CN103835648A - 一种通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，包括如下步骤：(a)根据地质柱状图提供的地质条件，初步确定注浆参数；(b)安装定向钻机，以拟建井筒中心为中心，在拟建井筒周围钻进注浆孔；利用第一个注浆孔对地层条件及涌水情况进行检验，进行注浆后，观察注浆效果，最终确定注浆参数；(c)利用定向钻机在拟建井筒中心，定向钻进定向孔，定向孔钻进同时勘察地层情况，检验前期注浆效果；定向孔和下部巷道贯通后，检查地层涌水和注浆质量；(d)安装反井钻机；(e)导孔钻进；(f)扩孔钻进；(g)井壁支护。本发明适用于反井钻井井筒所穿过的地层，裂隙发育、含水量较大，反井钻井过程中可能会出现片帮、塌孔或大量涌水的情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种反井钻井工艺，特别涉及一种通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺。
背景技术
现有岩石地层矿井建设工程，多采用普通法凿井施工，需要工作人员下到几百米深的狭小开挖工作面，用钻机机具钻爆破孔、装炸药、工作面爆破、将爆破破碎的岩石通过吊桶提升到地面、工作面排水、然后进行支护等作业。机械化水平低、劳动力投入多、工作环境艰苦、安全条件差、事故时有发生，且爆破对围岩扰动较大，原岩应力变化大，支护困难。其中装岩、排水等工序占总施工时间的三分之一到三分之二，施工速度慢(30-40m/月)。在实际施工过程中，由于这些矿井井筒工程有约20％具有下部巷道(隧道)，因此可以采用反井钻机施工。反井钻井施工工艺具有劳动强度低、成井质量好、速度快、工效高及人身安全有可靠地保障等优点。但是，现有的普通反井钻技术是通过导孔钻进、扩孔钻进完成一个小直径的井筒(1-3m)，不能满足井筒功能要求，需要经过一次或多次刷井作业，其和普通法凿井有许多类似之处，都需布置提绞设备和井架，在井内铺设压风、供水、下料等各种管线，在刷井过程中靠打眼放炮破碎岩石，进行临时支护和永久支护。井筒中除布置吊盘外，还有封闭溜矸石孔的封口盘，其施工工序为打眼爆破-清除岩渣(岩渣通过溜矸孔溜到下水平)-临时支护-永久支护。
但是，现有技术的反井钻井工艺在施工过程中，如果遇到软弱地层，如：反井钻井井筒所穿过的地层裂隙发育、含水量较大，则反井钻井过程中可能会出现片帮、塌孔或大量涌水，严重时会导致井塌，造成安全生产事故。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，适用于反井钻井井筒所穿过的地层裂隙发育、含水量较大，避免反井钻井过程中出现片帮、塌孔或大量涌水等情况。
本发明的技术方案是这样实现的：一种通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，包括如下步骤：
(a)根据地质柱状图提供的地质条件，初步确定注浆参数【包括注浆起止深度，注浆孔的数量，注浆终压、注浆材料等】；
(b)安装定向钻机，以拟建井筒中心为中心，在拟建井筒周围钻进注浆孔；利用第一个注浆孔对地层条件及涌水情况进行检验，进行注浆后，观察注浆效果，最终确定注浆参数；
固管、岩帽与破碎带加固需采用单液水泥浆，水灰比为1.25∶1～0.6∶1；单液水泥浆中含有P.O 32.5硅酸盐水泥、食盐和三乙醇胺，食盐用量为P.O 32.5硅酸盐水泥质量的千分之五，三乙醇胺用量为P.O 32.5硅酸盐水泥质量的千分之零点五。另外，为提高单液水泥浆性能，浆液中加入BR增强添加剂，掺杂量为P.O 32.5硅酸盐水泥质量的百分之八至百分之十二。
风化基岩段控制注浆时适量选用C-S双液浆；C-S双液浆由水泥浆、水玻璃和BR增强添加剂组成，水泥浆与水玻璃的体积比为1∶1，水泥浆水灰比为1.25∶1～0.5∶1，BR增强添加剂掺量为水泥质量的百分之八至百分之十二，水玻璃模数为2.4-3.4，水玻璃波美度为30-45°Bé。
岩帽以下的普通基岩注浆段采用粘土水泥浆，粘土水泥浆由水、P.O 32.5硅酸盐水泥、粘土和水玻璃组成，粘土的塑性指数为10-25，粘土中含砂量小于5％(质量分数)；水玻璃模数为3.0-3.4，水玻璃波美度为38-40°Bé；水泥加入量为每立方米粘土水泥浆加入100-300kg，粘土水泥浆比重为1.15-1.30，水玻璃加入量为每立方米粘土水泥浆加入10-15L。如遇孔隙性水等特殊施工条件，将采用化学注浆的方法。
(c)利用定向钻机在拟建井筒中心，定向钻进定向孔，定向孔钻进同时勘察地层情况，检验前期注浆效果；定向孔和下部巷道贯通后，检查地层涌水和注浆质量；
(d)安装反井钻机；
(e)导孔钻进；
(f)扩孔钻进；
(g)井壁支护。
上述通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，在步骤(b)中：以拟建井筒中心为中心，在拟建井筒周围钻进注浆孔。
上述通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，注浆孔分布在以拟建井筒中心为圆心的圆周上。
上述通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，圆周为两个或两个以上，每个圆周上的注浆孔孔均匀分布。
上述通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，注浆孔的钻进及注浆采用由外向内施工：即先在外圈圆周上钻进注浆孔及注浆，然后再在内圈圆周上钻进注浆孔及注浆。
上述通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，在步骤(c)中：首先定向钻进直径120mm定向孔，地层涌水和注浆质量符合施工要求时，由上向下扩大钻孔，利用定向钻机使得定向孔的直径大于等于216mm。
上述通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，在步骤(d)和步骤(e)中：定向钻孔扩大完成后，拆除定向钻机，安装导孔直径为280mm的ZFY5.0/600型反井钻机，继续扩大导孔，达到所需要的导孔直径。
上述通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，在步骤(f)中：导孔和下部巷道贯通后，拆掉导孔钻头，连接扩孔钻头，由下向上扩孔钻进；孔口钻头露出地面后，拆掉反井钻机，提出扩孔钻头。
上述通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，在步骤(g)中：反井钻井成井后，利用井架和提绞设备，井筒内设置吊盘，通过配备一套单钩提升系统担负下放材料和人员功能，用整体式金属模板砌壁，无缝钢管下放混凝土，浇筑井壁；对于稳定地层，利用进行锚杆喷浆支护，完成井筒全部作业。
本发明的有益效果是：本发明适用于反井钻井井筒所穿过的地层裂隙发育、含水量较大，反井钻井过程中可能会出现片帮、塌孔或大量涌水的情况。本发明的技术方案预先钻进注浆孔及选择注浆材料进行处理，通过加固提高岩体的力学性能，形成帷幕，封堵地层涌水。
附图说明
图1为本发明通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺的注浆改性施工示意图；
图2为本发明通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺的反井钻机扩大导孔施工示意图；
图3为本发明通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺的扩孔钻进成井施工示意图；
图4为钻孔平面布置及注浆帷幕理想交圈图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本实施例一种通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，在山西晋城赵庄西范进行反井钻进试验，包括如下步骤：
(a)根据地质柱状图提供的地质条件，初步确定注浆参数；
(b)安装定向钻机，以拟建井筒中心为中心，在拟建井筒周围钻进注浆孔；利用第一个注浆孔对地层条件及涌水情况进行检验，进行注浆后，观察注浆效果，最终确定注浆参数；本实施例中以拟建井筒中心为中心，在拟建井筒周围钻进注浆孔；注浆孔分布在以拟建井筒中心为圆心的圆周上，如图4所示，圆周为两个或两个以上，每个圆周上的注浆孔孔均匀分布。注浆孔的钻进及注浆采用由外向内施工：即先在外圈圆周上钻进注浆孔及注浆，然后再在内圈圆周上钻进注浆孔及注浆。
注浆起止深度即套管深度，需要根据含水层的位置、基岩风化带的深度与特征等因素确定【本领域技术人员根据现有技术可以根据实际情况具体确定，在此无须赘述】，套管应穿过强风化带进入完整的弱风化带或完整基岩。考虑到注浆施工时即要减少对临近矿井、巷道的影响，又要保证在控制浆液条件下形成有效的止水帷幕且保证注浆质量，一般设计4-6个注浆孔，布孔圈径为
，钻孔在地面均匀布置。如图4所示，施工时以两台钻机分两序进行，1、3孔为I序，2、4孔为II序。
预注浆施工过程中必须控制注浆压力，避免地面跑浆和对附近地下建、构筑物的破坏。因此岩帽段终压控制在静水压力1.5倍，岩帽以下风化基岩段单液浆注浆压力也控制在静水压力1.5倍；粘土水泥浆I序孔注浆压力按静水压力1.6～2.0倍，II序孔注浆压力按静水压力1.8～2.2倍。
固管、岩帽与破碎带加固采用单液水泥浆，水灰比为1.25∶1～0.6∶1；在单液水泥浆中：食盐用量为P.O 32.5硅酸盐水泥质量的千分之五，三乙醇胺用量为P.O 32.5硅酸盐水泥质量的千分之零点五，BR增强添加剂掺量为P.O32.5硅酸盐水泥质量的百分之八至百分之十二；
风化基岩段控制注浆时用C-S双液浆；C-S双液浆由水泥浆、水玻璃和BR增强添加剂组成，水泥浆与水玻璃的体积比为1∶1，水泥浆水灰比为1.25∶1～0.5∶1，BR增强添加剂掺量为水泥质量的百分之八至百分之十二，水玻璃模数为2.4-3.4，水玻璃波美度为30-45°Bé；
岩帽以下的普通基岩注浆段采用粘土水泥浆，粘土水泥浆由水、P.O 32.5硅酸盐水泥、粘土和水玻璃组成，粘土的塑性指数为10-25，粘土中含砂量小于5wt％；水玻璃模数为3.0-3.4，水玻璃波美度为38-40°Bé；水泥加入量为每立方米粘土水泥浆加入100-300kg，粘土水泥浆比重为1.15-1.30，水玻璃加入量为每立方米粘土水泥浆加入10-15L。
(c)利用定向钻机在拟建井筒中心，首先定向钻进直径120mm定向孔，定向孔钻进同时勘察地层情况，检验前期注浆效果；定向孔和下部巷道贯通后，检查地层涌水和注浆质量；地层涌水和注浆质量符合施工要求时，由上向下扩大钻孔，利用定向钻机使得定向孔的直径大于等于216mm。
(d)安装反井钻机：定向钻孔扩大完成后，拆除定向钻机，安装导孔直径为280mm的ZFY5.0/600型反井钻机。
(e)导孔钻进：继续扩大导孔，达到所需要的导孔直径。
(f)扩孔钻进：导孔和下部巷道贯通后，拆掉导孔钻头，连接扩孔钻头，由下向上扩孔钻进；孔口钻头露出地面后，拆掉反井钻机，提出扩孔钻头。
(g)井壁支护。反井钻井成井后，利用井架和提绞设备，井筒内设置吊盘，通过配备一套单钩提升系统担负下放材料和人员功能，用整体式金属模板砌壁，无缝钢管下放混凝土，浇筑井壁；对于稳定地层，利用进行锚杆喷浆支护，完成井筒全部作业。
在山西晋城赵庄西范进行反井钻进的试验结果表明：钻井深度为539米，钻井直径1.8米，偏斜率为0.196％；反井钻井过程中没有出现片帮、塌孔或大量涌水的情况；井孔无明显涌水和漏水，反井成孔后裸孔无较大塌块，反井施工后直接进入支护环节。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(a)根据地质柱状图提供的地质条件，初步确定注浆参数；
(b)安装定向钻机，以拟建井筒中心为中心，在拟建井筒周围钻进注浆孔；利用第一个注浆孔对地层条件及涌水情况进行检验，进行注浆后，观察注浆效果，最终确定注浆参数；
(c)利用定向钻机在拟建井筒中心，定向钻进定向孔，定向孔钻进同时勘察地层情况，检验前期注浆效果；定向孔和下部巷道贯通后，检查地层涌水和注浆质量；
(d)安装反井钻机；
(e)导孔钻进；
(f)扩孔钻进；
(g)井壁支护。
2.根据权利要求1所述的通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(b)中：以拟建井筒中心为中心，在拟建井筒周围钻进注浆孔。
3.根据权利要求2所述的通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，其特征在于，注浆孔分布在以拟建井筒中心为圆心的圆周上。
4.根据权利要求3所述的通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，其特征在于，圆周为两个或两个以上，每个圆周上的注浆孔孔均匀分布。
5.根据权利要求4所述的通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，其特征在于，注浆孔的钻进及注浆采用由外向内施工：即先在外圈圆周上钻进注浆孔及注浆，然后再在内圈圆周上钻进注浆孔及注浆。
6.根据权利要求1-5任一所述的通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(b)中：
固管、岩帽与破碎带加固采用单液水泥浆，水灰比为1.25∶1～0.6∶1；在单液水泥浆中：食盐用量为P.O 32.5硅酸盐水泥质量的千分之五，三乙醇胺用量为P.O 32.5硅酸盐水泥质量的千分之零点五，BR增强添加剂掺量为P.O32.5硅酸盐水泥质量的百分之八至百分之十二；
风化基岩段控制注浆时用C-S双液浆；C-S双液浆由水泥浆、水玻璃和BR增强添加剂组成，水泥浆与水玻璃的体积比为1∶1，水泥浆水灰比为1.25∶1～0.5∶1，BR增强添加剂掺量为水泥质量的百分之八至百分之十二，水玻璃模数为2.4-3.4，水玻璃波美度为30-45°Bé；
岩帽以下的普通基岩注浆段采用粘土水泥浆，粘土水泥浆由水、P.O 32.5硅酸盐水泥、粘土和水玻璃组成，粘土的塑性指数为10-25，粘土中含砂量小于5wt％；水玻璃模数为3.0-3.4，水玻璃波美度为38-40°Bé；水泥加入量为每立方米粘土水泥浆加入100-300kg，粘土水泥浆比重为1.15-1.30，水玻璃加入量为每立方米粘土水泥浆加入10-15L。
7.根据权利要求1-5任一所述的通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(c)中：首先定向钻进直径120mm定向孔，地层涌水和注浆质量符合施工要求时，由上向下扩大钻孔，利用定向钻机使得定向孔的直径大于等于216mm。
8.根据权利要求7所述的通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(d)和步骤(e)中：定向钻孔扩大完成后，拆除定向钻机，安装导孔直径为280mm的ZFY5.0/600型反井钻机，继续扩大导孔，达到所需要的导孔直径。
9.根据权利要求8所述的通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(f)中：导孔和下部巷道贯通后，拆掉导孔钻头，连接扩孔钻头，由下向上扩孔钻进；孔口钻头露出地面后，拆掉反井钻机，提出扩孔钻头。
10.根据权利要求9所述的通过地面注浆改善岩层性能反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(g)中：反井钻井成井后，利用井架和提绞设备，井筒内设置吊盘，通过配备一套单钩提升系统担负下放材料和人员功能，用整体式金属模板砌壁，无缝钢管下放混凝土，浇筑井壁；对于稳定地层，利用进行锚杆喷浆支护，完成井筒全部作业。
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