(jìn),研制了豎井鉆機(jī)配套的國內(nèi)起重能力最大的門式起重機(jī)(圖11),起重能力8 000 kN。
圖10 TBM掘進(jìn)智能管控綜合系統(tǒng)Fig.10 Intelligent comprehensive control system for TBM tunneling
圖11 ZDZD-100型豎井鉆機(jī)與門式起重機(jī)Fig.11 ZDZD-100 blind shaft drilling machine and portal crane
根據(jù)中央回風(fēng)豎井的地層賦存特征、井筒的設(shè)計(jì)參數(shù)及鉆機(jī)的技術(shù)性能和使用情況,決定選用AD130/1000型豎井鉆機(jī)施工(圖12),該鉆機(jī)設(shè)計(jì)鉆井深度達(dá)到1 000 m,設(shè)計(jì)鉆井直徑13 m,采用壓氣反循環(huán)排渣,鉆機(jī)提升能力700 t,鉆機(jī)動(dòng)力頭扭矩600 kN·m,設(shè)備總功率1 000 kW,設(shè)備總質(zhì)量561 t。同時(shí)現(xiàn)場安裝1臺(tái)MG400/30-18A4和1臺(tái)WMQH80/10-18A5型門式起重機(jī)用以配合鉆井和井壁預(yù)制施工。
圖12 AD130/1000型豎井鉆機(jī)施工Fig.12 AD130/1000 type vertical shaft drilling rig construction
..豎井“一鉆完井”工藝的提出
針對(duì)我國東部富水深厚沖積地層的特性,豎井鉆機(jī)鉆井技術(shù)及裝備不斷發(fā)展,通過懸垂減壓鉆進(jìn)、泥漿護(hù)壁、反循環(huán)排渣、井壁懸浮下沉和壁后充填固井的鉆井工藝,形成了大直徑井筒“一擴(kuò)成井”、小直徑井筒“一鉆成井”的全斷面一次鉆進(jìn)技術(shù)與裝備,豎井鉆機(jī)鉆井實(shí)現(xiàn)井下無人化施工。我國中東部富水沖積地層采用“一擴(kuò)成井”和“一鉆成井”技術(shù)和工藝,在穿過深厚沖積地層后破除井壁底,再采用普通法掘進(jìn)下部巖石地層,可可蓋煤礦中央進(jìn)風(fēng)井利用ZDZD-100重型工程鉆機(jī)“一鉆成井”,中央回風(fēng)井利用AD130豎井鉆機(jī)“一擴(kuò)成井”,待鉆至井筒設(shè)計(jì)深度后,無需破除井壁底進(jìn)行井筒延伸,僅從井壁側(cè)面鑿開并與井下巷道連通。因此,從鉆井工藝上講屬于首次進(jìn)行“一鉆完井”的鉆井法鑿井。
為實(shí)現(xiàn)全礦井機(jī)械破巖智能化建井,提升建井智能化水平,完善“一鉆完井”智能化鉆井工藝。通過研發(fā)適用軟弱基巖地層的大型豎井鉆機(jī)與配套裝備,攻克全巖地層掘進(jìn)偏斜控制、高效鉆進(jìn)與低固相泥漿排渣協(xié)同控制、井壁節(jié)預(yù)制與快速焊接、井壁懸浮下沉與壁后充填固井智能監(jiān)控等難題,將保障西部地區(qū)弱膠結(jié)地層豎井鉆機(jī)高效鉆井。
..厚風(fēng)積沙地層鉆井基礎(chǔ)施工工藝
針對(duì)第四系薩拉烏素組地層松散砂層厚,承載能力極差,無法為大型豎井鉆機(jī)鉆井提供穩(wěn)定基礎(chǔ),因此,提出了MJS高壓旋噴樁施工方案(圖13)。在井筒鉆進(jìn)施工前,對(duì)井筒第四系上部砂層進(jìn)行帷幕加固處理,即在井中心直徑10.7 m圈徑上布置樁徑1 500 mm、搭接長度510 mm、樁長度 30 m,數(shù)量34根的MJS高壓旋噴樁,引孔直徑275 mm,引孔深度31 m。根據(jù)目前樁基施工工藝、技術(shù)及工期要求,采用引孔鉆機(jī)+MJS高壓旋噴鉆機(jī)進(jìn)行旋噴樁成孔施工,形成承載止水帷幕,保證鉆機(jī)鉆架基礎(chǔ)的穩(wěn)定。
圖13 MJS高壓旋噴樁平面布置示意Fig.13 Layout of MJS high pressure sprinkling stake
可可蓋煤礦中央進(jìn)回風(fēng)豎井深度540 m左右,鉆進(jìn)荒徑8.5 m,凈直徑均為6 m,為目前國內(nèi)首例西部富水弱膠結(jié)地層鉆井法鑿井井筒,也是全巖地層中鉆井法施工最深的井筒。我國鉆井井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)形式主要有:鋼筋混凝土井壁、內(nèi)層鋼板+鋼筋混凝土復(fù)合井壁、雙層鋼板+素混凝土復(fù)合井壁。其中,在井筒淺部由于承受外荷載較小,主要采用鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu);而在井筒深部為滿足強(qiáng)度需要,通常采用單內(nèi)層鋼板+鋼筋混凝土復(fù)合井壁或雙層鋼板+素混凝土復(fù)合井壁。鑒于西部富水弱膠結(jié)地層與東部深厚沖積層之間的差異性,西部鉆井法鑿井尚無可遵循的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。但是我國中東部地區(qū)鉆井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論依然可為西部全巖地層鉆井法鑿井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供借鑒和支撐。
根據(jù)可可蓋煤礦進(jìn)回風(fēng)豎井穿越地層的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及井壁將承受荷載的情況,并結(jié)合我國過去鉆井井筒支護(hù)設(shè)計(jì)、施工及應(yīng)用的工程實(shí)踐,制定了西部鉆井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化原則:設(shè)計(jì)荷載分段選取,第四系按1.2倍靜水壓力計(jì)算,基巖段取1.0倍靜水壓力;混凝土強(qiáng)度等級(jí)最高采用C70;選用Q345鋼板;淺部為鋼筋混凝土井壁,深部采用單內(nèi)鋼板+鋼筋混凝土復(fù)合井壁。根據(jù)鉆井井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論,對(duì)鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)和單內(nèi)鋼板+鋼筋混凝土復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核,并同時(shí)考慮了由于馬頭門施工后容易造成應(yīng)力集中的問題,在馬頭門上下對(duì)井壁進(jìn)行局部加強(qiáng),最終確定了井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015版)附錄C相關(guān)內(nèi)容,對(duì)可可蓋煤礦進(jìn)回風(fēng)豎井鉆井井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化,并通過計(jì)算得到優(yōu)化后的豎井井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)。
..豎井鉆機(jī)機(jī)械破巖與鉆進(jìn)技術(shù)
高效機(jī)械破巖和精準(zhǔn)鉆進(jìn)技術(shù)是制約鉆井法鑿井的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一,機(jī)械破巖的效率決定了鉆進(jìn)的速度。根據(jù)可可蓋煤礦地質(zhì)報(bào)告初步分析,第四系薩拉烏素組地層和離石組地層屬于不穩(wěn)定地層,遇水或失水都極易失穩(wěn),其次白堊系、侏羅系地層屬于水敏感性地層,遇水容易軟化、砂化;井筒穿越地層在高地應(yīng)力作用下易發(fā)生蠕變流動(dòng),將可能導(dǎo)致井眼縮徑、泥包鉆頭、卡鉆等問題。
可可蓋煤礦中央進(jìn)風(fēng)豎井采用“一鉆成井”工藝,中央回風(fēng)豎井采用“一擴(kuò)成井”工藝,筆者重點(diǎn)介紹回風(fēng)豎井AD130豎井鉆機(jī)“一擴(kuò)成井”的機(jī)械破巖與鉆進(jìn)技術(shù)。對(duì)于回風(fēng)豎井豎井鉆機(jī)“一擴(kuò)成井”技術(shù)和工藝而言,超前鉆孔為整個(gè)鉆井施工中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié),其鉆孔質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)擴(kuò)孔鉆進(jìn)精度并保障井筒有效斷面。豎井鉆機(jī)鉆井的直徑4.2 m超前鉆頭采用大錐角刮刀鉆頭與平底滾刀鉆頭鉆進(jìn),裝刀量26把,鉆頭重力3 800 kN,鉆壓1 120~1 200 kN,單刀破巖能力達(dá)46 kN,不僅有效提高了單刀鉆壓,且大鉆壓快速破巖基礎(chǔ)上還能保證鉆孔垂直度;在超前鉆孔成形的基礎(chǔ)上,直徑8.5 m擴(kuò)孔鉆進(jìn)主要通過發(fā)揮鉆機(jī)能力,采用大錐度滾刀擴(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)、臺(tái)階式組合形式等措施,擴(kuò)孔鉆頭裝刀量36 把,并加大鉆頭組裝重力達(dá)到3 800 kN,鉆壓1 120~1 440 kN,單刀破巖能力達(dá)40 kN,鉆壓控制在鉆頭配重量的40%以內(nèi),轉(zhuǎn)速控制在4~10 r/min。豎井鉆機(jī)鉆頭結(jié)構(gòu)如圖15所示。
圖15 豎井鉆機(jī)鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.15 Schematic diagram of shaft drill bit structure
可可蓋煤礦通風(fēng)豎井鉆井法鑿井過程中,無論是“一擴(kuò)成井”還是“一鉆成井”均根據(jù)地層變化和進(jìn)尺情況,分析了鉆進(jìn)壓力、旋轉(zhuǎn)扭矩、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的最優(yōu)組合模式,以及鉆頭破巖的能量和泥漿循環(huán)攜渣量的關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)了隨鉆確定匹配井筒直徑與圍巖特性的最優(yōu)鉆進(jìn)參數(shù)。
..低固相泥漿洗井排渣和臨時(shí)支護(hù)技術(shù)
泥漿是沖洗工作面、攜帶鉆渣、冷卻鉆頭、提供井壁下沉浮力的介質(zhì),也是平衡地壓、臨時(shí)穩(wěn)定井幫的重要介質(zhì)。在鉆井刀具破巖鉆進(jìn)過程中,洗井排渣速率需要和破巖速率相匹配,以保證破碎的巖渣及時(shí)排掉,避免重復(fù)破碎并減小刀具磨耗;同時(shí)井內(nèi)泥漿在鉆進(jìn)過程中形成的泥皮對(duì)井幫穩(wěn)定性具有重要作用。因此,排渣技術(shù)與泥漿材料性能是決定鉆井成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對(duì)可可蓋進(jìn)回風(fēng)井地質(zhì)條件和工程場地條件,經(jīng)研究確定了鉆井泥漿控制措施,主要有以下3個(gè)主要方面:
(1)基于井筒穿越地層特征的泥漿性能要求。可可蓋煤礦第四系松散地層在鎖口施工時(shí)采用高壓旋噴樁進(jìn)行帷幕處理,沒有塌孔之憂;白堊系下統(tǒng)洛河組,要求泥漿有較高的黏度以封堵滲漏和較低的固相含量以防發(fā)生假縮徑;侏羅系中統(tǒng)安定組地層要求泥漿做到徹底堵住上層洛河組和破碎帶的滲漏;侏羅系中統(tǒng)直羅組,要求泥漿有絕對(duì)小的失水量以保證井幫的長期穩(wěn)定;侏羅系中下統(tǒng)延安組,保持泥漿在直羅組時(shí)的優(yōu)良性能。
(2)泥漿參數(shù)設(shè)計(jì)。第四系上部松散砂層無造漿能力,故在鉆進(jìn)施工前配置優(yōu)質(zhì)泥漿,采用膨潤土、纖維素和純堿配制的泥漿,其密度為1.05~1.08 g/cm,并將用于鉆進(jìn)時(shí)洗井循環(huán)的泥漿沉淀池和用于鉆進(jìn)時(shí)補(bǔ)充的臨時(shí)儲(chǔ)漿池、造漿池儲(chǔ)滿。在第四系下部地層和泥巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖互層等巖石地層鉆進(jìn)過程中,結(jié)合鉆進(jìn)速度、攜渣量和泥漿參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和分析,并在泥漿中不斷加入膨潤土、純堿、廣譜護(hù)壁劑和磺化褐煤來保持泥漿參數(shù)的穩(wěn)定,而當(dāng)泥漿黏度過高時(shí)應(yīng)及時(shí)排漿和加水。
(3)泥漿循環(huán)量設(shè)計(jì)和泥漿凈化。豎井鉆機(jī)鉆井前在進(jìn)回風(fēng)豎井井口附近分別建造1個(gè)600 m儲(chǔ)漿池,2個(gè)20 m的造漿池,用于泥漿配制和儲(chǔ)備使用,各井口分別選用4臺(tái)阿特拉斯GR200螺桿空壓機(jī),其中一臺(tái)備用。為提高鉆進(jìn)速度,設(shè)計(jì)泥漿循環(huán)量1 200~1 500 m/h;泥漿初步凈化利用泥漿三級(jí)沉淀池將大顆粒巖屑(粒徑大于1 mm的巖渣為主)沉淀并清撈外運(yùn),初步凈化過的泥漿通過泥漿泵送至泥漿凈化設(shè)備進(jìn)行二次凈化。
..預(yù)制井壁快速連接與穩(wěn)定下沉技術(shù)
通過研究井壁底懸浮下沉工藝,以及井壁懸浮下沉過程中井壁整體豎向穩(wěn)定性控制、井壁快速連接找正、井壁節(jié)實(shí)時(shí)定位、懸浮下沉偏斜控制等技術(shù);并根據(jù)可可蓋煤礦豎井工程具體直徑和深度條件,對(duì)豎向整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算,提出了井壁配重水加載方案,保障井筒偏斜率符合國家規(guī)范要求。大直徑豎井鉆機(jī)鉆井井壁懸浮下沉工藝流程,如圖16所示。
圖16 井壁懸浮下沉工藝流程Fig.16 Shaft wall suspension sinking process
通過技術(shù)調(diào)研、對(duì)比和分析計(jì)算,初步確定了可可蓋煤礦大直徑豎井鉆井法井壁懸浮下沉技術(shù)和工藝要求。首先將井壁底吊至井口,對(duì)準(zhǔn)臨時(shí)鎖口中心,緩慢下放,使支撐梁落在臨時(shí)鎖口上,并將支撐梁找平墊實(shí);上、下兩節(jié)井壁對(duì)接時(shí),壓在下節(jié)井壁的重力不得超過其鋼梁的最大承載力。井壁對(duì)接找正,使中心線與井壁上下法蘭盤米字線中心重合,后采用可裝換的24個(gè)螺栓連接,兩節(jié)井壁之間的間隙采用鐵楔墊實(shí),鐵楔間距不應(yīng)大于200 mm;節(jié)間間隙超過5 mm時(shí),其周圈采用圓鋼或者扁鋼墊焊;在上下法蘭盤焊接時(shí),當(dāng)間隙過大則需加圓鋼填塞,焊縫高度不應(yīng)小于10 mm,焊縫表面焊波應(yīng)均勻,外觀檢查不得有裂紋、加渣和針狀氣孔等缺陷。節(jié)間注漿時(shí),漿液凝固后單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于25 MPa,漿液的結(jié)實(shí)率應(yīng)大于95%。法蘭盤外緣焊縫經(jīng)檢驗(yàn)合格并冷卻后,應(yīng)在焊縫上下各方不小于100 mm的寬度內(nèi)均勻涂抹防水防腐涂料。法蘭盤接縫進(jìn)入泥漿1 m左右時(shí)應(yīng)停止下沉,經(jīng)檢查接縫處無漏水現(xiàn)象后方可繼續(xù)加水下沉。
..鉆井壁后充填與無損探測(cè)技術(shù)
為確保鉆井井壁壁后注漿充填固井質(zhì)量,對(duì)懸浮下沉井壁壁后充填材料、充填工藝、充填段高劃分、二次注漿機(jī)壁后注漿充填效果檢查和監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行研究,制定了可可蓋煤礦通風(fēng)豎井鉆井法鑿井壁后充填固井技術(shù)方案與風(fēng)險(xiǎn)防治措施。
(1)壁后充填原則。井筒扶正后應(yīng)禁止向井筒內(nèi)追加配重水,采用動(dòng)態(tài)平衡法進(jìn)行井壁后充填,確保偏斜在控制范圍之內(nèi);第1段高水泥漿充填時(shí)單位時(shí)間增加的浮力采用向井筒內(nèi)加入相應(yīng)的配重水進(jìn)行平衡,即防止井筒因加入過量的配重水而失穩(wěn),又保證井筒偏斜率?。槐诤蟪涮畹?段高采用內(nèi)管充填,其余段高采用外管充填。
(2)壁后充填段高劃分。充填總高度535 m,共劃分7段高充填;第1段高70 m采用水泥漿充填,其余段高均為77.5 m采用水泥砂漿充填。
(3)水泥砂漿充填材料設(shè)計(jì)。充填材料與所置換的泥漿的密度之差與井筒壁后充填質(zhì)量成正比,充填材料密度越大越好;設(shè)計(jì)的新型充填材料每立方米配比為:水215 kg,水泥690 kg,中細(xì)砂1 050 kg,粉煤灰140 kg,泵送劑6.7 kg,密度2.1 g/cm。
(4)壁后檢查。井筒固井結(jié)束即鉆井工程施工結(jié)束,隨后的工作依據(jù)GB 50213—2010《礦山井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》對(duì)壁后充填質(zhì)量進(jìn)行檢查。井壁預(yù)制時(shí),已依據(jù)井壁設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诰趦?nèi)預(yù)埋的檢查管和鍋底預(yù)留的4個(gè)注漿管,壁后檢查可利用預(yù)埋檢查管進(jìn)行,同時(shí)配以無損探測(cè)技術(shù)對(duì)固井質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
可可蓋煤礦進(jìn)回風(fēng)豎井是首次在西部弱膠結(jié)全巖地層中采用鉆井法鑿井,圍繞機(jī)械破巖鉆進(jìn)、泥漿反循環(huán)排渣和護(hù)壁、井壁預(yù)制質(zhì)量管控、鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)整、井壁快速連接與精準(zhǔn)懸浮下沉、井壁壁后充填等方面開展智能化監(jiān)控,建立了豎井鉆機(jī)鉆井與井筒運(yùn)行的全生命周期的大數(shù)據(jù)服務(wù)、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別智能管控和安全保障體系。
通過對(duì)刀齒、滾刀和鉆頭結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和分析,實(shí)現(xiàn)鉆頭結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的智能判識(shí)與失效分析;通過垂直度的實(shí)時(shí)測(cè)量與推進(jìn)、旋轉(zhuǎn)、提吊等參數(shù)數(shù)據(jù)的集成和分析,實(shí)現(xiàn)了豎井鉆機(jī)各功能機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和鉆進(jìn)偏斜控制;通過對(duì)泥漿密度、成分和流動(dòng)性的檢驗(yàn),巖渣參數(shù)、泥漿泵壓力、管路流量等參數(shù)的監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)高效循環(huán)排渣裝備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控和排渣效率的實(shí)時(shí)分析?;谄茙r和排渣等功能的監(jiān)控和分析,以及大型PLC集中控制系統(tǒng)、變頻無級(jí)調(diào)速智能化控制系統(tǒng),突破機(jī)械破巖鉆進(jìn)智能監(jiān)控技術(shù),保障了豎井鉆機(jī)鉆井破巖、排渣與鉆進(jìn)的協(xié)調(diào)性控制。目前,可可蓋煤礦回風(fēng)豎井4.2 m的超前鉆孔鉆進(jìn)深度416 m,最高日進(jìn)尺11.5 m;進(jìn)風(fēng)豎井8.5 m鉆進(jìn)深度221 m,最高日進(jìn)尺10.8 m。
通過對(duì)預(yù)制井壁節(jié)混凝土水化熱監(jiān)測(cè)與分析、預(yù)制井壁傳感器布置與數(shù)據(jù)傳輸方式、井壁質(zhì)量快速檢測(cè)、井壁節(jié)運(yùn)輸與安全防護(hù)等方面的研究,建立了預(yù)制井壁結(jié)構(gòu)質(zhì)量監(jiān)控體系;隨著鉆井法鑿井進(jìn)度安排,將通過對(duì)井壁底和井壁節(jié)吊裝、井壁節(jié)快速連接和找正、懸浮下沉井壁受力、井壁垂直度、懸浮井筒內(nèi)配重水量,以及井壁下沉到位后充填固井、壁后充填質(zhì)量檢測(cè)等方法或技術(shù)研究,突破預(yù)制井壁的精準(zhǔn)沉裝技術(shù),從而為厚風(fēng)積沙全巖地層大直徑井筒“一鉆完井”井壁施工質(zhì)量及其安全服役提供技術(shù)保障。
(1)基于我國西部可可蓋煤礦典型富水弱膠結(jié)地層條件、煤層賦存狀況、年生產(chǎn)能力和地面交通情況等因素的綜合分析,提出了經(jīng)濟(jì)合理的斜井與豎井聯(lián)合布置的礦井開拓方案,綜合研判了采用斜井TBM掘進(jìn)和豎井鉆機(jī)鉆井具有可行性,并構(gòu)建了可可蓋煤礦全礦井機(jī)械破巖智能化建井模式。
(2)圍繞富水軟弱地層長距離、深埋深的主副斜井全斷面TBM關(guān)鍵技術(shù)與工藝難題,研發(fā)了適用可可蓋煤礦斜井掘進(jìn)的專用敞開式TBM及其配套裝備;針對(duì)地表松散地層的不利條件,采用大開挖方式順利實(shí)現(xiàn)了TBM掘進(jìn)裝備的始發(fā)。
(3)針對(duì)可可蓋煤礦巖石強(qiáng)度低、擾動(dòng)敏感的特性,攻克了斜井敞開式TBM高效破巖與圍巖控制、連續(xù)排渣、裝備推進(jìn)與支撐協(xié)同控制技術(shù),以智能化裝備為基礎(chǔ),輔助監(jiān)控系統(tǒng)為保障,制定完善的工藝措施,實(shí)現(xiàn)了TBM姿態(tài)大幅度調(diào)整,40 m全斷面一次掘進(jìn),“探-破-支-運(yùn)”一體化連續(xù)掘進(jìn),月平均進(jìn)尺近500 m,預(yù)計(jì)建井工期將比原計(jì)劃縮短2年以上。
(4)提出了西部富水弱膠結(jié)全巖地層豎井“一鉆完井”工藝,研發(fā)了大直徑全斷面鉆頭結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定鉆桿、大型門式起重機(jī)以及豎井鉆機(jī)高效集中控制系統(tǒng),攻克了豎井鉆機(jī)配套大型門式起重機(jī)安裝、起下鉆智能控制、弱膠結(jié)巖石地層豎井鉆機(jī)高效鉆進(jìn)與低固相泥漿排渣協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù),制定了預(yù)制井壁質(zhì)量管控、井壁懸浮下沉與壁后充填固井等智能監(jiān)控方案。
(5)實(shí)現(xiàn)了豎井鉆機(jī)在西部弱膠結(jié)巖石地層大直徑井筒高效鉆進(jìn),可蓋煤礦回風(fēng)豎井4.2 m的超前鉆孔鉆進(jìn)深度416 m,最高日進(jìn)尺11.5 m;進(jìn)風(fēng)豎井8.5 m鉆進(jìn)深度221 m,最高日進(jìn)尺10.8 m;取得了我國鉆井法鑿井“走出中東部,走向西部”的重大突破。
研究得到了中煤特殊鑿井有限責(zé)任公司、平煤建工集團(tuán)特殊鑿井工程有限公司、中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司、中鐵十五局集團(tuán)有限公司、中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司等單位的支持與幫助,在此一并表示感謝。
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