特殊凿井技术在我国的发展与前景_洪伯潜

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特殊凿井技术在我国的发展与前景
洪伯潜
摘　要　特殊凿井技术作为深厚表土不稳定含水地层的井筒施工方法,数十年来在我国得到了很大的发展,目前我国的冻结法凿井应用之广在世界上已名列前茅;钻井法凿井所竣工的淮南谢桥西风井等深大井筒,更是世界上所罕见的,综合技术达到国际先进水平。

介绍了我国特殊凿井技术的发展过程和目前的技术水平;提出了特殊凿井技术今后的任务和展望。

关键词　表土不稳定含水地层　地层冻结　钻井法凿井1　概述
在表土不稳定含水地层中建设竖井井筒,为了保证开凿围岩的稳定,必须采取特殊的方法进行施工。

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,上述方法就难于实现,地层冻结法和钻井法则是深厚表土不稳定含水地层中施工井筒的有效方法。

我国自50年代中期开始,开展了井筒特殊施工技术的研究,经过40多年的不懈努力,至今已拥有一支技术全面,实力雄厚的科研和施工队伍。

1955年在开滦林西风井首次采用冻结法施工第一个井筒,揭开了我国在深厚表土不稳定地层建设井筒的序幕,1969年采用钻井法竣工淮北朔里南风井井筒,表明了我国在东部深厚表土不稳定地层中建设竖井技术的进一步突破,从此特殊凿井技术在我国得到了蓬勃发展。

冻结法凿井至今已建成井筒400多个,其中包括一批深300m 以上和若干个深400m 以上的深大井筒,累计冻结延米长近7万m (表1)。

河南陈四楼副井冻结深度435m ,山东金桥
煤矿冻结井穿过的表土层达378.3m ,山东济宁3#
副井冻结深度395m ,成井直径8m ,内蒙古榆树林子矿斜井冻结斜长114.5m,宁夏王洼矿最大斜井深度88m ,这些工程代表了我国当今冻结法凿井的技术水平,目前我国已成为世界上冻结法应用最广的国家之一。

钻井法凿井由于它具有机械化程度高,打井不下井的独特优点,仅用了10多年时间,就从学习引进,使用配套设备、施工深几十米
洪伯潜,男,1931年12月30日出生于福建省厦门市鼓浪屿,1956年浙江大学毕业。

毕业后即在煤炭科学研究院北京建井研究所从事科学研究工作。

1988年晋升为教授级高级工程师,1997年当选为中国工程院院士。

现为博士生导师、煤炭科学研究总院副总工程师、北京建井研究所所长顾问、中国矿业大学、河北建工科技学院兼职教授。

1980～1995年任中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土学会理事;1987年起任中国煤炭学会煤矿建筑工程专业委员会委员、副主任委员;1999年起任中国煤炭工业技术委员会常务委员。

的小型井筒,发展到80年代采用国产煤矿专用大钻机,施工钻井直径9.3m,成井直径7m,深469m的淮南谢桥西风井一类的深大井筒,并实现全套设备国产化,综合技术达到国际先进水平,1999年淮北许疃矿井的主、副、风三个井筒同时采用钻井法施工,现主井、风井已高质量地完成,成井偏斜分别为0.21‰和0.1‰。

钻井法凿井在已竣工的55个井筒中,深300m以上的大型井筒15个,其中深400m以上的7个,深500m以上1个,总长度约 1.3万m (表2)。

表1　冻结法施工立井井筒数量统计表
年份冻结井筒
数量/个
冻结深度/m
<100>100>200>300>400
最大冻结深度/m
1955～199640711215181454435 1955～195918117000162(荆各庄主井) 1960～1969502518610330(平八东风井) 1970～197911526443591415(潘三东风井) 1980～1989130345126182435(陈四楼副井) 1990～1996100204121171410(元氏副井)
表2　我国钻井法施工300m以上深井明细表
井筒名称钻井深度/m钻井直径/m竣工时间临涣西风井308.67.91979.4张双楼东风井306.0 6.31979.11童亭副井300.08.81981.2朱仙庄南风井301.0 6.61982.6潘三西风井508.09.01984.11谢桥东一风井474.5 5.71985.12任楼中央风井351.08.01986.8谢桥东二风井478.28.01988.8谢桥西风井469.29.31989.4陈四楼风井417.57.31991.8祁南矿中央风井389.77.81993.11祁东南风井437.07.71998.11许疃矿主井347.07.51998.9许疃矿风井365.08.01999.2城郊方北风井436.07.31999.6 在70年代初期前,我国在掌握各自施工工艺和基本技术的基础上,为满足经济建设的需要,利用特殊凿井技术建成了一大批井型不大,相对深度较小的井筒,同时进一步解决和完善了基本工艺和相关技术,为开展应用于深井施工的技术攻关和专用设备的研制提供了依据。

70年代中期开始,随着我国煤矿建设事业的大规模兴起,逐步发展了有中国特色的特殊凿井技术。

冻结法凿井开展“一钻二壁”的技术攻关,解决了深井冻结的基本理论和技术,研制成冻结孔专用钻机和小直径电脑化的新型陀螺测斜仪,进行了冻结孔定向钻进技术、人工冻土特性、深井井壁设计理论、双层夹层井壁支护技术及井筒施工工艺的研究,技术上达到了具备建设深500m以内井筒的基本条件。

N D-l型及SZ9-/700型等煤矿专用大型钻井机的研制成功并投入使用.标志着钻井法凿井技术的发展进入了一个新阶段。

在相应开展深井钻井工艺、化学泥浆护壁、钻进参数监控、破岩刀具、深井测斜、井壁结构及壁后充填的技术攻关后,该技术成为深厚表土层施工500m竖井井筒先进可靠的方法,于1984年成功地完成了潘三西风井深508m,通过表土不稳定地层440m,钻井直径9m的深大井筒。

80年代后期以来,我国在特殊凿井技术广泛应用于深井开发的同时,着重开展了疏水沉降地层中井壁长期使用的可靠性、深厚粘土层冻结法凿井的安全性和钻井法钻凿深大井筒的泥浆污染处理等技术关键的攻关研究,同时扩大特殊凿井技术的应用范围,并逐步向地铁、桥墩、水利水电及市政工程等拓展,使其更好地服务于社会。

2　深井冻结法凿井关键技术的研究与发展
2.1　冻结法凿井冻结孔的成形与质量保证
深井冻结由于冻结孔的过大偏斜或孔距超近,将影响冻结壁的交圈效果或造成冻结管断裂,因此需有较高的垂直度要求。

我国1983年研制成的DZJ500-1000型冻结孔专用钻机,具有较大的扭矩(12kNm),可适用多种钻具组合,使用粗钻杆不仅对改善孔斜有良好的作用,而且可与DJT-3型陀螺仪配合,实现不提钻测斜;泥浆泵流量大,可与地下动力钻具配合,采用定向钻孔技术,实现靶域钻进工艺,它已成为深井冻结孔的主力钻机。

冻结孔的偏斜测量技术,不断得到改进,在张集矿和金桥矿冻结孔施工中,实现了靶域钻进的效果,这些冻结孔向心偏斜距最大值≤0.8m,其它方向偏率≤2.5‰。

1987
年为配合定向钻进研究成的JDT-5型、1993年为解决陀螺仪的方位漂移研究成采用“全捷联”结构的JDT-6型测斜仪,均可连续测量、自动记录、计算打印,具有较高的技术水平。

保持冻结管在施工全过程的完好,关系到工程的成败,它主要取决于冻结壁的变形和所使用的冻结管对此变形的适应能力。

前者的影响因素有冻结壁的厚度及其平均温度、地压值大小、施工段高和段高暴露时间等,需要通过采用合理的设计理论和方法来解决。

后者可采取改善钢材的低温性能、降低冷脆温度转化点,提高管材强度和韧性来防止断管发生,也可采用提高对变形的适应能力来选择材料和合理的接头形式以达到防止断管的目的。

这些研究成果已分别在深井工程上应用,取得了良好的效果。

2.2　冻结壁设计和人工冻土力学特性的研究
采用冻结法在不稳定含水地层中建设井筒或其它地下构筑物,冻结壁是用来抵御基坑周围的地层压力和隔断地下水侵入,保障施工作业的正常进行的,它的形成和维护是冻结法施工的核心。

冻结壁设计包括厚度和温度场的计算,它与井筒或地下构筑物的施工深度、大小、地质条件和所采用的冻结方式有关。

人工冻结法凿井冻结壁的设计理论和方法,经历了简单地将冻土视为弹性体,应用第一强度理论和相应的公式,将冻土视为理想的塑性体,应用第四强度理论和相应的公式进行设计的变化。

80年代以后,随着施工井筒深度和井型的增大,地质条件越趋复杂,采用简单力学基础上的方法,已不能适应。

随着技术进步和长期的工程实践,人们发现冻结壁的性能不但取决于冻土强度、深度和几何尺寸,同时与温度、施工断高、断高在大气中暴露的时间有关。

在大量科学试验和理论研究的基础上,提出了适合于我国实际条件的冻结壁计算公式,并在深井冻结工程中得到验证。

冻结壁设计理论的进步是与冻土力学特性研究相应发展的。

承载能力计算需要冻土强度指标,而变形计算又需要冻土的蠕变特征。

冻土性能试验,经历了单轴抗压、三轴剪切、蠕变、冻胀、导热等各种试验,目前采用的以TY J-200型负温高压三轴试验机为代表的新一代试验设备,带有自冷系统和低温压力室,整机可在常温环境下工作;采用电液伺服系统和斜坡发生器,实现了加载过程的位移控制和负荷控制;并附有各种先进灵活的测试手段,使冻土性能试验达到一个新水平。

2.3　改进和完善了冻结法井筒的永久支护技术
我国深井冻结法施工的井壁.以采用现浇双层钢筋混凝土结构为主,随着井筒深度的增加,不断得到改善和发展。

结构上着重研究解决外壁的抗冻结压力和内壁的抗裂、抗渗性能;结合我国实际条件,研究采用外壁带有可塑层及内外壁之间附加滑动夹层的双层钢筋混凝土井壁,经大量使用证明,这种井壁可减小地层变形的影响。

改善内壁的抗裂性能,成效显著。

同时成功地引进应用了沥青钢板混凝土柔性井壁,在防止采动压力与地表下沉造成的井筒破坏方面非常有效。

材料上开发研究了多种低温混凝土外加剂,保证了C50的高强度混凝土在冻结井筒的正常使用。

3　钻井法凿井技术上的几次突破
3.1　制订了适合于国情的工艺流程
钻井法钻凿煤矿竖井工艺流程方面有些相似于石油钻井,但又不同于石油钻井,西方一些国家主要用来钻凿直径较小并以岩石为主的深井,采用钢板井壁支护。

而我们开发钻井法凿井技术,是用于深厚表土不稳定含水地层的井筒施工,根据我国的具体条件、采用以“转盘拖动,减压钻进;一次超前,分级扩孔,泥浆护壁,反循环洗井,悬浮下沉井场预制井壁,壁后充填水泥浆固井”为基本内容的施工工艺,经长期实践证明是合理的。

近30年来,钻井法凿井在技术上有了很大的发展和提高。

3.2　研制成功了国产煤矿专用大钻机
钻井法凿井使用石油配套设备初试成功后,发展很快,但钻井法凿井技术要向前发展,确立它在特殊凿井方面的地位,必须拥有技术先进的煤矿竖井专用钻机。

70年代初,适时地开展了这项工作,这些专用钻机充分考虑了钻凿大直径井筒的特点,设备功率大,主机提升力达3000～3200kN,转盘扭矩200～300kNm,设计最大钻井直径7.4～9m,最大钻井深度500m,而且采用抱钩升降、转盘旋转无级调速,恒钻压自动给进,起下钻具各抱卡压气驱动,钻进参数控制台面自动显示,集中操作和钻进过程钻孔超声波不提钻测斜等一系列先进技术。

机械化和自动化程度较高,其中SZ9/700(AS9/500)型钻机已成为我国钻井法突破500m深大井筒施工的基本设备。

3.3　破岩刀具的技术突破
随着钻井法向深井方向发展,面临着更多的复
杂地层和钻凿岩石数量的增加。

80年代初,刀具问题曾一度显得非常突出,原国产刀具平均钻进寿命不到10m,进口刀具价格昂贵,严重地阻碍着钻井法向前发展.经过“六五”国家科技攻关,研制出了BS -Ⅱ系列破岩滚刀,使用寿命达到1980年国外先进产品在我国使用的水平,而费用仅为进口刀具的六分之一。

又经“七五”攻关,使国产刀具形成系列化,不但基本满足了钻井法在各种地层中施工井筒的需要,大大缩小了与国际先进产品的差距,而且广泛应用于反井钻机和工程钻机。

3.4　研究解决深井支护的关键问题
先后研究采用了沿深度改变厚度的井壁及应用约束混凝土结构等先进理论设计的新型钢筋混凝土井壁和钢板混凝土复合井壁,达到减薄井壁,提高钻孔利用率的目的,实现了淮南谢桥西风井成井直径7m,深度469m的先进目标。

在设计上采用先进的方法,使井壁结构设计纳入国家统一的规范。

研究解决了井壁节间注浆、深井井壁壁后充填前在泥浆中的竖向稳定验算和防失稳措施、采用预留泄水孔防止钢板复合井壁内层钢板`鼓包”等施工技术。

研制成功了壁后充填采用散装水泥的机械化系统,使钻井法凿井实现全工序机械化。

3.5　解决和探索出泥浆护壁和废浆的处理技术
近30年来研究采用多种处理剂以满足钻进各种地层的需要,开发应用了清水开钻、低密度泥浆、抑制地层造浆以及泥浆循环系统小型化等新技术。

80年代初结合大直径深井穿过深厚不稳定含水地层的特点,研究采用了三聚磷酸钠等新型处理剂的泥浆配方和工艺,保证了像潘三西风井表土不稳定含水层厚达440m钻孔的安全钻进。

深大井筒的钻进体积超过3万m3,总弃浆量可达10万m3以上,为了解决泥浆污染和占地问题,10多年来研究开发了废浆造粒还原处理技术,在大型井筒钻进中应用,取得了良好的效果。

4　特殊凿井今后的任务和展望
4.1　攻克深600m以上不稳定表土含水地层的施工技术难关
根据国家能源工业的近期发展和山东省煤炭生产实际,山东巨野煤田的开发任务已提到议事日程,正在进行方案设计。

由于矿区不稳定表土层平均厚度达620m,在这种条件下建设竖井,对发展我国特殊凿井技术是难得的机会,但无论哪种施工方法,都存在相当大的难度,许多问题急待研究解决。

对于冻结法凿井,关键还是“一钻两壁”。

首先需要改善冻结孔钻机的性能,实现定向钻进技术工艺参数显示电脑化和智能化,快速高效地提供符合冻结工艺要求的钻孔;研制采用适合于超深冻结应用的冻结器和相应的工艺设备,确保冻结壁的成形和维护;总结分析现有深井井壁的结构形式和设计理论,开展抗地层变形的井壁结构的研究。

钻井法凿井需着重研究解决滚刀、测井仪等井下设备的密封性能,使其达到适应于设计深度使用的要求;进一步开发研究在500m深井中已取得成效,应用约束混凝土理论设计的钢板混凝土复合井壁和壁后充填技术;研究探讨满足特深井筒钻进临时护壁要求的新型泥浆,以及减少地层造浆、提高废浆处理水平等技术关键。

4.2　研究井壁破裂机理并提出相应的对策
1987年以来,徐淮等地区用冻结法和钻井法施工的部分井筒,比较集中地出现井壁在正常使用中发生局部破裂事故,这些井筒都在竣工后7年以上,最长的达20年。

经各方面的研究探讨,比较一致地认为,该地区地层构造具有特殊性,表土含水层与基岩有水力联系,巷道掘进或煤层开采后,表土层中水大量泄入井下,导致含水层水位下降,地层大面积沉降,土层与井壁之间产生相对滑移的阻力,并以竖向附加力的形式作用于井壁。

当竖向附加力和其它荷载组合后,使井壁某一方位的应力或应变超过材料的极限值时,结构产生破坏。

有关单位在已取得科研成果的基础上,结合实际开展“竖向附加力”定量取值和井壁结构设计方法的研究,为更深井筒的应用作好理论准备。

我国特殊凿井技术经过几十年的发展,对深厚表土不稳定地层的基本特性和变化规律有了比较全面的掌握,许多科研院校作了大量的基础研究,储备了一定的技术资料,一些建设单位已具有施工深500m井筒的经验或技术水平。

经各方面协作攻关,可望完成山东巨野这样特深表土地层井筒的开发任务。

参考文献
1洪伯潜、李维远.钻井法凿井技术在我国的发展与应用,《煤矿建设科研40年》.煤炭工业出版社,1997,5
2苏立凡、陈湘生、王长生.地层冻结法在我国的应用与展望,《煤矿建设科研40年》.煤炭工业出版社,1997,5
3洪伯潜、陈湘生.地下工程特殊施工技术.中国工程院能源与矿业学部学术报告汇编,1998,6
Abstract in English
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