巨野煤田开发条件及井筒施工关键技术.pdf

★权威论坛 ★ 巨野煤田开发条件及井筒施工关键技术 中国工程院院士 洪伯潜 煤炭科学研究总院,北京市和平里青年沟东路,100013 摘 要 巨野煤田总地质储量55. 7亿t ,是目前山东省面积最大、 储量最多的煤田。煤层 厚且赋存较稳定,可采区煤层平均厚度7. 16m ,有利于实现高产高效机械化开采。煤质硬度 小,为低灰、 低磷、 特低硫,中高发热量的优质煤。外部建设条件优越,具有很高的开发价值。 但煤层上部覆盖有深厚表土不稳定含水地层,需采用地层冻结法或钻井法施工井筒,其深度比 国内已施工的井筒分别大170m和100m ,是新井开发必须攻克的技术关键。研究了在巨野煤 田进行钻井法凿井和地层冻结法凿井需要解决的关键技术。 关键词 巨野煤田 技术关键 深厚表土 特殊凿井 1 开发巨野煤田的基本条件 1. 1 矿区位置及资源条件 巨野矿区位于山东省西南部,东距济宁市 65km ,西离菏泽市40km。矿区包括巨野煤田和梁 宝寺煤田。巨野煤田面积约960km2,地跨菏泽市的 郓城、 巨野、 菏泽、 成武四县市。梁宝寺煤田面积 约250km2,地处济宁市的嘉祥县境内。巨野矿区煤 炭储量丰富,总地质储量55. 7亿t ,是目前山东省面 积最大储量最多的煤田。煤层厚且赋存较稳定,可 采区煤层厚度平均为7. 16m ,有利于实现高产高效 机械化生产。煤质为低灰、 低磷、 特低硫,中高发热 量的优质煤,且煤类齐全,煤质优良,矿区山西组煤 层为气煤、1/ 3焦煤、 肥煤、 天然焦和无烟煤。其中 肥煤地质储量约18. 8亿t ,是山东省比较紧缺的煤 类,具有很高的开发价值。 1. 2 矿区开发的外部条件 巨野矿区交通十分方便,京九铁路从煤田北部 郓城通过,兖新铁路从煤田中部穿越并在菏泽与京 九铁路相会,向西至新乡与京广线接轨,向东至兖州 与京沪线相连,再向东经兖石线至日照煤港。水资 源比较丰富,矿区第四系和上第三系含水层水量比 较丰富,可作为工业用水。奥陶系灰岩水,水质较 好,可作为生活饮用水。供电电源充足可靠,矿区附 近现有菏泽、 济宁两座电厂,东部有三里庙220kV 区域变电站,北部郓城有一座110kV变电站,还拟 建一座220kV变电站。通讯网络发达,移动无线通 信网己实现 “无缝覆盖”,外部建设条件十分优越。 1. 3 煤田覆盖有深厚新生界表土不稳定地层 初测平均620m ,已进行预可行性研究论证的龙 固矿井和郭屯矿井,工业广场新生界地层厚为530 ～570m ,井筒必须采用深厚表土不稳定含水地层的 特殊施工方法 地层冻结法或钻井法施工。而且 粘土性土层累积厚度占80 以上,部分粘土、 砂质 粘土易吸水膨胀,具有较强的可塑性,是新井开发必 须攻克的技术关键。 2 井筒特殊施工的主要技术关键 2. 1 目前国内外特殊凿井的技术水平 钻井法凿井作为施工深厚不稳定含水地层,我 国经过 “六五” 、“七五” 国家重点科技攻关,综合技术 达到世界先进水平,己钻成井筒55个,典型工程有 淮南谢桥西风井,钻井深度464m ,通过表土不稳定 含水地层厚402m ,最大钻井直径9. 3m ,成井直径 7. 0m;淮南潘三西风井,钻井深度508m ,通过表土 层440m ,最大钻井直径9. 0m ,成井直径6. 0m;正在 建设的淮北许疃矿,主、 副、 风三个井筒都采用钻井 法施工,其中巳竣工的主井和风井成井偏斜率分别 5巨野煤田开发条件及井筒施工关键技术 为0. 2‰ 和0. 1‰,正在施工的副井钻井直径9. 0m , 成井直径6. 8m。国外钻井法用于施工类似我国地 层条件的井筒不多,比较典型的有德国钻机在荷兰 施工的煤矿,深512m ,直径7. 65m;美国在岩层中施 工了深1800m ,直径3. 0m钻孔。地层冻结法凿井, 我国目前巳是世界上使用最多的国家之一,开凿了 400多个竖井井筒,其中河南永夏矿区陈四楼副井 最大冻结深度435m ,山东金桥矿副井穿过最大表土 不稳定含水地层厚383m ,山东济宁三号井副井最大 成井直径8. 0m。基本掌握了500m深竖井冻结的 综合技术。国外在煤矿中冻结深度最深的是波兰的 卢布林一号井副井,成井6. 0m ,冻结深度725m;冻 结不稳定的第三系和第四系地层,具有代表性的是 德国的Jacba井,冻深558m。其它做为深部含水岩 层的地层冻结,英国的博尔比钾盐矿,冻结深度达 930m。 2. 2 钻井法凿井技术关键 钻井法凿井机械化程度高,打井不下井,施工操 作安全,井壁质量好,在井型适当的条件下,施工深 厚表土不稳定含水地层的井筒,具有明显的优越性, 但目前巨野计划建设的井筒表土层厚530m～ 570m ,比目前国内已施工井筒的深度大100m左右。 随着钻井深度的增加,施工中将遇到一些新的问题, 如合理选用井壁的结构形式,达到减小厚度的目的, 特别是龙固矿风井的成井直径和郭屯矿副井井筒的 有效直径要求达到6. 5m和6. 3m。鉴于目前钻机 的设备能力,井壁结构合理与否,将决定采用钻井法 施工的可能性。初步取得的地质资料表明,不稳定 地层第三系地层中80 以上属粘土性土层,遇水膨 胀或崩裂将是钻孔施工成败的关键。在井底工作的 破岩刀具和测井仪,密封部分的耐压能力,钻孔最大 体积超过4万m3的泥浆循环净化系统,以及钻进 参数和施工工艺的研究等等,都有待于研究解决。 2. 2. 1 考虑竖向附加力的新型井筒支护结构的研 究 对于成井直径或有效断面直径6. 5m的井筒, 根据钻机设备能力和空间平面尺寸,最大钻孔直径 受到限制。为了保证600m长的井壁在钻孔中顺利 悬浮下沉安装,以及壁后充填固井的需要,井壁外侧 和井帮之间需留有一定的空间。经验证明它与井深 成正比。分析现有350～508m井筒的相关参数可 以得出,采用内管充填方式,壁后预留空间约需 0. 50m ,据此推算最大井壁厚度为0. 9m。因此必须 研究一种既能同时抵御水平地压和竖向附加力作 用,又能满足现场施工条件的高强、 高效井壁结构, 应用成熟的理论和规范对井壁结构进行全面的强度 和变形计算,以保证井壁在长期使用中的安全。 2. 2. 2 井筒支护施工工艺的研究 钻井法凿井井筒支护采用预制井壁悬浮下沉安 装的方法,井壁节之间用钢法兰盘连接。为了保证 井壁的正直,需采用钢楔块找正,井壁之间仅由楔 块、 焊缝和局部接触的法兰盘来传递竖向荷载,往往 造成竖向荷载传递的不均匀性。为了避免或减小这 种现象的产生,必须研究适应于600m深井壁的节 间联接处理工艺及材料。地层竖向附加力是井壁长 期使用中承受的主要外力之一,也是近年来一些井 筒发生井壁局部破坏的直接原因,必须通过充填段 高合理划分和充填材料的研究,来减小井壁竖向附 加力,并通过试验研究确定它的取值。 2. 2. 3 600m深井泥浆护壁的研究 泥浆临时护壁是保证表土不稳定地层中钻孔安 全施工的基本条件。巨野煤田井筒设计深度600m 左右,最大钻孔直径9. 4m ,钻进中孔壁暴露时间长, 保证砂层的稳定和粘土层的防水化是泥浆护壁的首 要任务。原则上说护壁仍然是以足够的泥浆柱静压 和薄韧的泥皮来抵御砂层中的水和机械因素引起的 失稳塌井,以及控制泥浆失水,达到防止粘土层膨 胀、 崩裂引起缩径和片帮。因此,必须根据地层的具 体条件,研究配制相应的化学泥浆,并在钻进中随时 检测,使泥浆始终保持适应地层变化的良好参数。 2. 2. 4 抑制造浆和废弃泥浆处理的研究 大直径钻井采用反循环泥浆洗井,泥浆在钻杆 中通过压气作高速上升运动,携带钻进中钻头破碎 下来的土块岩屑,经排浆管排出地面,进入泥浆净化 池。巨野煤田井筒体积可超过4万m3,泥浆总循环 量达10万m3以上,因此,开展抑制造浆和优化地 面净化系统,达到减少泥浆总循环量并及时净化处 理泥浆中的携带物,将关系到工程的顺利进行和它 的技术经济效果。钻进用的泥浆由于复杂地层护壁 的特殊需要,往往加入一些化学处理剂,根据井场环 保的具体要求,需要对钻进过程多余的废浆及成井 后全部弃浆进行水土分离处理,最终达到水可直接 排放,土可堆积装运。 2. 2. 5 防止泥包钻头加快钻进速度的研究 巨野煤田新生界表土层80 以上为粘土,避免 泥包钻头是钻进中一个很重要的问题,它对整个井 6中国煤炭第28卷第4期2002年4月 筒的钻进速度影响很大,减少泥包钻头的基本措施 是,选用合适的破岩刀具,并根据破岩规律设置钻头 吸收口;选择好钻进参数并随地层变化适时予以调 整;注意加强泥浆净化处理和优化泥浆参数。 2. 2. 6 提高井下设备密封性及耐用性的研究 巨野煤田井筒钻井工程超过目前施工最深井筒 近百米,对破岩刀具和超声波测井仪等井下设备的 耐压性能提出新的要求。它关系到设备的正常使 用,以及工程质量和经济效果。滚刀的使用寿命,对 钻井法凿井的施工成本影响很大,进一步研究 CrMnMo空冷耐磨钢的物理力学和机械性能,提高 破岩效率,以及在空冷状态下获得良好的机械性能, 以实现刀齿修复不需热处理的空冷自硬。影响滚刀 使用寿命的另一个因素是刀体的密封,滚刀直接在 井下长时间滚动破岩,如刀体密封性能不好,泥浆中 的颗粒进入轴承,将直接影响滚刀的使用寿命。研 究、 改进新型刀体密封及压差自动平衡结构,使密封 耐压性能达到满足钻深大于600m钻井的需要。 深井不提钻检测井筒的偏斜情况,不仅有着技 术进步的意义,而且可减少钻进辅助时间,提高成井 速度。现有的超声波测井仪需要研究一种新型探头 及密封结构使其抗压能力达到适应于650m以上深 井使用。同时开发一种专用数据接口,使测井仪能 与普通微机直接进行数据交换和通讯。新改进的测 井仪要求可测直径0. 8～12m ,测量精度 0. 5 ～ 1. 0 ,满足巨野煤田钻井法凿井施工的需要。 3 冻结法凿井技术关键 冻结法凿井具有使用方便,施工井筒垂直度容 易保证,国内最大成井直径已达到8m ,并可与下部 井筒注浆工作平行作业加快建井速度,对于解决 600m以上深井的施工问题,核心还是 “一钻两壁”, 技术上需开展以下方面的研究。 3. 1 系统开展深厚表土层人工冻土物理力学特性 的研究 利用先进的试验设备和测试技术,针对巨野地 区深厚表土的具体条件,开展系统的有代表性的原 始状态冻土物理力学特性的实验研究,并在此基础 上建立工程实用模型,使其服务于工程。 3. 2 深井冻结工艺的研究 要实现600m深井冻结法施工,最重要是通过 国内外相关工程的施工经验,总结出一套比较完整 的冻结工艺设计,包括冻结壁的设计理论,为达到设 计要求合理的冻结孔数量、 布置方式,考虑掘砌时 间、 掘砌工艺对冻结壁的动态影响,土层冻融过程及 竖向附加力对永久井壁的影响等等。 3. 3 冻结孔钻进、 测斜、 纠偏技术的综合研究 研制或改进现有钻机,使其达到满足650m冻 结孔钻进的需要,实现测斜和定向工艺参数的测量、 采集、 显示智能化。研究深井冻结的冻结管管材和 冻结器接头形式,提高冻结管强度和抗变形性能,防 止施工过程中冻结管断裂。 3. 4 冻结壁设计方法的研究 合理的冻结壁设计是冻结法安全施工的基本保 证,随着冻结深度和圈径的增加,冻结壁整体强度的 不均匀性更加突出,设计中应全面考虑地层条件,环 境条件和施工条件的变化,设计应该是动态地全面 分析冻结壁的稳定和位移因素。 3. 5 发展现场综合实测技术 工程现场实测是检验理论分析和保证信息化施 工的重要手段,在长期的科研和工程实践中积累了 大量的宝贵数据和经验,但由于巨野煤田的冻结深 度、 地层条件有着许多的特殊性,加强实测及时反馈 信息,对安全快速指导施工,具有重要意义。 3. 6 井壁结构、 材料及施工工艺的研究 开发研究适合于低温条件下施工的早强、 高效 新型材料,开发满足承受冻结压力、 控制冻结壁位 移、 以及各种原因产生的不均匀受压和长期使用中 由于地层下降产生的竖向附加力作用的新型井壁结 构,保证井壁在施工过程和长期使用中的安全。 参考文献 1 煤炭工业部济南设计研究院.山东省巨野矿区 总体 开发规划汇报提纲 . 2 洪伯潜.特殊凿井技术在我国的发展与应用.中国煤 炭,2000 ,4 3 洪伯潜.巨野煤田钻井法凿井施工的技术关键.山东 科技大学学报,2001 ,增刊 作者简介 洪伯潜1931 - ,男,中国工程院院士,博士生导师, 1956年毕业于浙江大学,现任煤炭科学研究总院副总工程 师,北京中煤矿山工程有限公司煤科总院北京建井研究所 总工程师,长期从事煤矿钻井法凿井技术的研究工作,主持 完成国家及部、 院课题29项,8次获国家及部级科技进步 奖,其中国家科技进步一等奖1项,部级科技进步特等奖1 项,一等奖1项,发表 “大直径煤矿井筒钻井法凿井” 、“约束 混凝在井筒支护中的研究和应用” 等论文30余篇。 7巨野煤田开发条件及井筒施工关键技术 English Abstracts Juye coal field development conditions and key technology for shaft - sinking With a total geological coal reserves of 5. 57 billion tons , Juye coal field is the largest coal field in Shandong Province. Its coal seams are thick and occurrence stable with thickness of mineable coal seams averaged at 7. 16m. This is favourable for mechanized mining at higher efficiency and higher production rate. The quality of coal is high with coal hardness minors and contents of ash , phosphorous low , sulfur content extremely low and calorific value medium to high. Juye coal field is endowed with favourable development conditions and therefore this coal field is of very high value of exploita2 tion. However , the very deep overburden of unstable water bearing strata requires freezing or drilling for shaft sinking process. The depth of such overburden is 170m and 100m deeper than the completed coal mine shafts of the same category in this country. Shaft sinking is hence the key to the development of Juye coal field. This paper discusses the key technology required in the drilling process and freezing process to be used in the shaft sinking in Juye coal field development. 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