西部地区钻井法施工立井穿越第四系砂层对策

白云飞，赵国良

(陕西延长石油榆林可可盖煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

2021年3月，国家“十四五”规划明确提出推动煤炭生产向资源富集地区集中，建设黄河中上游和几字湾等清洁能源基地，该区域主要位于内蒙古鄂尔多斯市和陕西榆林市境内，地表多为沙漠地形地貌，目前国家规划的大型呼吉尔特矿区、纳林河矿区、榆神矿区、榆横矿区、神府矿区均位于该区域，含煤地层为侏罗系延安组，规划井型500～1 500万t/a。浅部煤层主要以露天、斜井开拓为主，深部煤层主要以斜井、立井开拓方式为主[1-3]。无论采用斜井或立井开拓，风井一般布置为立井，再根据井田不同地层水文、地质条件合理选取普通法、冻结法或钻井法施工，以达到安全快速高效建井的目标[4-6]。

总体来说，该区域内采用冻结法施工较为普遍，采用钻井法尚无先例[7-9]。目前，国内应用钻井法施工立井井筒多数位于山东鲁西南地区、江苏苏北地区和安徽两淮地区，已成功钻井70余座，钻井深度可达600 m、井径可达13 m，全机械化作业技术先进，“打井人员不下井”实现了本质安全。由于东部地区和陕蒙地区地层条件不同，特别是陕蒙区域表土段风积沙及冲积砂砾层与东部区域第四系砂钙质黏土不同，强度弱且极松散，钻井法能否安全可靠穿越本地层关系到钻井工程的成败[10-12]。因此，重点对钻井法穿越西部地区第四系风积沙及砂层等松散地层的对策进行探讨。

1 区域地质条件

1.1 区域地层

陕北、蒙西地区属华北地层区鄂尔多斯盆地分区东胜—环县小区，区域内地层由新至老分别为新生界第四系全新统上更新统马兰组、萨拉乌苏组，中更新统离石组，下更新统午城组。新近系上新统静乐组，中生界白垩系，下统洛河组。侏罗系中统安定组、直罗组、延安组，下统富县组，三叠系上统瓦窑堡组。主要含煤地层为侏罗系延安组。

1.2 井田地层简述

以榆横矿区可可盖井田为例，井田地表全部被第四系松散沉积物覆盖，主要有全新统风积沙、上更新统萨拉乌苏组，白垩纪下统洛河组，侏罗系中统安定组、直罗组、延安组及下统富县组，三叠系上统瓦窑堡组等。在岩层饱和抗压强度大小方面，不稳定松散砂层组、土层组(风积沙、上更新统萨拉乌苏组)为0 MPa，全-强风化岩组(洛河组地层顶部)为1.92 MPa，弱稳定煤岩组(2号煤层)为10.70 MPa，中等-微风化砂岩、泥岩及互层岩组(白垩系洛河组及侏罗系中统安定组)为17.75 MPa，中等稳定、砂岩组(侏罗系中统直罗组及延安组)为23.17 MPa。

1.3 井检孔勘探成果

可可盖矿井设计在中央风井场地布置中央进、回风立井，井筒相距148 m。井检孔勘探资料显示第四系全新统风积沙厚度为3.5 m、5.2 m，浅黄色松散状粉砂，表层含现代植物根系。第四系萨拉乌苏组砂层厚度为57.61～56.51 m，浅黄色松散状细砂，灰绿色粉砂质亚黏土。第四系离石组黄土层厚为23.99～29.91 m，浅黄色粉砂质亚黏土、棕红色砂土黏土，该层为黄土土质，散体结构，较紧密坚硬，颗粒均匀，原状饱和黄土的压缩系数为0.07～0.3 MPa-1，承载力较高，稳定性较好。

2 钻井法及其适应条件

2.1 钻井法工艺简述

钻井法施工工序为施工准备(锁口基础施工)→安装钻机、门吊→钻井施工→井壁连接与下沉→井壁扶正、固定→壁后充填、检查→成井，如图1所示。泥浆制备与钻机安装、井壁预制与钻井工序可平行作业以缩短工期。由于松散层对钻井施工影响重大，所以存在松散地层的区域采用钻井施工必须将松散层加固治理作为钻井施工的先决条件。

图1 钻井法施工工艺流程示意Fig.1 Drilling method construction process flow

2.2 钻机性能

目前较为成熟的AD130/1000型竖井钻机为动力头式竖井钻机，具有动力大、结构简单、安装方便、控制简便等特点，该型号钻机设计最大钻井深度1 000 m，最大钻井直径13 m，最大提升能力700 t，动力头扭矩600 kN·m，主机装机功率1 050 kW，转速最大可达22 r/min。最新研制并应用的ZDZD-100重型工程钻机是迄今世界上能力最大的多用途动力头式工程钻机之一。采用全液压驱动，适用各类矿山立井井筒钻凿施工。钻机配有油缸驱动的可变径稳定器和可变径钻头，适应岩石硬度达130 MPa(f=13)，钻压≥150 t，硬岩钻速>100 mm/h。设计最大钻井深度650 m，可变钻井直径4～12 m，最大提升能力900 t，动力头扭矩为1 000 kN·m，主机装机功率960 kW，转速最大可达12 r/min。

2.3 钻井法适应条件

2.3.1 工程地质条件适应性

该井筒穿越白垩系、侏罗系岩层多为不稳定-弱稳定岩石，弱胶结，强度较低，一般f≤4，仅个别岩层f=7；而我国中、东部地区钻井法施工井筒下部基岩强度一般f≥5。因此，采用同样的钻井设备施工西部地区软弱地层是可行的。

2.3.2 水文地质条件适应性

根据可可盖井田勘探报告、井检孔勘探报告以及相邻已建成的小纪汗矿井、大海则矿井、巴拉素矿井井筒实际揭露地层的涌水量情况，本区域内第四系萨拉乌苏组、白垩系洛河组、侏罗系延安组2号煤层为主要含水层，井筒施工过程中均受到不同程度影响。若采用钻井法凿井，井筒施工不受含水层影响，是建井防治水害最有效的手段。

2.4 适应性分析

本次立井最大钻井直径8.5 m，最大钻井深度535 m，岩石以泥岩类为主，强度弱，岩石的单轴抗压强度为15.6～70 MPa，约80%的岩石单轴抗压强度≤50 MPa，平均约38 MPa。根据现有钻井技术和钻机性能，钻机功率大，自动化程度高，钻机能力完全满足岩石强度可钻性。通过分析认为，立井钻机对于可可盖井田地层岩性强度是适应的。

3 钻井法穿越西部地区第四系松散砂层的对策

3.1 采取对策的必要性

根据井检孔勘探结果，第四系风积沙、萨拉乌苏组砂层埋深大、极松散、富水性强，井筒开挖后围岩自由面无法抵抗砂层自然塌落，采用锚喷临时支护及砌碹永久支护困难，易发生溃砂突水甚至淹井事故。饱和松散砂层段凿井技术一直是建井工作的难题，一般开凿立井前需要采取冻结、注浆等特殊凿井措施。本次采用的钻井法开凿立井井筒，分析认为钻井过程采用正常泥浆护壁反力无法抵抗砂层自然塌落，仍存在发生溃砂突水的可能性，因此必须对第四系松散地层采取有效的对策进行加固治理，实现钻井安全穿越第四系松散层，为钻井法成功钻井立井井筒创造先决条件。

3.2 松散层加固方案比选

3.2.1 可行性比较

对于饱和松散层厚度较小且富水性小的井筒，目前多采用板桩法和超前预注浆法进行处理，对于饱和松散层厚度较大且富水性较强的井筒，多采用降水法或冻结法进行处理，然后采用钻爆法破岩，井壁采用锚喷及砌碹等联合支护完成井筒施工。本次采用的钻井法不同于冻结法施工工艺，井筒采用钻机破岩，钻井过程采用泥浆护壁临时支护，井壁地面预制，待钻进至设计深度后采用沉井法下沉井壁并找正后充填固井，井筒自由面暴露时间相对较长。通过调研了解，认为地基工程通常采用MJS工法(全方位高压喷射工法)对表土段松散层治理是非常有效的手段，MJS工法自20世纪70年代问世以来成功用于深基坑开挖、隧道掘进和边坡治理等建筑、铁路行业，以往用于深井凿井中案例较少，但对煤矿建井也有借鉴意义。因此，将MJS工法与传统的松散层治理工法优缺点及可行性一并比较如下，见表1。经分析认为，板桩法和超前预注浆法适应性不强，不可行；降水法对松散层加固作用不大，不可行；冻结法和旋喷法均能达到松散层加固和含水层防治的目的，都具有可行性。因此，需对具有可行性的2种工法从安全、质量、工期、造价以及施工组织等方面优缺点再次进行比较。

表1 凿井方案技术可行性对比Table 1 Technical feasibility comparison table of schaft sinking scheme

3.2.2 冻结法

冻结法的优点是安全可靠、技术成熟、质量可控。但冻结法工期长、费用较高，冻结围岩对钻井泥浆影响较大且冻结工期伴随整个钻井工期；立井井口周围布置冻结管及冻结站、立井钻机及龙门吊，基础设备、管道较多并存在交叉，不利于大型设备作业，施工组织管理困难。

3.2.3 MJS工法

MJS工法的优点是安全可靠、质量可控、工期短、相比冻结法费用较低，不存在旋喷和钻井交叉作业的情况，有利于施工组织和管理。但是MJS工法井筒施工应用案例较少，存在桩体交接不严密导致溃砂突水的风险，但采取控制引孔斜度、间隔跳桩施工、水泥浆液合理配比等措施后可规避风险。综合井筒地质条件及目前旋喷工艺及装备情况，分析认为MJS工法可作为井筒穿越第四系萨拉乌苏组富水松散砂层治理的对策之一。

3.3 MJS工法

旋喷法是用钻机钻至预定深度后，用高压脉冲泵加压使水泥浆液由钻杆底端的喷嘴旋转向四周喷射，同时旋转提升，用高压射流破坏土体结构并使破坏的土体与水泥浆液搅拌混合，胶结硬化形成上、下直径大致相同、具有一定强度的圆柱状旋喷桩固结体，强度一般在3～8 MPa以上，渗透系数达6～10 cm/s。当旋喷桩相互交接后，便以同心圆的形式在井筒之外形成一个永久性封闭的旋喷帷幕体，从而在井筒钻进前起到超前支护、止水的作用。MJS工艺浆液喷射流初始压力高达40 MPa，流量约90～130 L/min，喷射流能量大，作用时间长，再加上稳定的同轴高压空气保护和内压力的调整，使得成桩直径较大，可达2～2.8 m，成桩深度大。

施工分为2个工作流程。先施工引孔钻至设计标高，再下喷头由下至上喷射注浆。每个施工段的旋喷桩均划分为一序孔和二序孔，先施工一序孔再施工二序孔，施工时采取间隔跳桩施工。

3.4 施工设计

3.4.1 布桩平面图

根据对第四系萨拉乌苏组砂层标准贯入实测击数18～19.7击，MJS工法成桩桩径一般可达2.0～2.5 m。设计桩径1 500 mm，桩距987 mm，桩间搭接513 mm，搭接处厚度1 129 mm。结合可可盖矿井中央进、回风立井井筒设计净径6 000 mm、井壁厚度600 mm、壁后充填厚度650 mm，确定钻井直径8 500 mm、桩体保护层厚度350 mm、旋喷桩体中心直径10 700 mm，共布桩34根。井筒旋喷桩布置平面图如图2所示,剖面图如图3所示。

图2 井筒旋喷桩布置平面Fig.2 Layout plane of wellbore jet grouting piles

图3 井筒旋喷桩布置剖面示意Fig.3 Layout section of wellbore jet grouting piles

3.4.2 终孔层位及桩体长度

高压旋喷引孔的开孔孔径为φ250 mm，采用泥浆护壁、回转钻进的方法，一钻到底。根据井检孔资料，对第四系风积沙及萨拉乌苏组上部共30 m深度进行加固，下部灰绿色粉砂质亚黏土及离石组黄土具有一定的自稳性，不采用加固措施。因此，钻孔终孔层位进入风积沙和萨拉乌苏组松散砂层深度30 m。钻孔成孔后，下入喷头，由钻孔底部向上边旋喷边提升至地表时终止旋喷，桩长30 m。

3.4.3 设计工程量及造价

设计共布桩34根，另外布置1根试桩45 m。引孔总延米、旋喷长度均为1 065 m。经测算，旋喷桩330万元、桩机环形导墙2万元、措施项目费(安全文明施工费、冬雨季夜间施工措施费)15万元、规费17万元、税费34万元，工程总造价398万元，综合指标3 737元/m。

3.5 应用效果

可可盖煤矿中央进、回风立井井筒采用MJS工法完成第四系松散层加固后，分别采用AD130/1000型竖井钻机和ZDZD-100重型工程钻机各施工一条立井井筒。自安设钻机以来，通过观测未发现位于旋喷桩体上的钻井锁口基础下沉或变形，桩体有效阻止了第四系松散层坍塌，井筒内的护壁泥浆量未出现异常增加情况，松散层含水被MJS桩体有效隔离，砂层水未涌入钻井空间，采用MJS工法施工的旋喷桩体，达到了对松散层治理的目的。目前，中央进风立井采用一钻成井φ8.5 m完成钻进280 m；中央回风井采用一扩成井φ4.5 m钻进513 m至设计深度并揭露主采2号煤层，采用φ8.5 m扩孔钻进230 m，各井筒正在按设计有序钻进。

4 结语

通过对松散层治理方案比选，确定采用MJS工法对松散层进行加固治理，在井筒外部形成一个永久性封闭的旋喷帷幕体，井筒钻进前起到超前支护、止水的作用，防止钻井过程中发生松散层坍塌引起溃砂突水，为钻井法施工提供安全的作业空间，较冻结法具有造价低、工期短、不交叉干扰、有利于施工组织管理等优点。随着西部地区晋陕蒙宁大型能源基地的建设，建井技术不断变革，应用钻井法安全高效快速施工立井已是大势所趋。松散层治理问题得到有效解决将会为钻井法在西部地区的广泛应用提供先决条件，MJS工法从建筑行业基坑支护到煤炭行业井筒支护的探讨与实践应用，可以成为煤炭行业建井工作的新选择。