摘要：反井作為一種高效的機械井筒施工技術(shù)，近年來成為瓦斯抽放井施工的常用工藝之一。文章介紹了反井鉆機在煤礦瓦斯抽排放井施工中的應(yīng)用，并對反井施工的施工工藝、施工優(yōu)缺點做了介紹，為瓦斯抽放井確定施工方案提供了選擇。

關(guān)鍵詞：反井鉆機；大陽煤礦；瓦斯抽排井；施工工藝；機械井筒施工技術(shù) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD712 文章編號：1009-2374（2015）05-0057-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0361

1 工程概況及水文地質(zhì)情況

礦井位于山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司井田西翼，地質(zhì)特征如下：

1.1 地層

井田內(nèi)主要出露二迭系上石盒子組及石千峰組地層。根據(jù)地表出露及鉆孔揭露情況，井田地層由老至新簡述如下：（1）中奧陶統(tǒng)峰峰組（Q2f）：為煤系地層的基盤，厚60～140m。由石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r組成；（2）中石炭統(tǒng)本溪組（C2b）：厚0～7.38m。主要為灰～淺灰色富含鮞粒的鋁質(zhì)泥巖；（3）上石炭統(tǒng)太原組（C3t）：主要含煤地層，厚85.01～94.48m，主要由砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤層和石灰?guī)r組成；（4）下二迭統(tǒng)山西組（P1s）：主要含煤地層，厚42.82～52.62m。主要為砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及煤層；（5）下二迭統(tǒng)下石盒子組（P1x）：厚70.13～86.71m。主要由砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖等組成；（6）上二迭統(tǒng)上石盒子組（P2s）：一般厚511m，由雜色泥巖、黃色泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖組成；（7）第四系中更新統(tǒng)（Q2）：該紅色亞粘土，含鈣質(zhì)結(jié)核。厚0～30m；（8）第四系上更新統(tǒng)（Q3）：主要分布于井田東部，為淺黃色粉質(zhì)粘土，厚3～30m；（9）第四系全新統(tǒng)（Q4）：主要分布于河漫灣和溝谷中。由現(xiàn)代沖積層、亞粘土、砂、礫組成，厚0～15m。

1.2 含水層和隔水層

主要含水層為：（1）中奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層：為一富水性較強的含水層。該含水層埋藏標高為+509.34～+411.37m，靜水位標高為+542.31m。單位涌水量為0.0015L/s·m，滲透系數(shù)為0.000286m/d；（2）太原組砂巖、灰?guī)r裂隙巖溶含水層：為一富水性很弱的含水層；（3）山西組砂巖裂隙含水層：本層砂巖裂隙不發(fā)育，為一弱含水層；（4）上、下石盒子組砂巖裂隙含水層：本層砂為一較強的含水層；（5）基巖風(fēng)化帶裂隙含水層：風(fēng)化帶含水層一般呈潛水性質(zhì)，局部承壓，直接接受大氣降水補給，越往淺部風(fēng)化裂隙越發(fā)育，富水性越強，屬較強富水性含水層；（6）第四系中更新統(tǒng)洪坡積孔隙、裂隙含水層：巖性主要為紅褐色粉質(zhì)粘土夾細砂層。水位埋深0.80～4.10m，單井涌水量0.23L/s；（7）第四系上更新統(tǒng)洪坡積孔隙、裂隙含水層：在井田內(nèi)大面積分布，巖性主要為黃褐色粉質(zhì)粘土夾砂礫石層等，單井涌水量多為0.2～1.4L/s；（8）第四系全新統(tǒng)沖洪積孔隙含水層：主要分布于長河及其支流寺頭河河漫灘及一級階地，巖性主要為亞砂土、砂及卵礫石等，其水位埋深1.0～2.2m，單井涌水量2.8～7.0L/s。主要隔水層為：（1）太原組底部及本溪組泥巖、鋁土質(zhì)泥巖隔水層：厚為5.89～26.73m，一般10m左右。本層與奧陶系灰?guī)r整合接觸，阻隔奧陶系巖溶水和上覆煤層的水力聯(lián)系；（2）二迭系砂巖含水層之間的層間隔水層：主要為泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度多為4～13m。該隔水層呈層狀分布于各砂巖含水層之間，阻隔了各砂巖含水層之間的水力聯(lián)系。

本礦井田地表為丘陵坡地，雨季泄水條件良好，大氣降水對礦井開采影響不大。

2 施工總述

安裝井直徑小于1m，井深318.9m，打在井下總回風(fēng)巷道內(nèi)?？椎灼畈怀^5‰。管路安裝井內(nèi)安裝瓦斯抽放管為螺旋焊縫鋼管Ф630mm×10mm，法蘭聯(lián)接，法蘭外徑780mm，混凝土固井。本工程采用反井施工方法施工。

2.1 工序劃分

施工工序劃分為兩個部分：第一部分為反井施工；第二部分為瓦斯管路的下放及固結(jié)。

2.2 施工順序

首先采用沖擊鉆機在表土施工鉆孔混凝土灌筑樁，BMC300型反井鉆機施工直徑1m豎井井筒，然后采用125t吊車對瓦斯管路進行連接及下放，最后對管路進行固結(jié)。采用反井鉆機同時施工。

2.3 施工流程

沖擊鉆機施工混凝土灌筑樁→反井鉆機施工Φ244mm導(dǎo)孔→反井鉆機施工Φ1000mm井筒→瓦斯管路連接及下放→瓦斯管路固結(jié)。

2.4 施工方法

2.4.1 反井鉆機施工方法。采用沖擊正循環(huán)鉆機泥漿護壁成孔，鉆至設(shè)計樁底后調(diào)漿清渣，壓力回頂法灌注砼。樁身砼采用C30商品砼，混凝土泵車輸送混凝土，吊車輔助灌筑，鋼筋籠現(xiàn)場加工，吊車吊放鋼筋籠。根據(jù)現(xiàn)場Φ1400mm樁徑，采用CZ-102沖擊鉆機施工。

施工工序：定位放線→基礎(chǔ)施工→鉆機就位→成

孔→鋼筋籠加工→一次清孔→吊放鋼筋籠→下設(shè)導(dǎo)管→二次清孔→灌筑混凝土。

灌筑樁混凝土達到初凝后施工如圖1的反井鉆機基礎(chǔ)。

1.起吊塔架；2.鐵板端頭；

3.支撐墩；4.絲扣連接；5.排水閥門

圖1 鉆機混凝土基礎(chǔ) 圖2 孔內(nèi)管道安裝與灌漿固結(jié)示意圖

2.4.2 導(dǎo)孔施工。鉆機安裝完成后，對鉆機進行超平找正，保證開孔垂直度。二次澆筑混凝土養(yǎng)護3天，待混凝土達到強度開始導(dǎo)孔鉆進。將Φ244mm導(dǎo)孔鉆頭與穩(wěn)定鉆桿以絲扣連接在一起進行開孔，采用低鉆壓、低扭矩穩(wěn)步開孔，進一步保證開孔垂直度。導(dǎo)孔鉆進的同時，也是對地層的勘探的過程，反井鉆機雖然不是取芯鉆進，但根據(jù)對鉆進過程觀測以及返出巖屑的情況，再結(jié)合以往的經(jīng)驗，可以對地層有初步分析和了解，為Φ1m擴孔鉆進、孔壁維護提供參考。

2.4.3 安裝擴孔鉆頭。導(dǎo)孔鉆進貫通后，在下水平面安裝Φ1m擴孔鉆頭。安裝前首先將吊帽等專用工具運至井底，擴孔鉆頭運到鉆孔中心點。確保與地面操作人員通訊通暢，連接時上下配合呼應(yīng)，上水平鉆機操作員根據(jù)下水平指令操作。

2.4.4 擴孔施工。當擴孔鉆頭安裝好后，首先要進行排矸系統(tǒng)準備，待排矸系統(tǒng)完備之后，提升鉆具，當滾刀和巖石接觸時，停止提升。然后以5～8rpm的速度鉆進。這樣能確保其不受沖擊波的影響，上提0.5～1.0cm停止，待刀齒將凸出的部分巖石碾碎之后，再繼續(xù)上提。在擴張孔徑時，作業(yè)人員應(yīng)該進行觀察，待鉆頭均勻接觸到巖石后，才能進行擴孔工作?？刂葡到y(tǒng)壓力在18MPa下，其主要目的是確保鉆機和滾刀不會被磨損。在擴孔時，如果巖石硬度高，可以適當?shù)卦黾訅簭??？傊?，要根?jù)實際情況調(diào)試。此外，作業(yè)人員也應(yīng)該安排人員及時出渣。同時在拆鉆桿時，應(yīng)該進行后期清理，戴好膠帽，確保徹底清潔。

2.4.5 完孔及鉆機拆除。當鉆頭擴孔至距基礎(chǔ)2.5m時，可以通過降低鉆壓速度來調(diào)節(jié)，如果觀察發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)周圍存在異常，應(yīng)該采取措施，然后繼續(xù)進行擴孔。完成該部分作業(yè)后應(yīng)該將擴孔鉆頭固定懸掛，確保鉆架主機和其他設(shè)備都被安全、順利拆除，再提升鉆頭至孔外。然后使用泵車進行運輸，清理作業(yè)現(xiàn)場即可。

2.5 瓦斯管路下放及固結(jié)施工方法

2.5.1 施工方法。根據(jù)本工程施工特點，結(jié)合我公司現(xiàn)有設(shè)備，并從安全、高效的要求出發(fā)，采用提吊法安裝瓦斯管。主要起吊設(shè)備為125t吊車，卡管工具為一對卡瓦式卡盤，起吊點設(shè)計在卡盤上。吊車將每節(jié)6m長的鋼管吊運至井口，與井孔內(nèi)已安裝的鋼管法蘭對接，對接擰緊完畢后，再將已安裝的鋼管緩慢升起，抽掉井口卡盤，將鋼管緩慢下放，上水平卡盤擔(dān)在井口，至此一節(jié)鋼管安裝完畢。封堵豎井下端口管壁和裸孔之間的環(huán)形空間后，采用砂漿進行壁后充填固結(jié)管路。施工示意圖見圖2。

2.5.2 施工流程。主要流程有：管材、起重設(shè)備等準備工作→鎖口梁施工→管道對接擰緊、下管→管道下端口處理→管壁后混凝土充填→管道上端口處理。具體見管道安裝工藝流程。

2.5.3 施工設(shè)備。瓦斯管規(guī)格：外徑Φ630mm，續(xù)接長320m，§=10mm，重量152kg/m，每根管子長6m，兩端為外徑780mm的法蘭，法蘭重量分攤到每延米的重量為13.4kg/m。鋼管總重量：320*（152+13.4）=52928kg。選擇125t吊車作為主要起吊設(shè)備。

2.5.4 管路下放施工工藝及方法。（1）孔口平臺：下管總重量約54t，通過卡盤壓在井口、懸在井筒內(nèi)。因此井口平臺強度及平整度非常重要。利用反井鉆機原混凝土平臺，將混凝土平臺抄平后，其上安裝1500mm×1500mm×30mm的鋼板，自鋼板中心挖孔，孔徑為Φ1000mm；（2）圓臺形導(dǎo)向頭：為鋼管順利下井，特別制作圓臺形導(dǎo)向頭：H1000mm*Φ630mm*Φ50mm，將瓦斯管與圓臺導(dǎo)向頭法蘭連接，原鋼管制作；（3）豎井內(nèi)管道下端頭的高程控制：因為井下不能動火，而連接處的三通高程已經(jīng)確定，這對豎井內(nèi)管道下端頭的高程控制提出嚴格要求。如何將管道下到確定高度，這是控制重點。在瓦斯豎井對應(yīng)的下水平巷道底板砌筑支撐墩，支持墩上放墊木，其高度與三通高度相同即可。下管時，直接將管道抵于支撐墩上；（4）充填段高：據(jù)此工程圓筒鋼管臨界壓力：P=1.85MPa，按砂漿密度2000kg/m3計算，理論一次可充填高度為60m。因為法蘭增強管道剛度，再考慮一定的安全系數(shù)，每次可充填段高為65m。

2.5.5 管路固結(jié)施工技術(shù)措施。壁后充填質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響瓦斯管道的壽命。關(guān)鍵工序有三點：一是封堵豎井下端口管壁和裸孔之間的環(huán)形空間；二是防止管道在充填砂漿過程中變形損壞；三是砂漿的性能。（1）封堵豎井下端口管壁和裸孔之間的環(huán)形空間：灌漿是從豎井上端口下灌，當砂漿到達豎井下端口時，有較大的沖擊力，所以要求下端口的封堵必須牢固。在井上制作一對卡盤，內(nèi)徑650mm（同瓦斯管路外徑），將外徑1200mm的鐵板居中掏孔切割成兩部分，分別與卡盤焊接在一起作為封孔鐵盤。當管路下放至設(shè)計高程后，將封口鐵盤通過卡盤牢固固定在瓦斯管路上，實現(xiàn)對管壁與裸孔之間環(huán)形空間的封堵，便于下一步的壁厚充填工作。封口鐵盤要求剛度能夠達到充填砂漿的沖擊慣性，焊接牢靠，卡盤緊固，以免在充填過程中發(fā)生變形及脫落；（2）防止管道在充填砂漿過程中變形損壞：砂漿在凝固之前處于流動狀態(tài)，這樣充填到一定的高度后，砂漿對豎井底部管道會產(chǎn)生很大壓力，管道可能會產(chǎn)生變形，進而破壞。灌漿和管道內(nèi)注水同時進行。為了防止管道變形，灌漿時管道內(nèi)注水，漿液與管內(nèi)水高差不大于10m，這樣減小管壁的內(nèi)外壓差，確保管道安全。排水閥門。下管前，做好閥門接口，下管到位后，在井下安裝排水閥門，閥門的承載力不小于26kg/cm2。待充填砂漿初凝后，打開排水閥門放盡管道內(nèi)水。排水閥門是隨“鐵板端頭”的封焊鐵板一起切割掉。

3 結(jié)語

煤礦瓦斯抽排放井筒以及各類豎井施工時采用反井鉆進，不僅能夠充分利用礦井中的原有設(shè)備，把反井施工的高效快捷優(yōu)勢發(fā)揮出來，而且加快了工程進度，實現(xiàn)安全、快速、優(yōu)質(zhì)為目的，因此反井鉆機將會在煤礦的各類井筒施工中得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻

[1] 劉志強.大直徑反井鉆機及反井鉆進技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，（11）.

[2] 汪船.唐安煤礦瓦斯管道抽放豎井施工技術(shù)[J].煤炭工程，2009，（9）.

[3] 李志，李俊生，王強.BMC300型反井鉆機的研制及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，（9）.

[4] 荊國業(yè).大口徑瓦斯抽排井反井施工技術(shù)[J].煤炭技術(shù)，2014，（6）.

作者簡介：李丙乾（1987-），男，山西太原人，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院研究生在讀，北京中煤礦山工程有限公司助理工程師，研究方向：煤礦工程。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）