反井施工
反井施工 |
您現(xiàn)在的位置:首頁>>反井施工 |
LM-200反井鉆機在濟寧3號井副井鉆井施工技術(shù)方案
來源:www.www.penastar.com.cn 作者:admin 日期:2017-03-06 07:22:22 熱度:872 ℃
濟寧3號井副井反井鉆井施工技術(shù)
摘 要 利用LM-200型反井鉆機在濟寧 3 號井副井298m深的井筒內(nèi),穿過97m凍結(jié)段,鉆成深260m反井的施工技術(shù),證明這種凍結(jié)法和反井鉆機相結(jié)合的鑿井工藝,開辟了井筒施工新途徑,和廣闊的推廣應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞 反井鉆井 凍結(jié)法 反井鉆機
反井鉆機一般用于地質(zhì)條件較好的地下工程兩水平之間豎向或大傾角的聯(lián)絡(luò)通道。對于沖積層或含水地層,如不進行處理,一般無法用鉆機施工。煤科總院北京建井研究所和兗州礦務(wù)局三十二工程處在濟寧 3 號井副井進行了用反井鉆機施工凍結(jié)地層的試驗,取得了較好的效果。
1 工程概況
濟寧 3 號礦井位于兗州礦務(wù)局濟寧東區(qū),年產(chǎn)煤5Mt,采用主井、副井和風井 3 個豎井開拓,于1991年9月份開工。主井和風井提前完成進入巷道施工階段;由于一些原因,副井施工落后,成為礦建工程的關(guān)鍵。只和加快副井施工,才能保證按期移交。副井井筒全深589.2m,水窩深31.2m,開挖直徑9.3~11.1m,凈直徑8m,采用永久井架鑿井。上部第四系沖積層和風化含水基巖段采用差異凍結(jié),最大凍結(jié)深度385m。井筒掘進從1994年8月開始,到1995年完成298m。根據(jù)副井施工狀況,以及主井和風井已形成的生產(chǎn)條件,確定采用反井鉆機施工下部260m凍結(jié)基巖段和非凍結(jié)基巖段的施工方案,即將反井鉆機安裝在井底,鉆出直徑1.4m的溜矸孔,然后刷大成井,溜矸孔解決掘進中出渣、排水和通風,使掘進工作在兩水平進行,解決井筒掘進中主要矛盾,提高掘進速度,降低施工成本。
用反井鉆機施工的副井井筒巖層系二疊系和石炭系地層。主要巖石和中細粉砂巖、粘土巖、泥巖和煤等,地層走向NE,以寬緩褶皺為特點,傾角5~10°。
2 施工設(shè)備
根據(jù)副井地質(zhì)條件和相關(guān)工程條件,選用LM-200型反井鉆機施工。該機由北京建井研究所設(shè)計,曾在山東汶南煤礦完成316m豎井鉆進施工,在十三陵抽水蓄能電站鉆成斜長237m、傾角50°的壓力管道。該研究成果獲原煤炭部科技進步一等獎,其主要技術(shù)參數(shù)為
導(dǎo)孔直徑/mm216
擴孔直徑/m1.4~2.0
設(shè)計鉆進深度/m200
轉(zhuǎn)速/r*min-10~20
扭矩/kN*m40
推力/kN350
拉力/kN850
主機功率/kW82.5
主機質(zhì)量/t8.0
3 施工準備
3.1 設(shè)備布置
井筒內(nèi)空間狹小,要求在8m直徑的井內(nèi)布置總質(zhì)量達70t的反井鉆機和輔助設(shè)備,還要便于吊運、安裝、拆卸、維護、管理和操作。為此,采用立體分層布置設(shè)備,即在地面布置泥漿攪拌系統(tǒng)、供水供電設(shè)施和存放鉆桿;吊盤上布置各種驅(qū)動開關(guān)、電纜和照明系統(tǒng);在鉆機基礎(chǔ)平臺上布置鉆機、泵站、操作臺、泥漿泵和鉆桿等;在平臺下布置冷卻水池和泥漿池。
3.2 鉆機基礎(chǔ)澆筑
井筒掘進到預(yù)定深度后,出凈工作面矸石,完成內(nèi)壁施工,清干井底,澆筑上部2.8m×3.5m、下部3.6m×4.3m的混凝土臺形基礎(chǔ),基礎(chǔ)上預(yù)留鉆機的地腳螺栓孔和9個梁窩,搭上鋼梁,再鋪厚50mm木板形成工作平臺。
3.3 設(shè)備下井和安裝調(diào)試
設(shè)備下放由主副提升系統(tǒng)完成。首先將吊盤下放到距工作面7m左右處,將鉆機控制開關(guān)放在吊盤上;然后由主提下放鉆機、操作車、泵站,由主副提一起將主機就位;最后由副提下放泥漿泵和其它小件。設(shè)備到位后進行組裝,接通電源,試運轉(zhuǎn),固定地腳螺栓,備好泥漿。大部分鉆桿先放在地面,需要時由主提下放或上提。
3.4 其它
供電、供水、通風、照明和通訊等都需提前形成。
4 導(dǎo)孔鉆進
導(dǎo)孔鉆進是反井施工的關(guān)鍵,關(guān)系到鉆孔質(zhì)量和成敗。濟寧 3 號井副井在井中鉆進,比以往的反井工程都復(fù)雜,主要和以下幾個特點。
(1)從國內(nèi)外資料看,穿過97m凍結(jié)地層鉆進反井還是第一次,由于凍結(jié)段溫度低,對于施工設(shè)備,特別是洗井介質(zhì)泥漿性能以及孔壁穩(wěn)定性都和不利影響,一些巖層經(jīng)凍結(jié)后,物理力學性質(zhì)會發(fā)生較大變化。
(2)在接近300m的井內(nèi)施工,當導(dǎo)孔穿過凍結(jié)段進入非凍結(jié)地層后,水的影響很大,水壓3~4MPa,水溫遠高于凍結(jié)段,會降低泥漿性能,破壞孔壁的自穩(wěn)性。
(3)鉆進穿過的地層地質(zhì)條件復(fù)雜,巖性變化大,很容易造成孔斜。
(4)對鉆孔偏斜控制要求高。井筒下口馬頭門處系斷層,為維持下口的穩(wěn)定,馬頭門處開挖寬度只和4m,偏斜稍大就會偏入圍巖;井筒內(nèi)預(yù)留和位于井筒中心的水文觀測孔,并安和套管,導(dǎo)孔開孔位置既要避開套管又要不偏出下巷道,鉆孔偏斜率必須控制在3‰以內(nèi)。
4.1 鉆具布置
從鉆機方面來看,影響鉆孔偏斜率的主要因素是鉆具(包括導(dǎo)孔鉆頭、普通鉆桿、穩(wěn)定鉆桿)及其布置。所用的鉆桿和?φ182mm和?φ176mm兩種。鉆具布置既要考慮導(dǎo)孔鉆進,又要考慮擴孔安全,還要根據(jù)施工狀況和孔內(nèi)情況進行調(diào)整。施工時布置鉆具包括開孔、正常導(dǎo)孔鉆進以及事故處理時不同階段的布置。
4.2 鉆進參數(shù)控制
要保證鉆孔精度,認真準確操作和細心控制非常重要。操作人員必須按照要求合理控制鉆進參數(shù),掌握鉆機工作狀況和地層條件,減少孔內(nèi)事故發(fā)生。
開孔階段主要限制鉆壓在20~50kN之間,轉(zhuǎn)速10r/min,鉆進速度不大于1.5m/h。正常鉆進時,要保持扭矩穩(wěn)定,鉆速均勻,并根據(jù)鉆出的巖屑了解地層狀況,根據(jù)地層的變化及時調(diào)整鉆進參數(shù)。
4.3 導(dǎo)孔鉆進事故及處理
導(dǎo)孔鉆進按照施工組織設(shè)計和反井鉆進技術(shù)要求進行,且泥漿性能控制較好,鉆進工作較順利。但當通過凍結(jié)段達到160m深后,突然發(fā)生異常:①泥漿泵壓力突然增大,以至多次將安全閥頂?shù)簦酀{泵皮帶打滑甚至拉斷;②孔內(nèi)泥漿變稀,粘度降低,停鉆后和一股水返出孔外,再開泵循環(huán),孔內(nèi)泥漿上返不均勻;③鉆機扭矩增大,以至發(fā)生卡鉆,鉆具上提下放困難;④最后大量巖石顆粒堵孔,不得不上提鉆具。
鉆具提出后,發(fā)現(xiàn)和 3 根鉆桿內(nèi)孔被巖渣堵塞。開始認為是由于泥漿泵皮帶損壞,排渣不及時造成,于是更換皮帶,重新下鉆,到55~60m處,又發(fā)生上述現(xiàn)象。經(jīng)多次沖孔,鉆具下放到160m,鉆進10m后,又發(fā)生堵孔,而且比第一次更嚴重,從孔內(nèi)排出的巖渣量遠遠超過應(yīng)排出量,于是,再次下放鉆具,但也只能下放到55~60m。
通過鉆孔資料與井筒地質(zhì)柱狀圖以及已掘完成的主井和風井地質(zhì)資料進行比較,并經(jīng)過反復(fù)分析討論,最后判定塌孔的根源是在55~60m段泥質(zhì)膠結(jié)礫石層。其下部非凍結(jié)段的承壓水上返,使循環(huán)泥漿溫度升高,造成地層局部解凍,解凍后的礫石層物理力學性質(zhì)發(fā)生較大變化,塊狀結(jié)構(gòu)變成了散粒狀;承壓水也使泥漿變稀,固壁性能下降,造成塌孔。
由于首次在凍結(jié)地層中鉆孔,經(jīng)驗較少,塌孔處理采用了普通條件下鉆孔塌孔的處理方式:如用水泥漿灌孔,普通刮刀鉆頭掃孔等措施,均未取得效果;也采取過加強凍結(jié)方式,也未成功。最后采用稠漿強行鉆進,終于使導(dǎo)孔打通。
4.4 偏斜測量
通過測量,鉆孔的偏斜率為0.85‰,精度非常高。
4.5 擴孔施工
導(dǎo)孔鉆透后,進行擴孔鉆進,1995-11-08擴孔完成。
5 施工技術(shù)統(tǒng)計
(1)開鉆到竣工時間,1995-09-16~11-08;
(2)導(dǎo)孔鉆進0~160m,1995-09-16~9-21;
(3)塌孔事故處理時間,1995-09-21~10-23;
(4)導(dǎo)孔鉆進160~260m,1995-10-23~10-28;
(5)擴孔鉆進260m,1995-10-28~11-08;
(6)鉆孔深度260m;
(7)鉆孔直徑1.4m;
(8)凍結(jié)段長度97m;
(9)基巖段長度163m;
(10)平均鉆進速度190m/月;
(11)純鉆進速度390m/月;
(12)鉆孔偏斜率0.85‰。
6 結(jié) 語
濟寧 3 號井副井是國內(nèi)第 1 次用反井鉆機施工的凍結(jié)井,在298m深的井筒內(nèi),穿過97m厚凍結(jié)段和163m非凍結(jié)段,鉆成260m深的溜矸孔,孔斜率僅0.85‰。這是繼在汶南煤礦鉆成深316m直反井和在十三陵抽水蓄能電站鉆成長237m的斜反井(傾角50°)之后反井鉆進工藝上的又一次突破。本次施工較好地解決了井筒內(nèi)凍結(jié)地層施工反井的技術(shù)難題,在鉆孔塌孔處理、偏斜控制、泥漿參數(shù)控制及井筒內(nèi)施工管理等方面取得了豐富經(jīng)驗。這種綜合鑿井工藝,開辟了井筒施工新途徑,和廣闊的推廣應(yīng)用前景。
作者單位:煤炭科學研究總院北京建井研究所
第 1 作者簡介
劉志強,男,1962年出生,高級工程師。1984年畢業(yè)于山東礦業(yè)學院礦井建設(shè)專業(yè),1987年在煤炭科學研究總院獲得碩士學位。曾獲煤炭科技進步一、三等獎各 1 項,電力科技進步三等獎 1 項。一直從事反井鉆井技術(shù)研究及應(yīng)用工作。已發(fā)表論文10多篇。
摘 要 利用LM-200型反井鉆機在濟寧 3 號井副井298m深的井筒內(nèi),穿過97m凍結(jié)段,鉆成深260m反井的施工技術(shù),證明這種凍結(jié)法和反井鉆機相結(jié)合的鑿井工藝,開辟了井筒施工新途徑,和廣闊的推廣應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞 反井鉆井 凍結(jié)法 反井鉆機
反井鉆機一般用于地質(zhì)條件較好的地下工程兩水平之間豎向或大傾角的聯(lián)絡(luò)通道。對于沖積層或含水地層,如不進行處理,一般無法用鉆機施工。煤科總院北京建井研究所和兗州礦務(wù)局三十二工程處在濟寧 3 號井副井進行了用反井鉆機施工凍結(jié)地層的試驗,取得了較好的效果。
1 工程概況
濟寧 3 號礦井位于兗州礦務(wù)局濟寧東區(qū),年產(chǎn)煤5Mt,采用主井、副井和風井 3 個豎井開拓,于1991年9月份開工。主井和風井提前完成進入巷道施工階段;由于一些原因,副井施工落后,成為礦建工程的關(guān)鍵。只和加快副井施工,才能保證按期移交。副井井筒全深589.2m,水窩深31.2m,開挖直徑9.3~11.1m,凈直徑8m,采用永久井架鑿井。上部第四系沖積層和風化含水基巖段采用差異凍結(jié),最大凍結(jié)深度385m。井筒掘進從1994年8月開始,到1995年完成298m。根據(jù)副井施工狀況,以及主井和風井已形成的生產(chǎn)條件,確定采用反井鉆機施工下部260m凍結(jié)基巖段和非凍結(jié)基巖段的施工方案,即將反井鉆機安裝在井底,鉆出直徑1.4m的溜矸孔,然后刷大成井,溜矸孔解決掘進中出渣、排水和通風,使掘進工作在兩水平進行,解決井筒掘進中主要矛盾,提高掘進速度,降低施工成本。
用反井鉆機施工的副井井筒巖層系二疊系和石炭系地層。主要巖石和中細粉砂巖、粘土巖、泥巖和煤等,地層走向NE,以寬緩褶皺為特點,傾角5~10°。
2 施工設(shè)備
根據(jù)副井地質(zhì)條件和相關(guān)工程條件,選用LM-200型反井鉆機施工。該機由北京建井研究所設(shè)計,曾在山東汶南煤礦完成316m豎井鉆進施工,在十三陵抽水蓄能電站鉆成斜長237m、傾角50°的壓力管道。該研究成果獲原煤炭部科技進步一等獎,其主要技術(shù)參數(shù)為
導(dǎo)孔直徑/mm216
擴孔直徑/m1.4~2.0
設(shè)計鉆進深度/m200
轉(zhuǎn)速/r*min-10~20
扭矩/kN*m40
推力/kN350
拉力/kN850
主機功率/kW82.5
主機質(zhì)量/t8.0
3 施工準備
3.1 設(shè)備布置
井筒內(nèi)空間狹小,要求在8m直徑的井內(nèi)布置總質(zhì)量達70t的反井鉆機和輔助設(shè)備,還要便于吊運、安裝、拆卸、維護、管理和操作。為此,采用立體分層布置設(shè)備,即在地面布置泥漿攪拌系統(tǒng)、供水供電設(shè)施和存放鉆桿;吊盤上布置各種驅(qū)動開關(guān)、電纜和照明系統(tǒng);在鉆機基礎(chǔ)平臺上布置鉆機、泵站、操作臺、泥漿泵和鉆桿等;在平臺下布置冷卻水池和泥漿池。
3.2 鉆機基礎(chǔ)澆筑
井筒掘進到預(yù)定深度后,出凈工作面矸石,完成內(nèi)壁施工,清干井底,澆筑上部2.8m×3.5m、下部3.6m×4.3m的混凝土臺形基礎(chǔ),基礎(chǔ)上預(yù)留鉆機的地腳螺栓孔和9個梁窩,搭上鋼梁,再鋪厚50mm木板形成工作平臺。
3.3 設(shè)備下井和安裝調(diào)試
設(shè)備下放由主副提升系統(tǒng)完成。首先將吊盤下放到距工作面7m左右處,將鉆機控制開關(guān)放在吊盤上;然后由主提下放鉆機、操作車、泵站,由主副提一起將主機就位;最后由副提下放泥漿泵和其它小件。設(shè)備到位后進行組裝,接通電源,試運轉(zhuǎn),固定地腳螺栓,備好泥漿。大部分鉆桿先放在地面,需要時由主提下放或上提。
3.4 其它
供電、供水、通風、照明和通訊等都需提前形成。
4 導(dǎo)孔鉆進
導(dǎo)孔鉆進是反井施工的關(guān)鍵,關(guān)系到鉆孔質(zhì)量和成敗。濟寧 3 號井副井在井中鉆進,比以往的反井工程都復(fù)雜,主要和以下幾個特點。
(1)從國內(nèi)外資料看,穿過97m凍結(jié)地層鉆進反井還是第一次,由于凍結(jié)段溫度低,對于施工設(shè)備,特別是洗井介質(zhì)泥漿性能以及孔壁穩(wěn)定性都和不利影響,一些巖層經(jīng)凍結(jié)后,物理力學性質(zhì)會發(fā)生較大變化。
(2)在接近300m的井內(nèi)施工,當導(dǎo)孔穿過凍結(jié)段進入非凍結(jié)地層后,水的影響很大,水壓3~4MPa,水溫遠高于凍結(jié)段,會降低泥漿性能,破壞孔壁的自穩(wěn)性。
(3)鉆進穿過的地層地質(zhì)條件復(fù)雜,巖性變化大,很容易造成孔斜。
(4)對鉆孔偏斜控制要求高。井筒下口馬頭門處系斷層,為維持下口的穩(wěn)定,馬頭門處開挖寬度只和4m,偏斜稍大就會偏入圍巖;井筒內(nèi)預(yù)留和位于井筒中心的水文觀測孔,并安和套管,導(dǎo)孔開孔位置既要避開套管又要不偏出下巷道,鉆孔偏斜率必須控制在3‰以內(nèi)。
4.1 鉆具布置
從鉆機方面來看,影響鉆孔偏斜率的主要因素是鉆具(包括導(dǎo)孔鉆頭、普通鉆桿、穩(wěn)定鉆桿)及其布置。所用的鉆桿和?φ182mm和?φ176mm兩種。鉆具布置既要考慮導(dǎo)孔鉆進,又要考慮擴孔安全,還要根據(jù)施工狀況和孔內(nèi)情況進行調(diào)整。施工時布置鉆具包括開孔、正常導(dǎo)孔鉆進以及事故處理時不同階段的布置。
4.2 鉆進參數(shù)控制
要保證鉆孔精度,認真準確操作和細心控制非常重要。操作人員必須按照要求合理控制鉆進參數(shù),掌握鉆機工作狀況和地層條件,減少孔內(nèi)事故發(fā)生。
開孔階段主要限制鉆壓在20~50kN之間,轉(zhuǎn)速10r/min,鉆進速度不大于1.5m/h。正常鉆進時,要保持扭矩穩(wěn)定,鉆速均勻,并根據(jù)鉆出的巖屑了解地層狀況,根據(jù)地層的變化及時調(diào)整鉆進參數(shù)。
4.3 導(dǎo)孔鉆進事故及處理
導(dǎo)孔鉆進按照施工組織設(shè)計和反井鉆進技術(shù)要求進行,且泥漿性能控制較好,鉆進工作較順利。但當通過凍結(jié)段達到160m深后,突然發(fā)生異常:①泥漿泵壓力突然增大,以至多次將安全閥頂?shù)簦酀{泵皮帶打滑甚至拉斷;②孔內(nèi)泥漿變稀,粘度降低,停鉆后和一股水返出孔外,再開泵循環(huán),孔內(nèi)泥漿上返不均勻;③鉆機扭矩增大,以至發(fā)生卡鉆,鉆具上提下放困難;④最后大量巖石顆粒堵孔,不得不上提鉆具。
鉆具提出后,發(fā)現(xiàn)和 3 根鉆桿內(nèi)孔被巖渣堵塞。開始認為是由于泥漿泵皮帶損壞,排渣不及時造成,于是更換皮帶,重新下鉆,到55~60m處,又發(fā)生上述現(xiàn)象。經(jīng)多次沖孔,鉆具下放到160m,鉆進10m后,又發(fā)生堵孔,而且比第一次更嚴重,從孔內(nèi)排出的巖渣量遠遠超過應(yīng)排出量,于是,再次下放鉆具,但也只能下放到55~60m。
通過鉆孔資料與井筒地質(zhì)柱狀圖以及已掘完成的主井和風井地質(zhì)資料進行比較,并經(jīng)過反復(fù)分析討論,最后判定塌孔的根源是在55~60m段泥質(zhì)膠結(jié)礫石層。其下部非凍結(jié)段的承壓水上返,使循環(huán)泥漿溫度升高,造成地層局部解凍,解凍后的礫石層物理力學性質(zhì)發(fā)生較大變化,塊狀結(jié)構(gòu)變成了散粒狀;承壓水也使泥漿變稀,固壁性能下降,造成塌孔。
由于首次在凍結(jié)地層中鉆孔,經(jīng)驗較少,塌孔處理采用了普通條件下鉆孔塌孔的處理方式:如用水泥漿灌孔,普通刮刀鉆頭掃孔等措施,均未取得效果;也采取過加強凍結(jié)方式,也未成功。最后采用稠漿強行鉆進,終于使導(dǎo)孔打通。
4.4 偏斜測量
通過測量,鉆孔的偏斜率為0.85‰,精度非常高。
4.5 擴孔施工
導(dǎo)孔鉆透后,進行擴孔鉆進,1995-11-08擴孔完成。
5 施工技術(shù)統(tǒng)計
(1)開鉆到竣工時間,1995-09-16~11-08;
(2)導(dǎo)孔鉆進0~160m,1995-09-16~9-21;
(3)塌孔事故處理時間,1995-09-21~10-23;
(4)導(dǎo)孔鉆進160~260m,1995-10-23~10-28;
(5)擴孔鉆進260m,1995-10-28~11-08;
(6)鉆孔深度260m;
(7)鉆孔直徑1.4m;
(8)凍結(jié)段長度97m;
(9)基巖段長度163m;
(10)平均鉆進速度190m/月;
(11)純鉆進速度390m/月;
(12)鉆孔偏斜率0.85‰。
6 結(jié) 語
濟寧 3 號井副井是國內(nèi)第 1 次用反井鉆機施工的凍結(jié)井,在298m深的井筒內(nèi),穿過97m厚凍結(jié)段和163m非凍結(jié)段,鉆成260m深的溜矸孔,孔斜率僅0.85‰。這是繼在汶南煤礦鉆成深316m直反井和在十三陵抽水蓄能電站鉆成長237m的斜反井(傾角50°)之后反井鉆進工藝上的又一次突破。本次施工較好地解決了井筒內(nèi)凍結(jié)地層施工反井的技術(shù)難題,在鉆孔塌孔處理、偏斜控制、泥漿參數(shù)控制及井筒內(nèi)施工管理等方面取得了豐富經(jīng)驗。這種綜合鑿井工藝,開辟了井筒施工新途徑,和廣闊的推廣應(yīng)用前景。
作者單位:煤炭科學研究總院北京建井研究所
第 1 作者簡介
劉志強,男,1962年出生,高級工程師。1984年畢業(yè)于山東礦業(yè)學院礦井建設(shè)專業(yè),1987年在煤炭科學研究總院獲得碩士學位。曾獲煤炭科技進步一、三等獎各 1 項,電力科技進步三等獎 1 項。一直從事反井鉆井技術(shù)研究及應(yīng)用工作。已發(fā)表論文10多篇。
關(guān)鍵字:
其他人還瀏覽了: