濟寧3號井副井反井鉆井施工技術
　　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，穿過97m凍結段，鉆成深260m反井的施工技術，證明這種凍結法和反井鉆機相結合的鑿井工藝，開辟了井筒施工新途徑，和廣闊的推廣應用前景。
　　關鍵詞　反井鉆井　凍結法　反井鉆機
　　反井鉆機一般用于地質條件較好的地下工程兩水平之間豎向或大傾角的聯絡通道。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局濟寧東區，年產煤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，最大凍結深度385m。井筒掘進從1994年8月開始，到1995年完成298m。根據副井施工狀況，以及主井和風井已形成的生產條件，確定采用反井鉆機施工下部260m凍結基巖段和非凍結基巖段的施工方案，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　施工設備
　　根據副井地質條件和相關工程條件，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，其主要技術參數為
　　導孔直徑/mm216
　　擴孔直徑/m1.4～2.0
　　設計鉆進深度/m200
　　轉速/r*min-10～20
　　扭矩/kN*m40
　　推力/kN350
　　拉力/kN850
　　主機功率/kW82.5
　　主機質量/t8.0
　　3　施工準備
　　3.1　設備布置
　　井筒內空間狹小，要求在8m直徑的井內布置總質量達70t的反井鉆機和輔助設備，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備，即在地面布置泥漿攪拌系統、供水供電設施和存放鉆桿;吊盤上布置各種驅動開關、電纜和照明系統;在鉆機基礎平臺上布置鉆機、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　鉆機基礎澆筑
　　井筒掘進到預定深度后，出凈工作面矸石，完成內壁施工，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，基礎上預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　設備下井和安裝調試
　　設備下放由主副提升系統完成。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。設備到位后進行組裝，接通電源，試運轉，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　導孔鉆進
　　導孔鉆進是反井施工的關鍵，關系到鉆孔質量和成敗。濟寧 3 號井副井在井中鉆進，比以往的反井工程都復雜，主要和以下幾個特點。
　　(1)從國內外資料看，穿過97m凍結地層鉆進反井還是第一次，由于凍結段溫度低，對于施工設備，特別是洗井介質泥漿性能以及孔壁穩定性都和不利影響，一些巖層經凍結后，物理力學性質會發生較大變化。
　　(2)在接近300m的井內施工，當導孔穿過凍結段進入非凍結地層后，水的影響很大，水壓3～4MPa，水溫遠高于凍結段，會降低泥漿性能，破壞孔壁的自穩性。
　　(3)鉆進穿過的地層地質條件復雜，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;井筒內預留和位于井筒中心的水文觀測孔，并安和套管，導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。
　　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(包括導孔鉆頭、普通鉆桿、穩定鉆桿)及其布置。所用的鉆桿和?φ182mm和?φ176mm兩種。鉆具布置既要考慮導孔鉆進，又要考慮擴孔安全，還要根據施工狀況和孔內情況進行調整。施工時布置鉆具包括開孔、正常導孔鉆進以及事故處理時不同階段的布置。
　　4.2　鉆進參數控制
　　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，掌握鉆機工作狀況和地層條件，減少孔內事故發生。
　　開孔階段主要限制鉆壓在20～50kN之間，轉速10r/min，鉆進速度不大于1.5m/h。正常鉆進時，要保持扭矩穩定，鉆速均勻，并根據鉆出的巖屑了解地層狀況，根據地層的變化及時調整鉆進參數。
　　4.3　導孔鉆進事故及處理
　　導孔鉆進按照施工組織設計和反井鉆進技術要求進行，且泥漿性能控制較好，鉆進工作較順利。但當通過凍結段達到160m深后，突然發生異常：①泥漿泵壓力突然增大，以至多次將安全閥頂掉，泥漿泵皮帶打滑甚至拉斷;②孔內泥漿變稀，粘度降低，停鉆后和一股水返出孔外，再開泵循環，孔內泥漿上返不均勻;③鉆機扭矩增大，以至發生卡鉆，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，發現和 3 根鉆桿內孔被巖渣堵塞。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，又發生上述現象。經多次沖孔，鉆具下放到160m，鉆進10m后，又發生堵孔，而且比第一次更嚴重，從孔內排出的巖渣量遠遠超過應排出量，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柱狀圖以及已掘完成的主井和風井地質資料進行比較，并經過反復分析討論，最后判定塌孔的根源是在55～60m段泥質膠結礫石層。其下部非凍結段的承壓水上返，使循環泥漿溫度升高，造成地層局部解凍，解凍后的礫石層物理力學性質發生較大變化，塊狀結構變成了散粒狀;承壓水也使泥漿變稀，固壁性能下降，造成塌孔。
　　由于首次在凍結地層中鉆孔，經驗較少，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;也采取過加強凍結方式，也未成功。最后采用稠漿強行鉆進，終于使導孔打通。
　　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
　　導孔鉆透后，進行擴孔鉆進，1995-11-08擴孔完成。
　　5　施工技術統計
　　(1)開鉆到竣工時間，1995-09-16～11-08;
　　(2)導孔鉆進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　語
　　濟寧 3 號井副井是國內第 1 次用反井鉆機施工的凍結井，在298m深的井筒內，穿過97m厚凍結段和163m非凍結段，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凍結地層施工反井的技術難題，在鉆孔塌孔處理、偏斜控制、泥漿參數控制及井筒內施工管理等方面取得了豐富經驗。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年畢業于山東礦業學院礦井建設專業，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研究及應用工作。已發表論文10多篇。