大直径反井钻井穿越特殊地层关键施工技术研究

荆国业

(1.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；2.煤炭科学研究总院建井研究分院，北京 100013)

反井钻井是自下向上钻井凿井的技术，是将竖井钻机和巷道掘进机技术相结合形成的新工艺和新装备。 目前，已经形成反井钻进工艺、机械破岩、钻进排渣、偏斜控制、远程监控、临时支护、永久支护、风险控制、地层改性和智能钻进等技术协调配合的反井钻井技术与装备体系[1-3]。反井钻井从煤矿、金属矿的应用拓展到水力发电、抽水蓄能电站、公路铁路隧道的通风井中，已成为地下工程中井筒、联络巷道建设的重要手段[4]。

目前，新型锯齿形钻杆丝扣联结、多油缸推进、多马达驱动形成的大直径反井钻机，钻井深度可达600m，钻孔直径5m，在岩石抗压强度300MPa的岩石中连续破岩。具有代表性的工程有：山西晋煤集团赵庄煤矿瓦斯管道井，钻井直径2.5m，深度431m；山西晋煤集团王台铺煤矿风井，直径5.0m，深度168m；甘肃敦格铁路当金山隧道通风竖井钻井直径3m，钻井深度430m；贵州开阳磷矿施工井下竖井直径5.0m，这也是大型反井钻机第一次在井下施工；2014年BMC600大型反井钻机应用于白鹤滩电站，在坚硬的玄武岩中一次钻成直径3.5m，深度100m的通风井，这是水电系统首次钻成大直径孔[1]。在前期的反井钻井施工过程中，井筒赋存地层条件是决定反井钻井施工是否顺利进行的重要影响因素之一。因此，在反井钻井施工前需要对反井钻井穿越的地层资料进行勘察，对反井钻井过程中地质因素带来的风险进行判识和定量评价。

反井钻井施工导孔钻进和扩孔钻进过程中由于涌水坍塌造成的井帮不稳定，容易造成钻杆断裂和卡钻，以及井帮垮落堵塞等问题[5]；反井穿越高瓦斯地层时，瓦斯泄漏和瓦斯爆炸等情况危及人员安全及钻头正常工作，甚至造成钻井失败的经济损失；反井穿越破碎不稳定地层时，地层的坍塌造成卡钻埋钻的问题[6-8]。因此针对反井钻井穿越的特殊地层进行地层改性处理，并应根据工程体量的需求和特殊地层的特征确定相适应的钻机和钻具等设备，亟待深入研究反井钻井穿越特殊地层的关键施工工艺及控制技术，以保障导孔和扩孔过程中的钻进精度和钻具安全，达到破岩效率高、偏斜率低和井帮围岩稳定的目的[9]。

本文在系统总结反井钻井施工工艺和装备的基础上，分析了利用矿井井下已有巷道和生产系统建设采区风井的优势，重点研究了反井钻井穿越特殊地层施工反井钻井穿越特殊地层的关键施工工艺及控制技术，对实现采区风井井筒的安全、快速建设有重要意义。

1 反井钻井施工采区风井的优势

生产矿井为保证矿井合理采掘接替，确保矿井持续稳定的发展，尽快进行水平延深，开采井田内的下组煤[9]。同时，建设接替采区风井以提高采区通风能力并减少巷道长距离通风的风阻及漏风损失具有重要作用。接替采区通风井的建设方案为：①在采区建立独立回风井的方式，新鲜风流从主井进入矿井，经过通风巷道到达采区，清洗开采工作面后，直接由采区风井排出，可以明显减少回风距离；②在大型采区建设一条进风井和一条回风井，形成采区的独立通风系统，能够更加有效的满足高产高效采区的通风安全[10]。

普通凿井法建设采区风井井筒需要人员下井钻眼爆破，在遇到富含水、高瓦斯地层及严重破碎等特殊地层时，井下作业人员的安全性难以保障。而反井钻机钻井建设风井井筒具有机械化程度高、施工速度快、安全性好、井内无人员作业等优势，除此之外，反井钻井施工接替采区风井具有以下几个方面的优势：

1)充分利用矿井井下已有巷道和生产系统。反井钻井施工工艺可充分利用矿井井下已有巷道和生产系统建设采区风井，满足接续采区通风要求，实现采区风井井筒的安全、快速建设[9，10]。

2)扰动程度低且井帮稳定性好。反井钻机机械破岩方式对井帮扰动程度降低，围岩自稳能力强，且反井钻井过程中施工人员打井不下井，对穿越高瓦斯地层中建井具有更加突出的安全意义。

3)有利于矿山开采和闭坑后的环境保护。采用反井钻机钻井法直接钻成风井井筒，或者采用反井钻机先钻出导井，然后再扩孔成井的方式相对于普通法凿井省掉了占地面积很大的储渣场，施工场地占用小，减少了爆破对环境的破坏，符合绿色矿山开采工艺的国家战略要求，具有广泛的应用前景。

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2 工程概况

柴沟煤矿位于山西省北部朔州市怀仁县城西约12km处云中镇羊圈沟村、王卞庄、窑子头村一带，生产能力为600万t/a。目前，正在开采5(3+5)号煤层，井田东北部受采空区影响，西南角约2.7km2范围内受托源线四趟500kV高压输电线路杆塔影响，无法布置正规的回采工作面进行综合机械化开采。截止目前，井田范围内5(3+5)号煤层只有一盘区二块段内有两个工作面尚未开采，剩余可采储量约为1731.06万t，按6.0Mt/a生产能力考虑，可服务约2.06a，其他区域均已开采殆尽。为保证矿井合理采掘接替，确保矿井持续稳定的发展，需尽快进行水平延深，开采井田内的下组煤。

矿井水平延深方案采用斜井开拓方式，矿井水平延深投入生产时共布置三个场地五个井筒，利用柴沟煤矿现有的主斜井、副斜井作为水平延深后8号煤生产时的主斜井和副斜井；利用矿井现有的回风斜井作为矿井8号煤生产时的一个回风井；在拟选的风井场地内新凿一个进风立井和一个回风立井以增加井下通风循环量。

经过施工技术、施工条件和经济效益等因素的综合分析，拟利用反井钻机施工进风立井深度为310m，回风立井深度为308.65m两条立井井筒，表土段净径5.0m，基岩段净径4.7m的风井。

3 反井钻井装备的确定及施工技术难点

3.1 反井钻机选型

首先根据拟建通风立井的深度、立井赋存地层岩石的力学特性以及反井钻孔直径等条件，确定反井钻机拉力参数；其次根据井筒直径，选择反井钻机扭矩参数。在能满足工程实际要求的前提下，通过成本核算和对比各型号反井钻机性能参数，选用ZFY5.0/600(BMC600)型反井钻机。BMC600型反井钻机主要性能技术参数，见表1。

表1 BMC600型反井钻机主要性能技术参数

3.2 洗井排渣循环泵选取

反井钻机钻进导孔采用正循环流体携岩排渣，采用泥浆作为洗井介质，并对钻孔孔帮有一定的保护作用[11]。同时，洗井排渣循环泵在反井导孔施工过程中具有非常重要的作用。洗井排渣循环泵功率不足时导致钻孔施工效率降低且增大卡钻风险。根据导孔直径、钻孔深度、地质条件等条件，选用TBW-850/5A型泥浆泵，其主要技术参数如下：额定排量850L/min，额定压力5MPa，额定转速375r/min，额定功率90kW，重量3.1t。

3.3 测斜仪选取

井筒是钻头破岩逐渐在地层中不断延续形成的，钻进过程中钻头和岩石相互作用会造成钻进方向偏离井筒轴线，因此，需要井下仪器监测钻头的空间状态，并通过反馈控制钻头，实现钻进方向调整，达到钻进纠偏的目的[12]。钻孔钻进偏斜控制是关系成井质量的重要技术因素之一[13]。采用SQGS-5型高精度无线存储式数字陀螺测斜仪，这是一种无电缆存储式连续多点测量井斜的新型数字化仪器，可以对直径大于46mm的钻孔进行测斜，顶角测量精度±0.1°，方位测量精度±4°，其外形尺寸为40mm×1230mm，重量约7kg。

3.4 特殊地层及反井钻井施工技术难点

反井钻井建设接替采区风井，采用BMC600型反井钻机一次扩孔成5.0m直径的立井，反井钻井穿越的特殊地层及施工技术难点有以下3个主要方面：

1)新生界松散层(Q)揭露厚度为10.75m，力学强度较低，松散层沉积层段属工程地质不稳定型，同时基岩风化带岩组埋深自10.75～13.62m，厚2.87m，岩石质量总体较差，风化带岩段围岩应属较差稳定型岩层。地表回填地段和风化带岩石因风化强度降低，随着围岩暴露在空气中的时间增长，地层蠕变、地压、地层涌水、风化等作用易发生塌孔现象，对孔帮和井帮的稳定性产生重要影响。

2)完整基岩段埋深13.62～330.15m，除3-5号煤层破碎严重，质量差外，其他总体属稳定型。井筒穿过5号煤层，深度约27.1m，且破碎严重、漏水量大，反井钻机扩孔成井后，无法及时支护，暴露时间长，煤层段井帮存在风化片帮以及钻杆断裂、卡钻等风险。

3)柴沟煤矿为高瓦斯矿井，采用反井钻机掘进过3-5号煤时，瓦斯容易沿着钻头进入掘进工作面并形成瓦斯积聚，扩孔时钻头滚刀与岩石切割产生火花后可能发生瓦斯爆炸的危险。

4 穿越特殊地层的施工关键技术

4.1 表土处理及钻机基础砌筑

松软表土地层采用预支护的方法进行表土地基处理。首先采用人工开挖或者小型挖掘机开挖，将矸石装入吊桶提吊至地面后，再运出场地，再采用喷射混凝土作为初衬，待挖到稳定基岩层后，在下部进行内扩，制作钢筋混凝土壁座；最后由下往上一次套壁浇筑钢筋混凝土井颈，井颈上部标高与地面基础平齐[14]。松软表土地层处理工艺，如图1所示。

图1 松软表土地层处理工艺

在预支护井帮砌筑至离地面1.5m时，将反井钻机基础和预支护井帮一起砌筑，在预支护井帮内回填低标号混凝土。反井钻机混凝土基础如图2所示。

图2 反井钻机基础图(mm)

反井钻井地面场地为施工的主要场所，需要按设计位置摆放反井钻机系统(主机、操作车、油箱车等)，循环洗井系统(泥浆泵、泥浆池等)以及钻具等设备，地面施工场地不能小于35m×15m，且要求场地平整、硬化。

4.2 井帮预加固处理技术

根据井检孔资料，井筒穿越的3-5号煤层破碎严重，为保证反井施工及锚喷支护期间不发生坍塌，两个井筒均选用地面预注浆方法对该破碎段加固处理。采用Φ50mmPVC管作为注浆管，注浆孔径为Φ94mm；注浆段高42m，垂深为228～270m，其中3-5号煤层破碎地层垂深233～260m，厚度27m。每个井筒布置3个注浆孔，钻孔沿井筒圈向等距布置，布孔圈径7.0m，孔间距6.06m，浆液扩散半径6m；浆液类型为单液水泥浆，选用1∶1、0.8∶1两种配比；注浆压力经计算为4.05MPa；浆液注入量经估算为864m3。

注浆钻孔分套管段、套管以下及注浆段三段。套管段孔径Φ133mm，套管以下及注浆段孔径为Φ94mm。钻孔结构如图3所示。具体施工过程为：在表土到完整基岩段(0～13m)下入套管，固管采用1∶1水泥浆，凝固时间64h；套管选用Φ108mm无缝钢管；钻进至垂深50m，下Φ50mmPVC管，同时对其做耐压试验，其注浆方式与破碎层注浆方式相同，注浆压力为5.5～6MPa，水泥消耗量3t，注浆持续时间1h后拔出PVC管；透孔及钻进至设计深度(0～270m)，孔径为Φ94mm；在0～233m段下Φ50mmPVC管作为注浆管。

图3 注浆钻孔结构示意图

注浆采用ZBYSB40/22-7.5型注浆泵，注浆方式采用孔口压盖注浆方式；浆液配比为单液浆注浆，先稀后浓，水灰比分别采用1∶1、0.8∶1、0.6∶1三种配比；注浆过程中总计消耗水泥约为92t，其中1∶1比例消耗水泥约10t；0.8∶1消耗水泥约38t；0.6∶1消耗水泥约48t；估算注浆总量约为100m3。注浆终压约5.5MPa，直至20m远处4m深基坑底部漏浆后停止。注浆孔口结构如图4所示。

图4 注浆孔口结构图

4.3 含瓦斯煤层的通风技术

采用反井钻机掘进3-5号煤时，瓦斯容易沿着钻头进入掘进工作面形成瓦斯积聚，扩孔时钻头滚刀与岩石切割产生火花后可能发生瓦斯爆炸。因此，反井钻井过程中通风起到关键作用。本次反井钻井施工过程中，首先利用20m3的空压机从钻杆中心向井下压风，在钻头中心管下口用6根1.5寸胶管将新风送至钻头径向不同位置，以防止瓦斯聚集；其次，降低扩孔钻头转速至3r/min，减小滚刀与岩石的冲击；再次将井下风门开启，形成负压通风，扩孔后的井筒里新风下行，将瓦斯直接带至井下巷道里；在钻井扩孔超过煤层50m，且过煤层超过10d后，空压机停止运转，通过钻杆Φ110mm的内孔(中心管内孔Φ90mm)将新风送至扩完的井筒内；同时，从钻杆与导孔之间的环形空间向井下放水，用于局部降尘及部分滚刀冷却。通过以上通风和降温技术的实施，实现了反井钻井成功穿越含瓦斯煤层。

5 结 论

1)反井钻井技术具有机械化程度高、施工速度快、安全性好、井内无人化等优势，同时在建设接替采区风井井筒时能够充分利用矿井井下已有巷道和生产系统，机械破岩相较于爆破岩石扰动程度低且井帮稳定性好，有利于矿山开采和闭坑后的环境保护。

2)导孔的偏斜率决定了整个反井孔的偏斜率，是反井钻井的关键技术。因此，反井钻井基础施工与表土段混凝土回填确保了钻机平台的稳定性和安全性，同时保证了导孔开孔的钻孔方向的准确性以及导孔钻井、扩孔钻进过程中钻进压力的恒定。

3)反井钻进过程中无支护井帮的稳定性问题是大直径反井施工的关键。因此，扩孔钻进之前对于条件较差的地层需采用预注浆的方式提高围岩的稳定性，保证扩孔钻进井帮的稳定和设备的安全。

4)反井钻井穿越含瓦斯煤层时，主要采取空压机从钻杆中心向井下压风；降低扩孔钻头转速，减小滚刀与岩石的冲击；将井下风门开启，形成负压通风，将瓦斯直接带至井下巷道里；同时，从钻杆与导孔的之间的环形空间向井下放水，用于局部降尘及部分滚刀冷却。通过以上通风和降温技术的实施，实现了反井钻井成功穿越含瓦斯煤层。