反井钻机在大阳煤矿瓦斯抽排井施工中的应用

摘要：反井作为一种高效的机械井筒施工技术，近年来成为瓦斯抽放井施工的常用工艺之一。文章介绍了反井钻机在煤矿瓦斯抽排放井施工中的应用，并对反井施工的施工工艺、施工优缺点做了介绍，为瓦斯抽放井确定施工方案提供了选择。

关键词：反井钻机；大阳煤矿；瓦斯抽排井；施工工艺；机械井筒施工技术 文献标识码：A

中图分类号：TD712 文章编号：1009-2374（2015）05-0057-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0361

1 工程概况及水文地质情况

矿井位于山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司井田西翼，地质特征如下：

1.1 地层

井田内主要出露二迭系上石盒子组及石千峰组地层。根据地表出露及钻孔揭露情况，井田地层由老至新简述如下：（1）中奥陶统峰峰组（Q2f）：为煤系地层的基盘，厚60～140m。由石灰岩、泥质灰岩、泥灰岩、角砾状灰岩和白云质灰岩组成；（2）中石炭统本溪组（C2b）：厚0～7.38m。主要为灰～浅灰色富含鲕粒的铝质泥岩；（3）上石炭统太原组（C3t）：主要含煤地层，厚85.01～94.48m，主要由砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、煤层和石灰岩组成；（4）下二迭统山西组（P1s）：主要含煤地层，厚42.82～52.62m。主要为砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩及煤层；（5）下二迭统下石盒子组（P1x）：厚70.13～86.71m。主要由砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、铝质泥岩等组成；（6）上二迭统上石盒子组（P2s）：一般厚511m，由杂色泥岩、黄色泥岩、砂质泥岩和砂岩组成；（7）第四系中更新统（Q2）：该红色亚粘土，含钙质结核。厚0～30m；（8）第四系上更新统（Q3）：主要分布于井田东部，为浅黄色粉质粘土，厚3～30m；（9）第四系全新统（Q4）：主要分布于河漫湾和沟谷中。由现代冲积层、亚粘土、砂、砾组成，厚0～15m。

1.2 含水层和隔水层

主要含水层为：（1）中奥陶统灰岩岩溶裂隙含水层：为一富水性较强的含水层。该含水层埋藏标高为+509.34～+411.37m，静水位标高为+542.31m。单位涌水量为0.0015L/s·m，渗透系数为0.000286m/d；（2）太原组砂岩、灰岩裂隙岩溶含水层：为一富水性很弱的含水层；（3）山西组砂岩裂隙含水层：本层砂岩裂隙不发育，为一弱含水层；（4）上、下石盒子组砂岩裂隙含水层：本层砂为一较强的含水层；（5）基岩风化带裂隙含水层：风化带含水层一般呈潜水性质，局部承压，直接接受大气降水补给，越往浅部风化裂隙越发育，富水性越强，属较强富水性含水层；（6）第四系中更新统洪坡积孔隙、裂隙含水层：岩性主要为红褐色粉质粘土夹细砂层。水位埋深0.80～4.10m，单井涌水量0.23L/s；（7）第四系上更新统洪坡积孔隙、裂隙含水层：在井田内大面积分布，岩性主要为黄褐色粉质粘土夹砂砾石层等，单井涌水量多为0.2～1.4L/s；（8）第四系全新统冲洪积孔隙含水层：主要分布于长河及其支流寺头河河漫滩及一级阶地，岩性主要为亚砂土、砂及卵砾石等，其水位埋深1.0～2.2m，单井涌水量2.8～7.0L/s。主要隔水层为：（1）太原组底部及本溪组泥岩、铝土质泥岩隔水层：厚为5.89～26.73m，一般10m左右。本层与奥陶系灰岩整合接触，阻隔奥陶系岩溶水和上覆煤层的水力联系；（2）二迭系砂岩含水层之间的层间隔水层：主要为泥岩、铝土质泥岩、砂质泥岩，厚度多为4～13m。该隔水层呈层状分布于各砂岩含水层之间，阻隔了各砂岩含水层之间的水力联系。

本矿井田地表为丘陵坡地，雨季泄水条件良好，大气降水对矿井开采影响不大。

2 施工总述

安装井直径小于1m，井深318.9m，打在井下总回风巷道内。孔底偏差不超过5‰。管路安装井内安装瓦斯抽放管为螺旋焊缝钢管Ф630mm×10mm，法兰联接，法兰外径780mm，混凝土固井。本工程采用反井施工方法施工。

2.1 工序划分

施工工序划分为两个部分：第一部分为反井施工；第二部分为瓦斯管路的下放及固结。

2.2 施工顺序

首先采用冲击钻机在表土施工钻孔混凝土灌筑桩，BMC300型反井钻机施工直径1m竖井井筒，然后采用125t吊车对瓦斯管路进行连接及下放，最后对管路进行固结。采用反井钻机同时施工。

2.3 施工流程

冲击钻机施工混凝土灌筑桩→反井钻机施工Φ244mm导孔→反井钻机施工Φ1000mm井筒→瓦斯管路连接及下放→瓦斯管路固结。

2.4 施工方法

2.4.1 反井钻机施工方法。采用冲击正循环钻机泥浆护壁成孔，钻至设计桩底后调浆清渣，压力回顶法灌注砼。桩身砼采用C30商品砼，混凝土泵车输送混凝土，吊车辅助灌筑，钢筋笼现场加工，吊车吊放钢筋笼。根据现场Φ1400mm桩径，采用CZ-102冲击钻机施工。

施工工序：定位放线→基础施工→钻机就位→成

孔→钢筋笼加工→一次清孔→吊放钢筋笼→下设导管→二次清孔→灌筑混凝土。

灌筑桩混凝土达到初凝后施工如图1的反井钻机基础。

1.起吊塔架；2.铁板端头；

3.支撑墩；4.丝扣连接；5.排水阀门

图1 钻机混凝土基础 图2 孔内管道安装与灌浆固结示意图

2.4.2 导孔施工。钻机安装完成后，对钻机进行超平找正，保证开孔垂直度。二次浇筑混凝土养护3天，待混凝土达到强度开始导孔钻进。将Φ244mm导孔钻头与稳定钻杆以丝扣连接在一起进行开孔，采用低钻压、低扭矩稳步开孔，进一步保证开孔垂直度。导孔钻进的同时，也是对地层的勘探的过程，反井钻机虽然不是取芯钻进，但根据对钻进过程观测以及返出岩屑的情况，再结合以往的经验，可以对地层有初步分析和了解，为Φ1m扩孔钻进、孔壁维护提供参考。

2.4.3 安装扩孔钻头。导孔钻进贯通后，在下水平面安装Φ1m扩孔钻头。安装前首先将吊帽等专用工具运至井底，扩孔钻头运到钻孔中心点。确保与地面操作人员通讯通畅，连接时上下配合呼应，上水平钻机操作员根据下水平指令操作。

2.4.4 扩孔施工。当扩孔钻头安装好后，首先要进行排矸系统准备，待排矸系统完备之后，提升钻具，当滚刀和岩石接触时，停止提升。然后以5～8rpm的速度钻进。这样能确保其不受冲击波的影响，上提0.5～1.0cm停止，待刀齿将凸出的部分岩石碾碎之后，再继续上提。在扩张孔径时，作业人员应该进行观察，待钻头均匀接触到岩石后，才能进行扩孔工作。控制系统压力在18MPa下，其主要目的是确保钻机和滚刀不会被磨损。在扩孔时，如果岩石硬度高，可以适当地增加压强。总之，要根据实际情况调试。此外，作业人员也应该安排人员及时出渣。同时在拆钻杆时，应该进行后期清理，戴好胶帽，确保彻底清洁。

2.4.5 完孔及钻机拆除。当钻头扩孔至距基础2.5m时，可以通过降低钻压速度来调节，如果观察发现基础周围存在异常，应该采取措施，然后继续进行扩孔。完成该部分作业后应该将扩孔钻头固定悬挂，确保钻架主机和其他设备都被安全、顺利拆除，再提升钻头至孔外。然后使用泵车进行运输，清理作业现场即可。

2.5 瓦斯管路下放及固结施工方法

2.5.1 施工方法。根据本工程施工特点，结合我公司现有设备，并从安全、高效的要求出发，采用提吊法安装瓦斯管。主要起吊设备为125t吊车，卡管工具为一对卡瓦式卡盘，起吊点设计在卡盘上。吊车将每节6m长的钢管吊运至井口，与井孔内已安装的钢管法兰对接，对接拧紧完毕后，再将已安装的钢管缓慢升起，抽掉井口卡盘，将钢管缓慢下放，上水平卡盘担在井口，至此一节钢管安装完毕。封堵竖井下端口管壁和裸孔之间的环形空间后，采用砂浆进行壁后充填固结管路。施工示意图见图2。

2.5.2 施工流程。主要流程有：管材、起重设备等准备工作→锁口梁施工→管道对接拧紧、下管→管道下端口处理→管壁后混凝土充填→管道上端口处理。具体见管道安装工艺流程。

2.5.3 施工设备。瓦斯管规格：外径Φ630mm，续接长320m，§=10mm，重量152kg/m，每根管子长6m，两端为外径780mm的法兰，法兰重量分摊到每延米的重量为13.4kg/m。钢管总重量：320*（152+13.4）=52928kg。选择125t吊车作为主要起吊设备。

2.5.4 管路下放施工工艺及方法。（1）孔口平台：下管总重量约54t，通过卡盘压在井口、悬在井筒内。因此井口平台强度及平整度非常重要。利用反井钻机原混凝土平台，将混凝土平台抄平后，其上安装1500mm×1500mm×30mm的钢板，自钢板中心挖孔，孔径为Φ1000mm；（2）圆台形导向头：为钢管顺利下井，特别制作圆台形导向头：H1000mm*Φ630mm*Φ50mm，将瓦斯管与圆台导向头法兰连接，原钢管制作；（3）竖井内管道下端头的高程控制：因为井下不能动火，而连接处的三通高程已经确定，这对竖井内管道下端头的高程控制提出严格要求。如何将管道下到确定高度，这是控制重点。在瓦斯竖井对应的下水平巷道底板砌筑支撑墩，支持墩上放垫木，其高度与三通高度相同即可。下管时，直接将管道抵于支撑墩上；（4）充填段高：据此工程圆筒钢管临界压力：P=1.85MPa，按砂浆密度2000kg/m3计算，理论一次可充填高度为60m。因为法兰增强管道刚度，再考虑一定的安全系数，每次可充填段高为65m。

2.5.5 管路固结施工技术措施。壁后充填质量的优劣直接影响瓦斯管道的寿命。关键工序有三点：一是封堵竖井下端口管壁和裸孔之间的环形空间；二是防止管道在充填砂浆过程中变形损坏；三是砂浆的性能。（1）封堵竖井下端口管壁和裸孔之间的环形空间：灌浆是从竖井上端口下灌，当砂浆到达竖井下端口时，有较大的冲击力，所以要求下端口的封堵必须牢固。在井上制作一对卡盘，内径650mm（同瓦斯管路外径），将外径1200mm的铁板居中掏孔切割成两部分，分别与卡盘焊接在一起作为封孔铁盘。当管路下放至设计高程后，将封口铁盘通过卡盘牢固固定在瓦斯管路上，实现对管壁与裸孔之间环形空间的封堵，便于下一步的壁厚充填工作。封口铁盘要求刚度能够达到充填砂浆的冲击惯性，焊接牢靠，卡盘紧固，以免在充填过程中发生变形及脱落；（2）防止管道在充填砂浆过程中变形损坏：砂浆在凝固之前处于流动状态，这样充填到一定的高度后，砂浆对竖井底部管道会产生很大压力，管道可能会产生变形，进而破坏。灌浆和管道内注水同时进行。为了防止管道变形，灌浆时管道内注水，浆液与管内水高差不大于10m，这样减小管壁的内外压差，确保管道安全。排水阀门。下管前，做好阀门接口，下管到位后，在井下安装排水阀门，阀门的承载力不小于26kg/cm2。待充填砂浆初凝后，打开排水阀门放尽管道内水。排水阀门是随“铁板端头”的封焊铁板一起切割掉。

3 结语

煤矿瓦斯抽排放井筒以及各类竖井施工时采用反井钻进，不仅能够充分利用矿井中的原有设备，把反井施工的高效快捷优势发挥出来，而且加快了工程进度，实现安全、快速、优质为目的，因此反井钻机将会在煤矿的各类井筒施工中得到广泛的应用。

参考文献

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[2] 汪船.唐安煤矿瓦斯管道抽放竖井施工技术[J].煤炭工程，2009，（9）.

[3] 李志，李俊生，王强.BMC300型反井钻机的研制及应用[J].煤炭科学技术，2009，（9）.

[4] 荆国业.大口径瓦斯抽排井反井施工技术[J].煤炭技术，2014，（6）.

作者简介：李丙乾（1987-），男，山西太原人，中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院研究生在读，北京中煤矿山工程有限公司助理工程师，研究方向：煤矿工程。

（责任编辑：秦逊玉）