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反井鉆機在大陽煤礦瓦斯抽排井施工中的應(yīng)用

2015-03-26 18:19李丙乾
中國高新技術(shù)企業(yè) 2015年5期
關(guān)鍵詞:施工工藝

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

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[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)

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