煤矿井筒大直径钻井法凿井技术
煤矿井筒大直径钻井法凿井技术
煤炭科学研究总院 洪伯潜
摘 要：在深厚含水冲积层中建设煤矿井筒，需要采用特殊施工方法，钻井法凿井是一种安全、可靠、技术先进的煤矿井筒施工方法，它的应用，实现了竖井井筒施工技术的突破；我国60年代末采用钻井法施工了第一个井筒，30多年来，逐步攻克了“国产化、高效率、打直井、少污染、大直径、薄井壁” 等方面的课题，使钻井法凿井技术实现稳定发展，率先完成了近600m深井筒的建设，综合技术达到国际领先水平。
关键词： 深厚冲积层 煤矿井筒 钻井法凿井 泥浆护壁 悬浮下沉井壁
一、前 言
自从有了煤矿竖井以来，无论是原始的人工开挖，还是技术发展后的机械化掘砌，都离不开凿井工人下井在地层中窄小的空间操作，劳动条件差。在含水冲积层中建设煤矿井筒，需要采用地层冻结法、钻井法、围幕法和降低水位法等特殊方法施工。钻井法凿井是一种安全可靠，成本低、质量好的煤矿大直径井筒施工方法，机械化程度很高，尤其适合于深厚含水冲积层的井筒施工，它的全部工程（包括地层冻结法的地层改性、挖掘、矸石提升和井筒支护等施工工序）在地面操作，工人无需下井，改善了劳动条件，无职业病危害。我国自60年代末开始应用以来，在工程实践中体现出了其强大的生命力，因而深受广大矿井建设者的欢迎，并获得迅速发展（图1，2）。
钻井法凿井综合多种技术工艺，通过在地面专门研制的大直径钻机，驱动钻杆、钻头和破岩刀具向地层钻进（图3），我国现有钻机设计最大钻井直径达12m，最大 
(图3)钻井法凿井钻进示意图
钻进深度800m。钻进时用泥浆临时支护井帮和冷却钻具。通过钻杆中的风管送入压缩空气，用压气升液法将泥浆高速排上地面（又称反循环洗井），达到冲洗井底和携带钻屑的目的。含钻屑的泥浆，经过地面净化处理，返回井中，多余废浆和成井后的大量弃浆可经过快速处理，固化或还原成水和土。
井孔钻进为了合理利用设备能力和保证质量，一般采用一次超前，分级扩孔，钻进参数监控，恒钻压自动给进的减压钻进方式。当钻孔达到设计直径和深度后，将地面分节预制好带有井壁底的钢筋混凝土井壁或钢板混凝土复合井壁，在充满泥浆的钻孔中用钢法兰盘逐节连接，悬浮下沉至井底作永久支护，已完成的工程井壁总重量达2万多吨（图4）。最后在井壁外围用水泥浆和其它材料，根据地层条件分段进行置换泥浆的充填固井。成井偏斜率根据井型不同，控制在0.4‰（主、副井）～0.8‰（风井）以内。
德国工程师肯特(Kind) 1850年用改造的冲击钻钻成了世界上第一个直径4.25m，深98m的井筒。1871年德国工程师霍尔格曼(Honigmann)研制了超前孔直径2m，经11次扩孔达到7.65m，可钻深512m分级扩孔的旋转钻机，至上世纪中叶，在西欧钻了40余个井筒，最大钻进直径7.53m，深度422m，该钻机的基本形式和工艺沿用至今。20世纪70年代德国生产的L-35，L40型钻机均属此类（图5）。
前苏联从20世纪30年代开始为矿井建设研制大直径钻机，至50年代先后研制了分级扩孔钻机、环形取心钻机，和涡轮钻机。各种钻机先后施工井筒100多个。
美国1910年开始研究钻井法凿井，美国钻井界认为，当钻井直径＜3.6m时，钻井法具有最佳经济效益。因而在小直径硬岩钻井设备和技术方面处于领先地位。1980年为煤矿和铀矿建设需要，休斯公司在70年代生产CSD-820钻机的基础上，经过改型、扩大钻机能力，研制了CSD-300型钻机（图6），设计最大钻井直径6.096m，最大钻井深度609.6m。1981年10月在澳大利亚西部的阿格纽镍矿岩层中，钻成一个直径4.267m，深663m的风井。罗宾斯（Robbins）公司研制的RM系列反井钻机也很成功。
国外钻井法凿井用于施工类似我国地层条件的井筒不多，比较典型的有，德国钻机在荷兰施工的煤矿，钻井直径7.65m，深512m。
二、稳步发展的我国钻井法凿井技术
我国研究钻井法凿井技术从上个世纪50年代末开始，根据当时的条件，在学习国外资料和借鉴国内相关行业经验的基础上,进行了设备配套和原理性试验。1969年在淮北矿区朔里南风井成功地钻凿了第一个直径4.3m，成井直径3.5m，深90m的井筒，由于它技术新颖，优点突出，一些地区在很短的时间内相继配套了四台性能类似的钻机，并先后完成20个井筒的施工。虽然这些井筒的平均钻井直径仅5.1m，平均深度141m，在钻进速度及效率方面，还远不能满足煤矿竖井建设的需要。但通过这些钻机的工程实践，比较完整地总结出了具有我国特色的大直径井筒的钻井工艺，为70年代陆续进行ND—1型、SZ9/700型和AS9/500型煤矿大型钻机（图1）的研制奠定了基础。这些大型钻机充分考虑了钻凿煤矿大直径井筒的特点和当时国内技术水平，采用地面转盘式竖井钻机形式，主机提升能力3000～3200kN，转盘扭矩200～300kN-m，设计最大钻井直径7.4～9.0m，最大钻井深度500～700m，基本适应了大直径深井钻井工程的需要。大钻机采用抱钩提升、转盘旋转无级调速，恒钻压自动给进，起下钻具时各抱卡压气驱动，钻进过程钻进参数控制台面自动显示，集中操作等一系列先进技术，机械化和自动化程度较高，从而大大地提高了我国钻井法凿井的技术水平，这些钻机已成为我国钻井法突破500~600 m深大井筒钻进的基本设备。
“六五” 期间攻克了曾一度阻碍我国钻井法凿井发展的瓶颈技术——破岩刀具，并投入成批生产，实现了全部设备国产化；开发研究了“低密度钻井泥浆”和“高效泥浆处理剂”等课题，大大提高了钻孔护壁机理研究和实施的水平；“七五”期间研究完成散装水泥壁后充填机械化，使钻井法凿井摆脱了最后一道笨重体力劳动，实现了全部工序机械化，为我国煤矿钻井法凿井技术赶超世界先进水平创造了条件。期间完成了淮南潘三煤矿西风井，穿过冲积层440m，钻深508m的井筒，使我国煤矿钻井法凿井综合技术达到世界先进水平。又开展了“大直径薄井壁”和“约束混凝土在井壁结构的应用”等课题研究，在井筒深部采用内钢板钢筋混凝土复合井壁和双钢板混凝土复合井壁，成功地完成了谢桥西风井通过冲积层厚405m，钻井深度464.5m，成井直径7.0m的井筒。世纪之交竣工的淮北许疃煤矿，主、副、风三个井筒都采用钻井法施工，偏斜率仅有0.1‰和0.2‰，在钻井法施工主副井技术上取得了新的突破。这是钻井法凿井在长期实践中对钻井参数不断研究完善的结果。
进入21世纪，根据我国经济发展和煤炭资源赋存的实际情况，开发东部深厚冲积层覆盖的煤炭势在必行，它对国家和该地区可持续发展意义重大，但难度很大。国家科技部将《600m深厚冲积层钻井法凿井技术研究》列为“十五”科技攻关计划，以龙固主井作为攻关依托示范工程。通过业主、科研、设计、施工协作各方的共同努力，开展了专项技术攻关，解决了巨野煤田发现20多年来，未能开发的深厚冲积层井筒施工技术，安全、快速、高质量的完成了龙固煤矿三个井筒的建设任务，为巨野煤田全面开发和我国东部地区深厚冲积层凿井提供经验。综合技术达到国际领先水平。
至今，钻井法凿井在我国已竣工61个井筒，累计长度16000多m，其中深度超过300m的有21个，深度超过400m的有10个，施工井筒平均深度逐年增加（表1）。另有郓城风井和深度都在650m左右的板集煤矿主、副、风三个井筒，淮南张集北区综合井成井直径8.3m等井筒，正在钻进施工，最大钻井直径达10.8m 。（表2）列出了我国至今已施工深度超过500m的井筒。 
三、龙固煤矿主井近600m钻井法凿井实例
龙固煤矿位于山东省巨野煤田中部，经技术经济论证，优化设计，主井采用双井筒提升方案，井筒直径5.7m，采用钻井法施工，穿过冲积层546.48m，钻井法成井深度582.75m，是当时国内外穿过冲积层最厚、钻井法施工最深的井筒。为此，国家科技部将《600m深厚冲积层钻井法凿井技术研究》列入“十五”国家科技攻关计划，并将龙固主井作为攻关依托示范工程（图8）。
根据当时的设备的条件，采用AS9/500型钻机进行改造，将原钻机转盘扭矩由300kN•m提高到400kN•m；电路系统以PLC数字控制整流系统、取代可控硅整流、模拟信号控制，无级调速，调速范围宽，故障率低，操作方便，运行更可靠，大大提高了纯钻进时间。钻进采用一次超前（Ф4m），两次扩孔（Ф7.1m和Ф8.7m）的钻进工艺。龙固主井地层条件复杂，第三系冲积层以粘土质地层为主，约占80%，其中又以膨胀性粘土居多，钻进中极易发生膨胀缩径卡钻和泥包钻头。通过研究复杂地层的合理泥浆护壁条件及钻井参数，采取严格控制泥浆的失水量，抑制粘土膨胀。经过筛选实验，选用纯碱分散剂、三聚磷酸钠稀释剂和钠羧甲基纤维素降失水剂作为该井钻进泥浆复合处理剂，以维护泥浆临时支护性能，防止了钻进中井孔缩径、塌帮，减少泥包钻头，保证井孔完好。 
龙固矿主井近600m深，悬浮下沉井壁时间长，要求泥浆具有良好的稳定性，研究采用两性离子聚合物FA367作为后期泥浆处理剂，调整下沉井壁时所需的泥浆性能，使其粘度、胶体率和稳定性保持在一个合适的范围内，保证井壁安全下沉到底。
为了防止井筒建成后，因井下工作面采掘，地层下沉引发竖向附加力导致井壁局部破坏事故，通过对工程实测、模型试验和相关规程的综合分析，井壁设计荷载引入平均值为25 kPa（2.5t/m2），的竖向附加力，并进行了复杂受力条件下结构综合强度计算，增强了井壁长期使用的安全。井筒深部采用拥有自主知识产权的单内钢板约束混凝土井壁，以钢筋混凝土作为主要承力体，外层受力变形，将力传递给内层钢板，钢板又以径向力的形式反作用于外层钢筋混凝土筒体，使其内侧产生径向约束压应力，该应力达到一定值后，筒体内側径向应变小于混凝土的极限值，井壁就不会破坏。同时保留钢筋混凝土的基本特性，充分发挥了材料效率，相对强度高，施工质量有保证。并成功应用了C70高性能混凝土，解决了预制井壁的防裂技术。达到了既提高井壁抗复杂受力的强度又满足悬浮下沉安装对结构自重的限制。全井井壁由4种厚度（550mm、650mm、700mm、850mm），12种规格的121节预制段组成，总重量21711.8t。
研究采用新型结构—削球厚壳钢筋混凝土井壁底，总厚度仅700mm，成功地承受了22000吨井壁悬浮下沉荷载考验（图10），结构合理、技术先进，施工方便。
在节间连结上采用沿厚度多点垫铁、提高节间注浆材料抗压强度达25～30MPa；结石率超过95%，从而确保近 600m 长、二万多吨井壁的竖向刚度及自重传递均匀，有效地防止了井壁悬浮下沉安装过程发生结构整体失稳，保证主井井筒对垂直度的
要求，悬浮下沉相当于200层楼高的井壁，成井偏斜仅134mm（图11）。
龙固1号主井于2002年8月8日破土开钻，2号主井11月8日相继施工，钻
井深度582.75m，钻进直径8.7m，井壁最小内径5.7m，分别于2004年6月9日和9月9日结束，撤离井口，平均成井速度为27.67m/月和27.90m/月。 井筒已于2004年年底进行井筒基岩段延深注浆掘进，经过近二年复杂受力条件的考验，无任何异常现象。井筒偏斜率仅0.23‰和0.235‰，有效断面Φ5.636m和Φ5.616m（设计要求Φ5.5m），井壁无漏水，施工质量优良。这是钻井法凿井成功完成深度508m的深井筒施工以后的又一次飞跃。龙固矿两个主井井筒钻井法施工无论是成井深度，还是穿过不稳定冲积层的厚度，均属国内外第一，综合技术达到国际领先水平。也是我国首先成功完成近600m深厚冲积层井筒的施工。它的建设经验对全面开发巨野矿区，乃至我国东部地区深厚冲积层凿井提供技术保证和实践经验，使钻井凿井技术在理论和实践上取得新的突破。
作者简介:洪伯潜 男，中国工程院院士，煤炭科学研究总院副总工程师，博士生导师，1931年12月生， 1956年毕业于浙江大学土木系，长期从事煤矿特种结构及钻井法凿井技术的研究，承担完成国家“六五”、“七五”和“十五”科技攻关项目《深井钻井法凿井技术的研究》和《600m深厚冲积层钻井法凿井技术》，获国家科学技术进步一等奖1项、二等奖1项，煤炭部科学技术进步特等奖1项，煤炭协会科学技术特等奖1项，发表 “大直径煤矿井筒钻井法凿井”、“约束混凝土在井筒支护中的研究和应用”“巨野煤田开发条件及井筒施工的关键技术” 等论文40余篇。
2006．10．
