特殊凿井技术的发展与展望

特殊凿井技术的发展与展望

岳双

中煤第三建设（集团）有限责任公司中煤特凿淮北冻结工程处安徽省淮北市235099

摘要：随着我国煤炭资源的开发，特殊凿井技术有了很大的发展。钻机设备、泥浆制备、废浆处理等关键技术均有较大突破；我国深厚冲积层建井技术主要是靠冻结法和钻井法，冻结法施工穿过不稳定冲积层的厚度已达到674.5m，在含水基岩地层中的冻结深度已达到950m，均达到世界领先水平。仍有众多难题亟待解决。文中总结了冻结法和钻井法凿井的最新技术进步，并对今后特殊凿井技术发展的方向进行了探讨。

关键词：特殊凿井；冻结法凿井；钻井法凿井；新发展

在表土不稳定含水地层中开凿竖井井筒，为了保证开凿围岩的稳定，必须采取特殊的方法进行施工。为适应特殊困难条件下建井的需求,产生了冻结法、钻井法、注浆法、帷幕法、沉井法、板桩法等特殊凿井方法。对于几米或几十米的表土不稳定含水层，可采用降低水位、板桩、帷幕和沉井等一般地下工程的施工方法，但厚度达百米以上的表土不稳定含水层，上述方法就难以实现。首先开工的龙固矿井主井井筒采用钻井法施工，钻井深度达582.75m；副井井筒采用冻结法施工，冻结深度达650m。龙固矿井井筒的顺利建成是我国煤矿立井井筒特殊凿井技术发展的重要里程碑，为深厚冲积层条件下立井井筒的施工提供了丰富的实践经验。2013年建成的龙固矿井北风井井筒穿过的不稳定冲积层厚度达到674.5m，冻结深度为730m，创造了我国煤矿建井史上冻结法凿井技术发展又一个里程碑，达到国内领先、世界先进水平。

1、特殊凿井技术现状及新发展

1.1冻结法关键技术现状

通过冻结壁温度场、冻土物理力学性能试验、冻结井筒地压及井壁受力实测、竖向附加力、混凝土井壁的养护温度及壁后冻土融化与回冻特性、外层井壁整体受力性能试验等一系列研究,解决了近600m冲积层深井冻结的冻结壁、井壁设计等关键技术,研究成果达到国际领先水平。

1.1.1冻结法施工技术

采用新型大容量螺杆双级压缩制冷机组，淘汰了以往的活塞式压缩制冷机组；三圈或四圈孔冻结方案对于冲积层厚度>500m的立井井筒施工是成功的，双圈孔或主冻结孔加辅助孔冻结方案对400m左右冲积层立井井筒施工是行之有效的；信息化施工管理为深厚冲积层安全施工提供了技术支持，对多圈管冻结温度场进行实时分析，控制多圈管冻结壁的发展，确保深井冻结方案的安全可靠；深井冻结壁厚度设计应以深部粘土层为控制层位，采用多种理论计算公式、有限段高公式计算、工程类比和数值计算综合分析的方法；提高机械化水平，采用挖掘机挖土、人工风镐开帮，挖掘机或中心回转抓岩机装罐，有效地缩短井帮暴露时间，改善安全环境，提高施工速度；混凝土标号由C55提高到了C75，减薄了深厚冲积层立井井壁的厚度；研发并应用了内层可缩冻结井壁，有效防止内层井壁因土层沉降而破坏。

1.2钻井法关键技术现状

通过大型钻机及其配套设备研制、破岩刀具钻进工艺与参数、泥浆护壁、井壁设计及其工艺等一系列技术攻关,成功解决了近600m深井钻井的钻井工艺、井壁设计、泥浆护壁等关键技术,研究成果达到国际领先水平。

1.2.1钻井法施工技术

AD130/1000型钻机，该钻机的性能取得重大突破：钻井直径由原来的最大直径Φ9m提高到Φ13m；最大钻进深度由原来的500m提高到1000m；Φ9.0m钻进原来需进行四级钻进，现仅需两级钻进；钻机旋转扭矩由300kNm提高到600kNm；额定提升力由3000kN提高到7000kN；纯钻进速度达到AS-9/500钻机1.5倍以上，钻井总工期压缩至相当于AS-9/500钻机总工期的60%以下，500m以上深井、大井钻井总工期比冻结法施工短。依靠钻井井壁的预制采用钢模板和下沉井壁采用误差消除法，使成井垂直度由原来的0.8‰提高到0.4‰；可缩井壁的研发和应用，解决了井壁因疏排水地层沉降而造成竖向破坏的难题；井壁混凝土标号由原来的C55提高到C75，钢板混凝土复合井壁的应用，减薄了井壁厚度；井壁的竖向失稳问题从理论上得到解决，为钻凿千米深井打下了基础；柔性钻具组合技术、打捞技术进步，达到了少掉钻、不掉钻和快速处理掉钻事故的目的；AS-9/500G型钻机经改造后，钻孔直径从9m提高到11m，钻井深度由500m提高到800m；L40/1000型钻机由钻孔直径8.0m提高到10m；研制了配套钻井的专用双梁门式起重机，提升力达到400t，是原来的提吊200t的两倍。

2、存在的主要问题

目前，我国的钻井技术综合能力已处于国际领先水平，钻井设备能力也是世界一流。中煤矿山建设集团有限责任公司拥有AS－13/900型AD－13/1000钻机各一台，华煤集团有限公司拥有AS12/800、AS12/900钻机两台，均是国际上设备能力最大、性能最先进的钻机，其设备均可钻凿900～1000m左右的井筒，最大钻井直径可达到13m。但由于钻井法特殊的施工工艺，受井壁悬浮下沉要求、井壁下沉过程中的竖向稳定性、壁后充填效果的检测手段等限制，钻井法在近千米冲积层中建井安全施工的可控性较差。而在内蒙古、陕西等地区，其井筒穿过的含水基岩厚度均在600～700m左右，现有的钻机能力可以满足要求。在钻进护壁泥浆技术和废浆固化技术成熟的前提下，可以逐步在西部地区实施钻井法施工。

3、解决方向

根据我国目前的煤矿立井井筒特殊凿井技术水平，曹县煤田和阳谷—茬平煤田部分矿井的开发建设还有一些关键技术问题亟待研究解决。为保证井筒的顺利建设，必须提前做好技术研发储备工作，依托万福矿井即将进行的建井实践，加大科研课题的投入，加强模拟实验、理论研究和现场实测的联系，进行冻结施工相关设备的研制等工作。建议积极开展以下工作的研究。

3.1井壁技术

3.1.1内层井壁:“CF100～CF120钢骨+高强钢筋混凝土”井壁技术。

3.1.2外层井壁:“铸钢（铁）丘宾筒+纤维高强钢筋混凝土”井壁技术。

3.1.3内层可缩井壁技术。

3.2冻结技术

3.2.1冻结壁设计及施工技术。

3.2.2冻结管防断裂技术。

3.2.3超低温（－40℃以下）冷冻技术及工艺。

3.2.4冻结方案优化

结语

巨厚不稳定冲积层或含水基岩特殊凿井技术的研究是我国煤矿建井技术发展的前提，随着煤炭开采向深部发展和开发深部煤田，井筒的冻结深度将达到千米以上。因此，建议在总结经验的基础上，加大科研开发力度，由有关部门组织建设施工等单位联合攻关、共同协作以上工艺技术的研究并进行工业性试验。该项技术的突破，必将使我国煤矿立井特殊凿井技术保持国际的领先水平，对煤炭工业的发展做出更大的贡献。

参考文献

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