萬福礦井副井凍結造孔技術探討

摘 要：萬福礦井沖積層厚度達到753.95m，凍結深度最深894m，凍結鉆孔工程量129794m。具有鉆孔深，表土厚，工程量大等特點。由于這些特點的存在，給凍結孔的施工帶來了諸多難題，也對以往所用設備、儀器及施工方法提出了新的挑戰(zhàn)。

關鍵詞：凍結；造孔；偏斜

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.071

萬福礦井位于巨野煤田南端，礦井采用中央并列抽出通風方式，初期采用主、副、風三個井筒開拓；礦井設計成產(chǎn)能力1.80Mt/a。

萬福煤礦副井造孔設計參數(shù)：井筒深893m，凍結深度840m，凈直徑7.0m，凍結鉆孔工程量129794m。凍結孔分四圈，分別是：外圈孔54個、中圈孔29/29個、內(nèi)圈孔37個、防片孔15個。

1 井筒凍結段地層特征

1.1 表土層

表土層由第四系、和第三系組成，總厚度749.00m。

（1）第四系（Q）：厚195m。以粘土及砂質(zhì)粘土為主，夾少量薄砂層。砂層總厚度為49m，所占的比例為25%。37m以上的兩層粉砂具有流塑性，振動易液化。（2）第三系（N）：厚554m。以厚～巨厚層粘土及砂質(zhì)粘土為主，夾少量薄～巨厚層砂層。粘土具膨脹性，呈固結狀態(tài)。

1.2 基巖

基巖由二迭系山西組和石炭系太原組組成。凍結段穿過的厚度為91m。

（1）山西組（P11s）：殘存厚度為23m，巖性為巨厚層狀細砂巖。其中：773.5m以上為強風化，773.5～776.88m為弱風化。（2）太原組（C3t）：揭露厚度68m。巖性以泥巖為主，夾三灰及五灰，終孔層位在七灰附近。

2 技術要求

為保證凍結壁均勻穩(wěn)定和縮短交圈時間，根據(jù)《萬福礦井主、副、風井凍結施工組織設計》要求，對凍結孔施工質(zhì)量提出如下要求：

（1）鉆孔開孔位置允許偏差：徑向0～20mm；切向±20mm。（2）鉆孔偏斜應滿足以下幾個方面：1）鉆孔垂直度：0～280m，偏斜率≤2.5‰；280～600m，靶域半徑0.7m；600～基巖界面，靶域半徑0.8m；基巖段，靶域半徑1.2m；防片孔內(nèi)偏≤0.5m。2）終孔最大相鄰孔間距：外圈、中圈、內(nèi)圈：表土層≤3m；中圈基巖段≤4.5m；防片孔按偏斜率及靶域控制。3）凍結孔深度控制：所有凍結孔下管深度不得小于設計深度。4）觀測孔控制：測溫孔及水文孔均按凍結孔垂直度進行控制。（3）相鄰兩孔不得相交。（4）選擇中內(nèi)23和中內(nèi)9號兩孔作為局部取芯檢查孔，以驗證基巖頂界面、風化帶底界面深度，檢查凍結底界深度上、下各10m的巖性情況。

3 相關問題的解決方個案

技術難點較突出的有以下幾個方面：

（1）隨著深度的加大，陀螺測斜儀的方位漂移加大，測斜精度下降，將對糾偏的定向精度產(chǎn)生影響，進而影響糾偏的成功率。（2）隨著深度的加大，鉆桿整體剛性下降，糾偏時的反扭矩角增大，將影響糾偏的成功率。（3）鉆孔深度已超出目前陀螺測斜儀的測斜范圍，800m以深儀器不能存儲、計算測斜數(shù)據(jù)。（4）隨著深度的加大，孔底泥漿壓力增大，因而其濾失作用加劇，會使得測斜期間泥漿吸卡鉆的危險性大大增加。（5）隨著表土層的厚度加大，底部粘土層的應變會逐漸顯現(xiàn)，鉆孔的縮徑現(xiàn)象更加明顯。（6）由于鉆孔深，下管時間長（可長達19個小時左右），下管過程中出現(xiàn)泥漿吸卡管和縮徑卡管的可能性大大增加。（7）由于鉆孔深，鉆具重，而且工程量大，施工工期長，對灰土盤的破壞會更嚴重。（8）過硐室凍結管充填問題。

對此，我們進行過多次深入的研究與探討，并制定出了相應的解決方案：

（1）解決深孔段測斜方位漂移加大，影響糾偏成功率問題。在700m以下采用同一臺測斜儀（共用一個陀螺）進行測斜和定向，以消除其影響。（2）解決深孔段鉆桿整體剛性下降，糾偏反扭矩角增大的問題。采用Φ89mm鉆桿、小螺桿鉆、小鉆頭以降低反扭矩角。（3）解決800m以下陀螺測斜儀不能存儲、計算測斜數(shù)據(jù)問題。已向北京建井所定制了滿足1000m測斜的新型儀器。（4）解決深孔段測斜泥漿吸卡鉆問題。1）降低泥漿失水率；2）基巖段測斜不帶鉆鋌。（5）解決深孔下管時間長，泥漿吸卡凍結管和縮徑卡凍結管問題。1）提高泥漿性能，降低泥漿失水率，嚴格控制泥漿粘度；2）提前接長凍結管，縮短下管時間，3）適當加大孔徑。（6）解決灰土盤的破壞問題。1）增加混凝土的厚度；2）在混凝土中加入一定量鋼筋；3）混凝土盤分上、下兩層，下層不留泥漿溝槽，只留0.5×0.5m的鉆孔坑，以增強混凝土盤的整體性；4）灰土盤下一旦出現(xiàn)空區(qū)，應及時用粘土水泥漿充填。（7）鉆進技術優(yōu)化。1）造孔鉆頭采用Φ216mm型；2）鉆孔取芯：鉆孔開鉆后要先進行取芯，取芯位置為沖積層底部界面、風化帶界面及凍結深度底部上下各取芯10m，對地層進行驗證；3）副井沖積層底深752m，取芯深度暫定742m～762m；基巖風氧化帶底深776.88m，取芯深度暫定776m～786m；副井凍結深度840m，取芯深度830m～850m；4）井盤第一個孔成孔后，先靜置30小時，再進行下管，以試驗護壁水泥漿長時間靜置后對下管的影響，第一個孔要選擇遠離硐室位置的孔；5）過硐室孔充填深度：充填至基巖風化帶界面位置；6）通過對凍結孔與井下硐室布置位置對比，按照穿硐室孔及硐室掘進斷面外3m范圍內(nèi)的孔均充填原則。

4 結論

鉆孔施工過程中，要加強孔斜監(jiān)測工作，以保證鉆孔的垂直度及孔間距符合設計和規(guī)范要求。施工過程中要定期對使用的儀器進行檢查和校驗，以保證儀器的精度和測斜資料的可靠性。在儀器反映正常的情況下，每半月校驗一次，若出現(xiàn)異常反映，隨時進行校驗。

由于采取上述設計方案及施工工藝，萬福礦井副井凍結造孔工程已于2014年6月13日順利完工，質(zhì)量完全達到設計要求，為以后深孔凍結造孔工程積累了豐富的經(jīng)驗，攻克了很多技術難題。

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2005年全國建設學術會議文集（下冊）.

作者簡介：于玉田（1987-），男，山東新泰人，研究生，助理工程師，從事礦建、調(diào)度工作。