老舊礦井施工大口徑立孔施工工藝及事故處理方法

耿燕文 張廣生

（山東能源臨礦集團(tuán)邱集煤礦，山東 德州 251105）

山東省邱集煤礦有限公司成功解放黃河北煤田11、13 煤層。下組煤頂?shù)装搴畬痈凰源螅旱V原有排水系統(tǒng)不足以支撐后期礦井涌水量，，需要升級(jí)改造礦井水害應(yīng)急災(zāi)害防治系統(tǒng)[1-3]。

1 主要技術(shù)要求

鉆孔設(shè)計(jì)二開結(jié)構(gòu)，一開孔徑650 mm，二開孔徑510 mm。鉆孔偏斜率應(yīng)控制在千分之五以內(nèi)，鉆孔終孔偏斜不大于2.0 m。

固井完成后進(jìn)行注水試壓，要求壓力達(dá)到10 MPa，30 min 內(nèi)壓力降幅小于0.5 MPa。

2 孔位選擇

該孔終孔深度417 m，孔內(nèi)自然壓力加泥漿比重至孔底壓力5.3 MPa 左右，此孔成井后會(huì)進(jìn)行打壓試驗(yàn)，要求壓力達(dá)到10 MPa。因此，孔底位置需離巷道幫一定的距離，防止泥漿壓垮巷道幫及頂板，造成廢孔。因地面條件限制，孔口選擇礦區(qū)500 m范圍內(nèi)。井下巷道形成多年，錯(cuò)綜復(fù)雜，經(jīng)過對(duì)井下巷道支護(hù)情況、原有巖應(yīng)力、封閉巷道等排查，最終該孔孔位定于礦西側(cè)，孔底位置離巷道幫12 m。

3 鉆探施工工藝

該孔孔徑大，需要采取分級(jí)擴(kuò)孔的方式施工，先導(dǎo)鉆孔施工完成后進(jìn)行擴(kuò)孔。為保證擴(kuò)孔垂直度，采取同徑鉆具導(dǎo)向鉆進(jìn)的方法進(jìn)行擴(kuò)孔。

一開鉆進(jìn)：先使用Φ311 mm 牙輪鉆頭鉆至基巖面下5 m，然后使用Φ445 mm 擴(kuò)孔鉆頭加Φ311 mm 導(dǎo)向鉆頭擴(kuò)至孔底，再使用Φ650 mm+Φ445 mm 組合牙輪鉆頭擴(kuò)孔到位。

二開鉆進(jìn)：使用Φ311 mm 牙輪鉆頭鉆至終孔417 m（孔口至巷道底板深度415 m，多鉆進(jìn)2 m 作為沉積巖粉用），使用Φ445 mm+Φ311 mm 導(dǎo)向鉆頭擴(kuò)孔至417 m，再使用Φ510 mm+Φ445 mm組合牙輪鉆頭擴(kuò)孔至417 m。

4 問題解決

在進(jìn)行二開擴(kuò)孔時(shí)，使用Φ445 mm 擴(kuò)孔鉆頭+Φ311 mm 導(dǎo)向鉆頭施工。在擴(kuò)孔至360 m 時(shí)，巖層為粉砂巖，巖性較硬，施工時(shí)導(dǎo)向鉆頭在孔內(nèi)為懸空狀態(tài)，擴(kuò)孔鉆頭產(chǎn)生跳鉆現(xiàn)象，需制作一種打撈鉆頭的裝置，提出一種鉆頭打撈方法。

制作方法：

（1）制作打撈筒。現(xiàn)場二開套管管徑（426 mm）與鉆孔孔徑及鉆頭大小合適，切割一段長度為2 m 的套管；將現(xiàn)場鉆桿公錐端進(jìn)行切割，制作連接桿，長度2 m；切割圓盤一個(gè)，加工加固矯正盤，直徑與套管內(nèi)徑尺寸一致；將矯正盤與連接桿進(jìn)行焊接，要保證矯正盤平面與連接桿垂直；焊接完成后塞進(jìn)套管內(nèi)，連接桿公錐端露出套管外1 m 左右；在套管上部兩面開窗，將加固矯正盤與套管進(jìn)行焊接，焊接完成后焊接套管開窗部位。

（2）套管下部切割楔形狀干抓。切割楔形狀干抓時(shí)，切割的尺寸根據(jù)套管的材質(zhì)及壁厚來決定。本套管為直徑426 mm、壁厚8 mm 的剛性直筒，在直筒下部共切割高度70 cm、寬度9 cm 的楔形狀干抓7 個(gè)，干抓之間間隔10 cm，形狀上寬下窄。上寬是有一定的抗壓能力，下窄是為了加大鉆壓下壓時(shí)，楔形狀干抓收縮，便于抓住鉆頭。

（3）下打撈裝置前，先下趟鉆桿，精確丈量鉆具，確定好鉆頭掉落位置，精確測量孔深，將打撈裝置下到孔底后，根據(jù)裝置收縮距離判斷是否將鉆頭包進(jìn)打撈裝置內(nèi)。

（4）鉆具連接打撈裝置絲杠上頭公錐，開始緩慢下鉆，下鉆途中如果有輕微遇阻，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤，遇阻時(shí)不要加壓下鉆，以防打撈裝置變形。

（5）當(dāng)鉆頭打撈裝置下放到接近鉆頭掉落位置時(shí)，加大鉆壓下壓，切割的楔形狀干抓接觸到孔底，由于壓力增大，向里收縮，把鉆頭包進(jìn)去，取出掉落進(jìn)孔內(nèi)的鉆頭。

（6）緩慢提鉆，嚴(yán)禁生拉硬拽，以防鉆頭碰到孔壁，造成鉆頭二次脫落。

經(jīng)過4 h 的打撈，成功將鉆頭取出，保住了本孔的成孔。該項(xiàng)裝置獲得實(shí)用新型專利。打撈筒如圖1 所示。

圖1 打撈筒示意圖

5 下管及固井施工工藝

5.1 下管

（1）在下入套管前，必須用與套管管徑一樣的順孔器進(jìn)行長時(shí)間順孔。順孔暢通無阻后，進(jìn)行循環(huán)沖孔，將孔內(nèi)巖粉徹底循環(huán)干凈，方可下管。（2）出廠前每根套管一端打磨長2 cm、角度45°的坡口，便于焊接。每根套管在起吊前，在套管一端1.0 m 處割2 個(gè)直徑10 cm 的穿杠眼。套管下入方式采用鉆機(jī)天輪連接套管穿桿的方式下管。第一根套管下進(jìn)孔內(nèi)后，穿桿橫在轉(zhuǎn)盤面上，松開鋼絲繩套，起吊下根套管。兩根套管對(duì)接用水平移找正，使用正規(guī)焊條，焊滿坡口。每個(gè)焊口焊接3 遍，套管焊接要垂直、牢固。焊完套管對(duì)接處后，鉆機(jī)提吊，抽出穿桿，焊接串杠眼。下管過程中應(yīng)精心操作，密切配合，嚴(yán)防工具和其他異物落入井內(nèi)。（3）一開套管的下入：套管下入深度320 m，套管規(guī)格Φ530 mm×8 mm，重量35 t，使用一般鉆機(jī)提調(diào)法下入。一開套管為護(hù)壁管，為避免地層軟造成縮徑，需加快焊接速度，焊接方式采用二保焊。（4）二開套管的下入：套管下入前，在第一根套管底加裝錐形木塞，錐尖朝下，用于套管下放過程中引斜及減少刮壁遇阻。二開套管下入深度417 m，套管規(guī)格Φ426 mm×12 mm，重量42.37 t，使用一般鉆機(jī)提調(diào)法下入。下入二開套管因數(shù)量多、自重大，在下入二開套管第8 根上部，焊接浮力閥，防止超過升降機(jī)負(fù)荷。二開套管為技術(shù)套管，焊接質(zhì)量要求高，焊接方式為手工電弧焊，焊縫不得有表面氣孔、夾渣、弧坑、裂紋、電弧擦傷等缺陷，嚴(yán)格按國家焊接標(biāo)準(zhǔn)施工。

5.2 固井施工工藝

5.2.1 固井方式

一開套管固井：第一根套管底部1.5 m 處制作4 個(gè)直徑5 cm 的返漿眼；套管下入預(yù)定位置后，固定到位，下入鉆桿到孔內(nèi)離孔底位置10 m 左右，封閉孔口；先壓清水3 m3，然后泵入水泥漿，讓孔內(nèi)泥漿與水泥漿隔開；水泥漿平均密度不低于1.80 kg/cm3，水泥漿上返至地表，候凝72 h。

二開套管固井：套管底部同樣制作返漿眼，下到孔底后，先下鉆把焊接的浮力閥掃開，然后固井，侯凝72 h。

5.2.2 質(zhì)量驗(yàn)證

二開固井侯凝72 h 后，下鉆掃水泥塞，掃塞至415 m（巷道底板處）提鉆，檢測固井質(zhì)量；下入方鉆桿，封閉孔口，用泥漿泵注入清水進(jìn)行打壓試驗(yàn)。

6 工藝效果分析

經(jīng)過100 余天的施工，該孔圓滿完工。在垂直度方面根據(jù)防斜保直措施及優(yōu)化鉆具組合，該孔終孔偏斜1.27 m，滿足設(shè)計(jì)要求。在下設(shè)一、二開套管時(shí)，根據(jù)下管、焊接措施，順利將套管下入孔底設(shè)計(jì)位置，并完成固井。侯凝72 h 后進(jìn)行打壓試驗(yàn)，孔壓10 MPa，30 min 內(nèi)壓力降幅小于0.5 MPa，該孔驗(yàn)收合格。

7 注意事項(xiàng)

（1）施工直排水鉆孔礦井一般都是回采一定年限的礦井，巷道形成多年，孔底位置要離巷道幫10 m 以上，以免孔內(nèi)漿液壓力壓垮巷道，造成廢孔。

（2）鉆進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制測斜距離，發(fā)現(xiàn)測斜超差，立即停止施工，進(jìn)行糾斜，成功后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

（3）擴(kuò)孔時(shí)，擴(kuò)孔鉆頭前面加裝導(dǎo)向鉆頭，導(dǎo)向鉆頭在先導(dǎo)孔內(nèi)，不吃勁。遇硬地層時(shí)，出現(xiàn)跳鉆現(xiàn)象，兩鉆頭如果連接不牢靠，就會(huì)造成導(dǎo)向鉆頭脫落，以后再施工同類型鉆孔時(shí)將導(dǎo)向鉆頭換成導(dǎo)向管，與擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行焊接。

（4）下入套管前，順孔器順孔要徹底，以免在下管過程中造成卡管。

（5）下套管時(shí)如果出現(xiàn)卡管現(xiàn)象，上提下放沒有效果，立即提出，割開套管，重新順孔下管，不要猶豫，以防孔內(nèi)縮徑、泥漿吸附卡住套管，造成套管下入不到位，成為廢孔。

（6）焊接套管時(shí)要嚴(yán)格把控焊接質(zhì)量，以防漏水。

8 結(jié)語

邱集煤礦地面直排水鉆孔安全施工完成，并在鉆孔垂直度、下設(shè)套管、固井打壓等方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該孔為黃河北煤田第一個(gè)直排水鉆孔，為后續(xù)的同類型鉆孔施工積累了經(jīng)驗(yàn)。