西部地区钻井法凿井壁后充填研究

西部地区钻井法凿井壁后充填研究

刘伟军

中煤特殊凿井有限责任公司   安徽省合肥市    230001

摘要：某煤矿回风立井井筒所处地层具有自身稳定性差、围岩变形小、富含水等特点，壁后充填质量好坏将直接影响矿井的安全生产。本文从工艺流程、防堵管技术措施、冬季施工措施和现场实施等方面开展西部地区钻井法凿井壁后充填研究。

关键词：西部地区；某煤矿；壁后充填；安全生产

概述

某煤矿回风立井井筒位于陕西省榆林市榆阳区西部，其井筒净直径6.0m，净断面28.26m2，设计深度511.19m。该项目施工使用AD130/1000型竖井钻机，采用“一扩成孔”工艺。在钻井井壁安装完成后，进行壁后充填。

西部地区钻井法施工穿过的地层主要为白垩、侏罗系岩层[1-2]，由于其自身稳定性差、围岩变形小、富含水[3-4]，如壁后充填不密实，井壁与围岩间的空隙之间形成导水通道，造成涌水淹井事故，对于矿井安全生产存在严重隐患[5-6]。因此，本文从工艺流程、防堵管技术措施、冬季施工措施和现场实施等方面开展西部地区钻井法凿井壁后充填研究。

1  工程概况

某煤矿中央回风立井井筒采用φ4.2m超前钻孔和φ8.5m扩孔方式钻进成孔施工，设计井壁87节，设计深度为511.19m。根据中央回风立井井筒开凿设计图纸及《矿山井巷工程施工规范》（GB50511-2010）和《钻井井筒永久支护通用技术条件》（MT/T518-2009），壁后第一段高150m采用水泥浆、其余段高采用水泥砂浆进行固井；依据施工组织设计壁后充填段高划分，壁后第一段高80m采用内管法充填水泥浆，下沉井壁时布置4路内φ76×6mm注浆管且均匀分布，其余段高采用外管法充填水泥浆与水泥砂浆，外注浆管的布置与内注浆管错位均布。

2壁后充填研究

2.1  壁后充填工艺及准备工作

在壁后充填施工前，进行水泥砂浆配合比设计及现场试验，确定水泥浆与水泥砂浆的供应商。根据现场施工场地，绘制充填固井施工平面布置图。在锁口东侧60m左右钻头检修区域内砌筑14m×8m×2m的存浆池，南北两侧设流浆沟槽，并接风管至存浆池内，以防池内水泥浆沉淀。在流浆沟及注浆泵进浆口处设置过滤网，过滤结块水泥及其他杂物。壁后充填工艺流程如图1所示。

图1壁后充填工艺流程

2.2  防堵管技术措施

第一，与安徽理工大学联合，对水泥砂浆的配合比进行优化，配置出流动性好、和易性好的砂浆。第二，充填管路配置原则尽量缩短地面管路长度且各种管子内径尽量接近，保证流动畅通。第三，为观察砂浆充填时，充填过程中管内空气存在状态，在三通管上部设置进、排气观察孔，孔上装有球阀及橡胶管，便于开合和观察。第四，为防止砂浆直接与泥浆在管内接触，造成砂浆离析，砂浆充填前先用流动性好的水泥浆进行充填，确保管内为水泥浆，然后开始充填砂浆。

2.3  质量保证措施

充填前先用清水湿润输送泵的料斗、活塞、输送管内壁等与水泥砂浆接触的部位；再用水泥浆将充填管内的泥浆置换后再进行砂浆充填。注浆应连续进行，防止注浆管路堵塞，如因故障而停泵，应迅速更换备用泵后再抢修。正常注浆时，泵压很小，若压力超过2Mpa仍继续增大，应及时找出原因，妥善处理后方可继续运行。水泥充填结束后，应迅速关闭注浆管阀门，尽量减少水泥浆倒流进入注浆管而致使注浆管堵塞。

2.4  冬季施工措施

根据施工工期的要求及本项目所在地季节水文气象情况，采用蓄热拌合法进行壁后充填冬季施工。所用砂浆及水泥浆的水泥等级均为42.5，拌合料采用温水拌合，拌合水需采取加热后使用，水泥浆拌合水温度不得高于60℃，水泥砂浆拌合水温度不得高于80℃，且应先拌合水与细砂后再投入水泥进行搅拌。拌合站搭建暖棚，且棚内环境温度控制在5℃以上。拌合料开盘前需对水泥、细砂进行保温，确保投料前温度不得低于10℃。外加剂应放在保温室内，确保温度在5℃以上。搅拌时间延长50%，且保证出料温度不低于10℃。拌合料的输送采用运输车进行，车身采用保温棉或棉被等材料包裹保温，尽可能缩短输运时间，做到料车随到随用，避免等待。输送管道采用保温棉包裹保温，输送前用热水对管道预热。

3  壁后充填现场实施

在第三段高砂浆充填中，通过TBW-850/5A型高压注浆泵连接四路φ108mm注浆管，根据第二段高充填实测结果，水泥浆凝固界面深度为429.6m，四路外管配管长度为428.5m，下端管口配设“十字”形钢筋导向保护装置长0.37m，充填时管口距离水泥浆凝固界面0.5-1m。用泥浆将充填管路打通并持续循环，泥浆循环泵压为0.5-1MPa，循环期间泵压稳定，泥浆循环60分钟，然后更换砂浆输送泵准备进行正式充填。

为了保证砂浆充填顺利，先期采用水泥浆充填，水泥浆比重为1.66g/cm3，每路充填量约16m³，总计充填方量64m³。待水泥浆充填正常后更换为水泥砂浆进行充填，充填时因水泥砂浆粘度太大，扩展度不足，流动性差，泵送压力为16MPa，瞬间最高压力达20Mpa，超过额定泵压12.5MPa，经4次试泵皆因泵压太大导致砼泵液压系统密封多处失效漏油，无法正常泵送。经多次试拌，最终确定了水泥砂浆配合比，扩展度为650-790mm，比重为2.08g/cm

3，泵送较顺畅，初始泵压稳定在0-7MPa。随着充填继续进行，浆液附着在管壁上造成泵压增加，每充填40-50m3砂浆，需要用水泥浆冲刷1次管路，充填期间打开进排气检查管球阀，所有进排气检查管均为吸气状态。

充填至244m³时，共充填水泥浆158m3+水泥砂浆86m3，充填高度15.25m，采取了第一次窜管措施。充填至335m3时，共充填水泥浆226m3+水泥砂浆109m3，充填高度20.9m，采取了第一次拔管措施，拔管长度15.8m，确保埋管5.1m。充填至471m3时，共充填水泥浆258m3+水泥砂浆231m3，充填高度8.5m，采取了第二次窜管措施。充填至671m3时，共充填水泥浆354m3+水泥砂浆317m3，充填高度12.5m，采取了第二次拔管措施，拔管长度12.75m，确保埋管4.85m。

结语

（1）经多次试拌，最终确定了水泥砂浆配合比，扩展度为650-790mm，比重为2.08g/cm3，泵送较顺畅，初始泵压稳定在0-7MPa。

（2）充填过程中采取拔管措施后先采用水泥浆进行充填，将利用水泥浆将原管路中的水泥砂浆压出，待充填处于正常状态后再更换为水泥砂浆进行充填。

（3）充填结束后，将充填管路提离理论充填高度界面38m，利用泥浆将管路内的水泥砂浆进行了清洗，以确保下一段高充填工作的顺利开展。

参考文献

[1] 崔明远,刘锦玉,李翔宇,等. 钻井法凿井在我国西部地区的应用分析——以可盖煤矿进风立井采用钻井法施工为例[J]. 建井技术,2022,43(5):67-70.

[2] 王建平,刘伟民,王恒. 核桃峪煤矿副立井冻结设计与施工[J]. 建井技术,2020,41(5):43-45.

[3] 纪洪广,孙利辉,宋朝阳,等. 西部矿区弱胶结地层工程围岩稳定性控制研究进展[J]. 煤炭科学技术,2023,51( 1) : 117-127.

[4] 李博融,杨更社,奚家米,等. 白垩系地层冻结砂岩物理力学性能试验研究[J]. 煤炭科学技术,2015,43(5):30-33.

[5] 窦玉康. 浅谈塔然高勒矿井建设的经验教训[J]. 煤炭工程,2012,44(1):27-28.

[6]崔明远,王海波,鲁海涛,等. 煤矿立井钻井法过松散含水砂层预加固技术研究[J]. 煤炭工程,2022,54(4)51-56.