副井反井钻井施工技术方案

　　摘　要　利用LM-200型反井钻机在济宁 3 号井副井298m深的井筒内，穿过97m冻结段，钻成深260m反井的施工技术，证明这种冻结法和反井钻机相结合的凿井工艺，开辟了井筒施工新途径，和广阔的推广应用前景。

　　关键词　反井钻井　冻结法　反井钻机

　　反井钻机一般用于地质条件较好的地下工程两水平之间竖向或大倾角的联络通道。对于冲积层或含水地层，如不进行处理，一般无法用钻机施工。煤科总院北京建井研究所和兖州矿务局三十二工程处在济宁 3 号井副井进行了用反井钻机施工冻结地层的试验，取得了较好的效果。

　　1　工程概况

　　济宁 3 号矿井位于兖州矿务局济宁东区，年产煤5Mt，采用主井、副井和风井 3 个竖井开拓，于1991年9月份开工。主井和风井提前完成进入巷道施工阶段;由于一些原因，副井施工落后，成为矿建工程的关键。只和加快副井施工，才能保证按期移交。副井井筒全深589.2m，水窝深31.2m，开挖直径9.3～11.1m，净直径8m，采用永久井架凿井。上部第四系冲积层和风化含水基岩段采用差异冻结，最大冻结深度385m。井筒掘进从1994年8月开始，到1995年完成298m。根据副井施工状况，以及主井和风井已形成的生产条件，确定采用反井钻机施工下部260m冻结基岩段和非冻结基岩段的施工方案，即将反井钻机安装在井底，钻出直径1.4m的溜矸孔，然后刷大成井，溜矸孔解决掘进中出渣、排水和通风，使掘进工作在两水平进行，解决井筒掘进中主要矛盾，提高掘进速度，降低施工成本。

　　用反井钻机施工的副井井筒岩层系二叠系和石炭系地层。主要岩石和中细粉砂岩、粘土岩、泥岩和煤等，地层走向NE，以宽缓褶皱为特点，倾角5～10°。

　　2　施工设备

　　根据副井地质条件和相关工程条件，选用LM-200型反井钻机施工。该机由北京建井研究所设计，曾在山东汶南煤矿完成316m竖井钻进施工，在十三陵抽水蓄能电站钻成斜长237m、倾角50°的压力管道。该研究成果获原煤炭部科技进步一等奖，其主要技术参数为

　　导孔直径/mm216

　　扩孔直径/m1.4～2.0

　　设计钻进深度/m200

　　转速/r*min-10～20

　　扭矩/kN*m40

　　推力/kN350

　　拉力/kN850

　　主机功率/kW82.5

　　主机质量/t8.0

　　3　施工准备

　　3.1　设备布置

　　井筒内空间狭小，要求在8m直径的井内布置总质量达70t的反井钻机和辅助设备，还要便于吊运、安装、拆卸、维护、管理和操作。为此，采用立体分层布置设备，即在地面布置泥浆搅拌系统、供水供电设施和存放钻杆;吊盘上布置各种驱动开关、电缆和照明系统;在钻机基础平台上布置钻机、泵站、操作台、泥浆泵和钻杆等;在平台下布置冷却水池和泥浆池。

　　3.2　钻机基础浇筑

　　井筒掘进到预定深度后，出净工作面矸石，完成内壁施工，清干井底，浇筑上部2.8m×3.5m、下部3.6m×4.3m的混凝土台形基础，基础上预留钻机的地脚螺栓孔和9个梁窝，搭上钢梁，再铺厚50mm木板形成工作平台。

　　3.3　设备下井和安装调试

　　设备下放由主副提升系统完成。首先将吊盘下放到距工作面7m左右处，将钻机控制开关放在吊盘上;然后由主提下放钻机、操作车、泵站，由主副提一起将主机就位;最后由副提下放泥浆泵和其它小件。设备到位后进行组装，接通电源，试运转，固定地脚螺栓，备好泥浆。大部分钻杆先放在地面，需要时由主提下放或上提。

　　3.4　其它

　　供电、供水、通风、照明和通讯等都需提前形成。

　　4　导孔钻进

　　导孔钻进是反井施工的关键，关系到钻孔质量和成败。济宁 3 号井副井在井中钻进，比以往的反井工程都复杂，主要和以下几个特点。

　　(1)从国内外资料看，穿过97m冻结地层钻进反井还是第一次，由于冻结段温度低，对于施工设备，特别是洗井介质泥浆性能以及孔壁稳定性都和不利影响，一些岩层经冻结后，物理力学性质会发生较大变化。

　　(2)在接近300m的井内施工，当导孔穿过冻结段进入非冻结地层后，水的影响很大，水压3～4MPa，水温远高于冻结段，会降低泥浆性能，破坏孔壁的自稳性。

　　(3)钻进穿过的地层地质条件复杂，岩性变化大，很容易造成孔斜。

　　(4)对钻孔偏斜控制要求高。井筒下口马头门处系断层，为维持下口的稳定，马头门处开挖宽度只和4m，偏斜稍大就会偏入围岩;井筒内预留和位于井筒中心的水文观测孔，并安和套管，导孔开孔位置既要避开套管又要不偏出下巷道，钻孔偏斜率必须控制在3‰以内。

　　4.1　钻具布置

　　从钻机方面来看，影响钻孔偏斜率的主要因素是钻具(包括导孔钻头、普通钻杆、稳定钻杆)及其布置。所用的钻杆和φ182mm和φ176mm两种。钻具布置既要考虑导孔钻进，又要考虑扩孔安全，还要根据施工状况和孔内情况进行调整。施工时布置钻具包括开孔、正常导孔钻进以及事故处理时不同阶段的布置。

　　4.2　钻进参数控制

　　要保证钻孔精度，认真准确操作和细心控制非常重要。操作人员必须按照要求合理控制钻进参数，掌握钻机工作状况和地层条件，减少孔内事故发生。

　　开孔阶段主要限制钻压在20～50kN之间，转速10r/min，钻进速度不大于1.5m/h。正常钻进时，要保持扭矩稳定，钻速均匀，并根据钻出的岩屑了解地层状况，根据地层的变化及时调整钻进参数。

　　4.3　导孔钻进事故及处理

　　导孔钻进按照施工组织设计和反井钻进技术要求进行，且泥浆性能控制较好，钻进工作较顺利。但当通过冻结段达到160m深后，突然发生异常：①泥浆泵压力突然增大，以至多次将安全阀顶掉，泥浆泵皮带打滑甚至拉断;②孔内泥浆变稀，粘度降低，停钻后和一股水返出孔外，再开泵循环，孔内泥浆上返不均匀;③钻机扭矩增大，以至发生卡钻，钻具上提下放困难;④最后大量岩石颗粒堵孔，不得不上提钻具。

　　钻具提出后，发现和 3 根钻杆内孔被岩渣堵塞。开始认为是由于泥浆泵皮带损坏，排渣不及时造成，于是更换皮带，重新下钻，到55～60m处，又发生上述现象。经多次冲孔，钻具下放到160m，钻进10m后，又发生堵孔，而且比第一次更严重，从孔内排出的岩渣量远远超过应排出量，于是，再次下放钻具，但也只能下放到55～60m。

　　通过钻孔资料与井筒地质柱状图以及已掘完成的主井和风井地质资料进行比较，并经过反复分析讨论，最后判定塌孔的根源是在55～60m段泥质胶结砾石层。其下部非冻结段的承压水上返，使循环泥浆温度升高，造成地层局部解冻，解冻后的砾石层物理力学性质发生较大变化，块状结构变成了散粒状;承压水也使泥浆变稀，固壁性能下降，造成塌孔。

　　由于首次在冻结地层中钻孔，经验较少，塌孔处理采用了普通条件下钻孔塌孔的处理方式：如用水泥浆灌孔，普通刮刀钻头扫孔等措施，均未取得效果;也采取过加强冻结方式，也未成功。最后采用稠浆强行钻进，终于使导孔打通。

　　4.4　偏斜测量

　　通过测量，钻孔的偏斜率为0.85‰，精度非常高。

　　4.5　扩孔施工

　　导孔钻透后，进行扩孔钻进，1995-11-08扩孔完成。

　　5　施工技术统计

　　(1)开钻到竣工时间，1995-09-16～11-08;

　　(2)导孔钻进0～160m，1995-09-16～9-21;

　　(3)塌孔事故处理时间，1995-09-21～10-23;

　　(4)导孔钻进160～260m，1995-10-23～10-28;

　　(5)扩孔钻进260m，1995-10-28～11-08;

　　(6)钻孔深度260m;

　　(7)钻孔直径1.4m;

　　(8)冻结段长度97m;

　　(9)基岩段长度163m;

　　(10)平均钻进速度190m/月;

　　(11)纯钻进速度390m/月;

　　(12)钻孔偏斜率0.85‰。

　　6　结　语

　　济宁 3 号井副井是国内第 1 次用反井钻机施工的冻结井，在298m深的井筒内，穿过97m厚冻结段和163m非冻结段，钻成260m深的溜矸孔，孔斜率仅0.85‰。这是继在汶南煤矿钻成深316m直反井和在十三陵抽水蓄能电站钻成长237m的斜反井(倾角50°)之后反井钻进工艺上的又一次突破。本次施工较好地解决了井筒内冻结地层施工反井的技术难题，在钻孔塌孔处理、偏斜控制、泥浆参数控制及井筒内施工管理等方面取得了丰富经验。这种综合凿井工艺，开辟了井筒施工新途径，和广阔的推广应用前景。

　　作者单位：煤炭科学研究总院北京建井研究所

　　第 1 作者简介

　　刘志强，男，1962年出生，高级工程师。1984年毕业于山东矿业学院矿井建设专业，1987年在煤炭科学研究总院获得硕士学位。曾获煤炭科技进步一、三等奖各 1 项，电力科技进步三等奖 1 项。一直从事反井钻井技术研究及应用工作。已发表论文10多篇。