CN103835661A - 一种局部开挖预支护反井钻井工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种局部开挖预支护反井钻井工艺，包括如下步骤：(a)地质资料分析；(b)地层开挖；(c)混凝土回填；(d)安装反井钻机；(e)导孔钻进；(f)扩孔钻进；(g)井壁支护。本发明在反井钻机进场前预先对软弱地层进行开挖、置换、加固、预支护，以增强地基承载力或控制地表不均匀变形，使得能够安全地完成反井钻井。适用于反井上部基岩软弱、风化、不稳定，难以支撑反井钻机自重和扩孔钻进时对地层的压力，或者上部地层有风机、风道、安全通道等对地表不均匀沉降敏感结构。

Description

一种局部开挖预支护反井钻井工艺
技术领域
本发明涉及一种钻井工艺，特别涉及一种局部开挖预支护反井钻井工艺。
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。
另外，现有技术的反井钻井工艺不能适用于如下条件：(1)在反井上部基岩软弱、风化、不稳定，难以支撑反井钻机自重和和钻头钻进时工作面拉力作用；(2)上部地层有风机、风道、安全通道等对地表不均匀沉降敏感结构。
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适用于反井上部基岩难以支撑反井钻机自重和扩孔钻进时对地层的压力及上部地层具有对地表不均匀沉降敏感的结构的局部开挖预支护反井钻井工艺。
本发明的技术方案是这样实现的：一种局部开挖预支护反井钻井工艺，包括如下步骤：
(a)地质资料分析；
(b)地层开挖；
(c)混凝土回填；
(d)安装反井钻机；
(e)导孔钻进；
(f)扩孔钻进；
(g)井壁支护。
上述局部开挖预支护反井钻井工艺，在步骤(a)中：分析地质、设计部门提供的地质资料，施工之前在井筒附近打工程检查孔，并收集临近开凿的井筒或其它基础工程和水井的地质及水文情况【本发明技术方案适用于当表土层或不稳定地层厚度在30m之内时，下部岩石稳定，且用水量不超过20m2／h的情况】。
上述局部开挖预支护反井钻井工艺，在步骤(b)中：采用人工开挖或者小型挖掘机开挖，矸石装入吊桶提吊到地面堆放，并运出场地；采用喷射机喷射混凝土作为初衬，在混凝土中粗骨料与细骨料按照质量比为1：4的比例搅拌均匀，并按0.4-0.5水灰比加水进行搅拌，拌好的混凝土用喷射机进行喷射；待挖到稳定基岩层后，在下部进行内扩，做钢筋混凝土壁座，并由下往上一次套壁一次浇筑钢筋混凝土井颈，井颈上部标高与地面基础平齐。
上述局部开挖预支护反井钻井工艺，在步骤(c)中：在支护完成好的井筒内部，通过浇筑低标号为C15～C20的骨料混凝土，骨料粒径为5mm～10mm，回填到地面标高。
上述局部开挖预支护反井钻井工艺，在步骤(d)中：将反井钻机通过地脚螺栓安装在基础上，调整反井钻机机架与基础面垂直度，安装地脚螺栓，这样可以有效地防止钻孔偏移震动对钻杆钻头等设备损坏；浇筑二次混凝土，混凝土达到28天强度的40％后开始钻进导孔。
上述局部开挖预支护反井钻井工艺，在步骤(e)中：使用ZFY5.0／600型反井钻机并用Φ318钻杆带动三牙轮钻头钻凿导孔，钻进过程利用泥浆泵将钻井液通过钻杆输送到三牙轮钻头冲洗口，按照压气正循环原理，将工作面岩屑携带到地面，在地面将泥浆和岩屑分离，泥浆循环利用；在导孔钻进过程中，每钻进50m，用测斜仪测量钻孔的偏斜度，如果偏斜超过5‰，用螺杆钻具及时纠偏，保证成孔偏斜率小于1％。导孔的作用是将钻具下放到下水平，以便连接扩孔钻头。导孔破岩量虽然只占总破岩量的2.5％左右或更小，但导孔钻进关系到钻孔的质量，是反井施工的关键，导孔的垂直度决定了钻孔的偏斜率。
上述局部开挖预支护反井钻井工艺，在步骤(f)中：在导孔钻进的同时，将将扩孔钻头和钻头拆装工具，通过下部巷道运输到预定位置；当导孔钻透到下部巷道以后，通过井上井下联系，上下配合将导孔钻头拆下，安装上大直径扩孔钻头；扩孔钻头上的破岩滚刀在钻杆拉力和扭矩驱动下，对岩石进行挤压、冲击破碎岩石，形成钻孔；岩屑靠自重落到下水平巷道，用皮带机或装载机运走；扩孔时通过钻杆进入钻头中心管，通过喷嘴冷却破岩滚刀。
上述局部开挖预支护反井钻井工艺，在步骤(g)中：反井钻井成井后，利用加设的井架和提绞设备，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。
上述局部开挖预支护反井钻井工艺，作为初衬的混凝土坍落度为8cm。
本发明的有益效果是：
本发明的技术方案将钻机基础坐落在稳定基岩之上，确保钻机、钻杆等主要部件的安全，保证了工程顺利实施。地层变形控制好，较好减少了地层沉降对风机机房设备、既有安全出口和风道的影响。
本发明局部开挖预支护反井钻井工艺，在反井钻机进场前预先对软弱地层进行开挖、置换、加固、预支护，以增强地基承载力或控制地表不均匀变形，安全的完成反井钻井。适用于反井上部基岩软弱、风化、不稳定，难以支撑反井钻机自重和扩孔钻进时对地层的压力，或者上部地层有风机、风道、安全通道等对地表不均匀沉降敏感结构。
本发明解决了普通法凿井机械化水平低、劳动力投入多、工作环境艰苦、安全条件差、成井速度慢的问题。相对普通反井法，通过全断面一次扩孔成井，避免了多次刷井，工序复杂、施工速度慢、施工成本高等问题，同时减少了工人劳动强度和进行作业时间，提高安全度。
附图说明
图1为本发明局部开挖预支护反井钻井工艺的开挖施工示意图；
图2为本发明局部开挖预支护反井钻井工艺的浇筑混凝土施工示意图；
图3为本发明局部开挖预支护反井钻井工艺导孔完成后的扩孔施工示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1至图3所示，本实施例一种局部开挖预支护反井钻井工艺在山西晋城市王台铺煤矿进行辅助回风井反井施工试验，包括如下步骤：
(a)地质资料分析
分析地质、设计部门提供的地质资料，施工之前在井筒附近打工程检查孔，并收集临近开凿的井筒或其它基础工程和水井的地质及水文情况【本发明技术方案适用于当表土层或不稳定地层厚度在30m之内时，下部岩石稳定，且用水量不超过20m2／h的情况】。
(b)地层开挖
采用人工开挖或者小型挖掘机开挖，矸石装入吊桶提吊到地面堆放，并运出场地；采用喷射混凝土作为初衬，混凝土中粗骨料与细骨料按照质量比为1：4的比例搅拌均匀，并按0.4水灰比加水进行搅拌，拌好的混凝土坍落度为8cm，用喷射机进行喷射；待挖到稳定基岩层后，在下部进行内扩，做钢筋混凝土壁座，并由下往上一次套壁一次浇筑钢筋混凝土井颈，井颈上部标高与地面基础平齐。
开挖提绞设备包括汽车起重机、三角架和简易龙门架。用汽车起重机提升井下矸石，它是移动式的提升设备，机动灵活，不必另立井架，井口布置简单。由于汽车起重机提升能力较小，只能提升浅部的表土，一般配0.5～1.0m3的小吊桶。三角架是用三根无缝钢管，每根上焊接一块搭接钢板，并连接成一整体，管子底部焊一10mm左右厚的钢板，用螺栓与基础固定。三角架高度根据提升要求确定，使用1m3左右的吊桶，适用于提升高度小于20m的井筒。简易龙门架提升，它是由立柱和横梁组成的门式框架，配以凿井绞车和1.5～2.03m3的吊桶。
(c)混凝土回填
在支护完成好的井筒内部，通过浇筑低标号为C15～C20的骨料混凝土，骨料粒径为5mm～10mm，回填到地面标高。
(d)安装反井钻机
将反井钻机通过地脚螺栓安装在基础上，调整反井钻机机架与基础面垂直度，安装地脚螺栓，浇筑二次混凝土，混凝土达到28天强度的40％后开始钻进导孔。
(e)导孔钻进
使用ZFY5.0／600型反井钻机并用Φ318钻杆带动三牙轮钻头钻凿导孔，钻进过程利用泥浆泵将钻井液通过钻杆输送到三牙轮钻头冲洗口，按照压气正循环原理，将工作面岩屑携带到地面，在地面将泥浆和岩屑分离，泥浆循环利用；在导孔钻进过程中，每钻进50m，用测斜仪测量钻孔的偏斜度，如果偏斜超过5‰，用螺杆钻具及时纠偏，保证成孔偏斜率小于1％。
(f)扩孔钻进
在导孔钻进的同时，将将扩孔钻头和钻头拆装工具，通过下部巷道运输到预定位置；当导孔钻透到下部巷道以后，通过井上井下联系，上下配合将导孔钻头拆下，安装上大直径扩孔钻头；扩孔钻头上的破岩滚刀在钻杆拉力和扭矩驱动下，对岩石进行挤压、冲击破碎岩石，形成钻孔；岩屑靠自重落到下水平巷道，用皮带机或装载机运走；扩孔时通过钻杆进入钻头中心管，通过喷嘴冷却破岩滚刀。
(g)井壁支护
反井钻井成井后，利用加设的井架和提绞设备，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。
表1山西晋城市王台铺煤矿辅助回风井反井施工试验
工程名称 王台铺回风井
钻机型号 ZFY5.0／600
地质条件 煤系地层、砂岩为主
导孔深度／m 165
扩孔深度／m 165
钻孔倾角／° 90
导孔直径／mm 350
扩孔直径／m 5
自开钻至完工所用时间／d 74
导孔偏斜／mm 100
导孔偏斜率／％ <0.1％
导孔时间／d 10
导孔纯钻进用时／h 113.8
扩孔时间／d 32
扩孔纯钻进用时／h 294.7
实际导孔平均钻速/m·h-1 1.2
实际扩孔平均钻速／m·h-1 0.38
月成井速度／m 270
实施例2
如图1至图3所示，本实施例一种局部开挖预支护反井钻井工艺在山西古县兰花宝欣煤矿进行辅助回风立井反井施工试验，包括如下步骤：
(a)地质资料分析
分析地质、设计部门提供的地质资料，按照井筒附近工程检查孔描述的地质柱状图，施工之前在井筒附近打工程检查孔，并收集临近开凿的井筒或其它基础工程和水井的地质及水文情况，土或不稳定地层厚度在30m之内时，下部岩石稳定，且用水量不超过20m2／h。
(b)地层开挖
采用人工开挖或者小型挖掘机开挖，矸石装入吊桶提吊到地面堆放，并运出场地；采用喷射机喷射混凝土作为初衬，在混凝土中粗骨料与细骨料按照质量比为1：4的比例搅拌均匀，并按0.5水灰比加水进行搅拌，拌好的混凝土坍落度为8cm，用喷射机进行喷射；待挖到稳定基岩层后，在下部进行内扩，做钢筋混凝土壁座，并由下往上一次套壁一次浇筑钢筋混凝土井颈，井颈上部标高与地面基础平齐。
开挖提绞设备包括汽车起重机、三角架和简易龙门架。用汽车起重机提升井下矸石，它是移动式的提升设备，机动灵活，不必另立井架，井口布置简单。由于提升能力较小，只能提升浅部的表土，一般配0.5～1.0m3的小吊桶。三角架是用三根无缝钢管，每根上焊接一块搭接钢板，并连接成一整体，管子底部焊一10mm左右厚的钢板，用螺栓与基础固定。三角架高度根据提升要求确定，使用1m3左右的吊桶，适用于提升高度小于20m的井筒。简易龙门架提升，它是由立柱和横梁组成的门式框架，配以凿井绞车和1.5～2.03左右的吊桶。
(c)混凝土回填
在支护完成好的井筒内部，通过浇筑低标号为C15～C20的骨料混凝土，骨料粒径为5mm～10mm，回填到地面标高。
(d)安装反井钻机
将反井钻机通过地脚螺栓安装在基础上，调整反井钻机机架与基础面垂直度，安装地脚螺栓，浇筑二次混凝土，混凝土达到28天强度的40％以上后开始钻进导孔。
(e)导孔钻进
使用ZFY5.0／600型反井钻机并用Φ318钻杆带动三牙轮钻头钻凿导孔，钻进过程利用泥浆泵将钻井液通过钻杆输送到三牙轮钻头冲洗口，按照压气正循环原理，将工作面岩屑携带到地面，在地面将泥浆和岩屑分离，泥浆循环利用；在导孔钻进过程中，每钻进50m，用测斜仪测量钻孔的偏斜度，如果偏斜超过5‰，用螺杆钻具及时纠偏，保证成孔偏斜率小于1％。
(f)扩孔钻进
在导孔钻进的同时，将将扩孔钻头和钻头拆装工具，通过下部巷道运输到预定位置；当导孔钻透到下部巷道以后，通过井上井下联系，上下配合将导孔钻头拆下，安装上大直径扩孔钻头；扩孔钻头上的破岩滚刀在钻杆拉力和扭矩驱动下，对岩石进行挤压、冲击破碎岩石，形成钻孔；岩屑靠自重落到下水平巷道，用皮带机或装载机运走；扩孔时通过钻杆进入钻头中心管，通过喷嘴冷却破岩滚刀。
(g)井壁支护
反井钻井成井后，利用加设的井架和提绞设备，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。
表2山西古县兰花宝欣煤矿辅助回风立井反井施工试验
工程名称 兰花宝欣回风井
钻机型号 ZFY5.0／600
地质条件 煤系地层、砂岩为主
导孔深度／m 482.2
扩孔深度／m 482.2
钻孔倾角／° 90
导孔直径／mm 350
扩孔直径／m 5
自开钻至完工所用时间／d 118
导孔偏斜／mm 1000
导孔偏斜率／％ <0.2％
导孔时间／d 25
导孔纯钻进用时／h 215
扩孔时间／d 46
扩孔纯钻进用时／h 480
实际导孔平均钻速／m·h-1 1.8
实际扩孔平均钻速／m·h-1 0.837
月成井速度／m 251
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 (9)

1.一种局部开挖预支护反井钻井工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(a)地质资料分析；
(b)地层开挖；
(c)混凝土回填；
(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所述的一种局部开挖预支护反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(a)中：分析地质、设计部门提供的地质资料，施工之前在井筒附近打工程检查孔，并收集临近开凿的井筒或其它基础工程和水井的地质及水文情况。
3.根据权利要求1所述的一种局部开挖预支护反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(b)中：采用人工开挖或者小型挖掘机开挖，矸石装入吊桶提吊到地面堆放，并运出场地；采用湿喷机喷射混凝土作为初衬，在混凝土中粗骨料与细骨料按照质量比为1：4的比例搅拌均匀，并按0.4-0.5水灰比加水进行搅拌，拌好的混凝土用喷射机进行喷射；待挖到稳定基岩层后，在下部进行内扩，做钢筋混凝土壁座，并由下往上一次套壁一次浇筑钢筋混凝土井颈，井颈上部标高与地面基础平齐。
4.根据权利要求1所述的一种局部开挖预支护反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(c)中：在支护完成好的井筒内部，通过浇筑低标号为C15～C20的骨料混凝土，骨料粒径为5mm～10mm，回填到地面标高。
5.根据权利要求1所述的一种局部开挖预支护反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(d)中：将反井钻机通过地脚螺栓安装在基础上，调整反井钻机机架与基础面垂直度，安装地脚螺栓，浇筑二次混凝土，混凝土达到28天强度的40％以上后开始钻进导孔。
6.根据权利要求1所述的一种局部开挖预支护反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(e)中：使用ZFY5.0／600型反井钻机并用Φ318钻杆带动三牙轮钻头钻凿导孔，钻进过程利用泥浆泵将钻井液通过钻杆输送到三牙轮钻头冲洗口，按照压气正循环原理，将工作面岩屑携带到地面，在地面将泥浆和岩屑分离，泥浆循环利用；在导孔钻进过程中，每钻进50m，用测斜仪测量钻孔的偏斜度，如果偏斜超过5‰，用螺杆钻具及时纠偏，保证成孔偏斜率小于1％。
7.根据权利要求1所述的一种局部开挖预支护反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(f)中：在导孔钻进的同时，将将扩孔钻头和钻头拆装工具，通过下部巷道运输到预定位置；当导孔钻透到下部巷道以后，通过井上井下联系，上下配合将导孔钻头拆下，安装上大直径扩孔钻头；扩孔钻头上的破岩滚刀在钻杆拉力和扭矩驱动下，对岩石进行挤压、冲击破碎岩石，形成钻孔；岩屑靠自重落到下水平巷道，用皮带机或装载机运走；扩孔时通过钻杆进入钻头中心管，通过喷嘴冷却破岩滚刀。
8.根据权利要求1所述的一种局部开挖预支护反井钻井工艺，其特征在于，在步骤(g)中：反井钻井成井后，利用加设的井架和提绞设备，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。
9.根据权利要求3所述的一种局部开挖预支护反井钻井工艺，其特征在于，作为初衬的混凝土坍落度为8cm。
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