煤炭 工程 ２０１３年第２期 投料孔施工技术及其应用 刘永芳，孟建勇，史 勇，姜海峰，池 鹏 （同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司，山西朔州０３６０００） 摘要：为了缩短麻家梁矿井建设周期，节约基建成本，满足矿井建设需要，采用钻铤孔底 加压、泥浆护壁的工艺技术在地面施工投料孔。基于投料孔在矿井建设中实际应用的重要性，文 章介绍了投料孔施工方法，研究了投料孔应用的经济效益、应用前景及局限性，实践表明，投料 孔在矿井建设中经济效益明显，具有广阔的推广前景。 关键词：投料孔；陀螺定向；矿井建设；孔底加压；泥浆护壁 中图分类号：ＴＤ２６；Ｐ６３４．５文献标识码：Ｂ文章编号：１６７１—０９５９（２０１３）０２－００４０－０３ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｍｉｎｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｇｒｏｕｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｆｅｅｄｉｎｇ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＬＩＵ Ｙｏｎｇ—ｆａｎｇ，ＭＥＮＧ Ｊｉａｎ—ｙｏｎｇ，ＳＨＩ Ｙｏｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｈａｉ—ｆｅｎｇ，ＣＨＩ Ｐｅｎｇ （Ｄａｔｏｎｇ Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｊｉａｌｉａｎｇ Ｃｏａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄ．，Ｓｈｕｏｚｈｏｕ ０３６０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｅｉｒｏｄ ｏｆ Ｍａｊｉｌａｉａｎｇ Ｍｉｎｅ，ｔｏ ｓａｖｅ ｔｈｅ ｃａｐｉｔａｌ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａ ｄｒｉｌｌ ｃｏｌｌａｒ ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｂｏｔｔｏｍ ａｎｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｍｕｄ ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ ｓｈａｆｔ ｗａｌｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｅｅｄｉｎｇ ｂｏｒｅｈｏｌｅ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｅｅｄｉｎｇ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ａｎｄ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｅｅｄｉｎｇ ｂｏｒｅｈｏｌｅ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｅｅｄｉｎｇ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｗｏｕｌｄ ｈａｖｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ａｎｄ ｗｉｄｅ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｅｅｄｉｎｇ ｂｏｒｅｈｏｌｅ；ｇｙｒｏ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ；ｍｉｎｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｓｈａｆｔ ｗａｌｌ ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｍｕｄ 同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司是一座千万吨大型 矿井，井田采用立井双水平开拓，初期布置主立井、副立 井、回风立井３个井筒，开采４ 煤层。由于矿井提升系统 未完全建成使用，只有风井临时小罐笼承担人员、物料运 送，但运送能力有限，物料运送无法满足井下正常施工需 求，因此设计施工投料孔用于井下部分基建砂石碎料运输， 缓解风井运输压力，缩短矿井建设周期，节约基建成本。 由于受孔径、下料性质及深度等因素的影响，投料孔 下入ｑｂ２１９ｍｍ套管，井管外全段用ＰＯ４２．５号水泥进行固井 止水。本孔穿越第四系松散层，二叠系的砂岩、泥岩层，终 孔于石炭系的５ 煤下部砂岩层位。 １．１投料孔定位 １ 投料孔采用ＺＧＬ１３一ＣＸ一６ｂ型陀螺测斜仪在￣８９ｍｍ 钻杆内对全孔进行了精确的斜度测量，测量误差０．２ｍ，准 确定位了投料孔在井下的确切位置，如图１、图２所示。 １．２ 钻孔斜度测量 钻孔斜度测量，即在钻孔 地面控制点 地面控制点 只能用于投送石子和砂混合料，不适于投送易凝固、起尘、 粒径大于３５ｍｍ的石子（易碎），以防投料孔堵塞及造成井 下工作环境污染。同时考虑投料孔应用的局限性，不适合 投料孑Ｌ投送的物料将由副井承担。 的施工过程中，借助一定的技 术方法，根据对钻孔轨迹的精 度要求确定的测点间距测量出 １投料孔定位及测斜 １ 投料孔位于麻家梁煤业公司工业广场内，投料孑Ｌ地面 孔口坐标为：Ｘ＝４３３９４６８．２０８；Ｙ＝６２２５１３．１７１，井下孔ＦＩ位 这些特定点的轨迹参数，再计 算出钻孔实际的二维或三维轨 是测量钻孔空间轨迹的唯一手 段，只有钻孔轨迹的数据精确可靠，才能有效地对地层情 陀螺仪 迹曲线的过程。钻孔测斜技术 图１陀螺定向示意图 于＋６６５ｍ辅运巷北侧２ｍ。１４投料孔设计孔深５３６．７０ｍ，全孔 收稿日期：２０１２—０６—２９ 作者简介：刘永芳（１９８８一），男，河南林州人，地质工程师，毕业于辽宁工程技术大学地质工程专业，现在同煤浙能 麻家梁煤业有限责任公司从事勘探工程研究。 ２０１３年第２期 煤炭工程 况进行准确的评估和预测，钻孔测斜的主要参数是钻孔顶 在距起吊端１．２ｍ处沿周边均匀焊设３个起吊卡块，卡块厚 １０ｍｍ，长宽在３０—４０ｍｍ之间，以便于控制对接精度，保 证连接强度。 角和方位角，钻孔测斜仪就是测量钻孔顶角和方位角的专 用仪器。一般钻孔顶角的测量是利用重锤原理和液面水平 原理，其测量相对较为简单，而方位角的测量是利用地磁 场的定向原理来测量钻孔方位。一般的测斜仪器适用于非 磁性环境、无磁干扰的钻孔，而且测量结果受孔径和磁性 的影响很大。对于投料孔、电缆孔等定向性强的钻孔和磁 性钻孔及在套管中测量时一般的测斜仪器就满足不了要求， ３）钻孔固井。固井是钻工成井的一个重要环节，固井 质量的好坏，直接影响着钻孔的总体质量和使用寿命。本 孔作为投料孔，下部与巷道相通，固井工作尤为重要。本 孔固井采用石油勘探的专用固井车，大泵量，高强度，高 压力地进行套管外全孔封闭，全孔共注入Ｐ０４２ ５号水泥 必须使用测量精度高和适用于磁性环境、有磁干扰的钻孔 测斜仪。适用于磁性矿区、有磁干扰的钻孔测斜仪就是利 用惯性导航定向原理（陀螺定向）来测量钻孔方位角的陀螺 测斜仪。其定向部件是方位陀螺仪，它是利用修正装置、 消除地球自转影响的三自由度陀螺仪。自由陀螺仪相对固 定坐标系的稳定性（又叫定轴性）和进动规律，是陀螺测斜 仪的工作基础。因方位陀螺仪的主轴能保持在水平和初始 给定的方位上，所以，可作为钻孔方位角测量的基准。钻 孔方位角（ ）的测量是由钻孔测量起点平面Ｑ（陀螺仪地面 定向方位）与钻孔终点平面Ｚ（钻孔倾斜方向）间的终点角 （ ），根据钻孔顶角数值换算而得，ｌ 投料孔陀螺测斜仪成 果见表１。 ７４．２１４ ８．５１６ Ｘ４３３９４６８．２０８ Ｙ＝６２２５１３．１７１ 图２ １ 投料孑Ｌ终孑Ｌ坐标 ２投料孔施工 ２．１施工设备 钻机采用红星一６００型；泥浆泵采用ＴＷＢ一８５０／５０型； 钻具组合为“孔底钻头￣２４５ｍｍ＋三牙轮钻头＋￣１６８ｍｍ 加重钻铤９根＋￣８９ｍｍ钻杆”。 ２．２施工工艺 １）钻孔施工。施工前先对钻孔位置进行放样，根据孔 位进行钻机的固定，孔位定位误差控制在４ｅｒａ以内。钻机 安装、固位好后进行全面钻机调试和垂直度的检查，成孔 开始前应充分做好准备工作，成孔施工应一次不问断地完 成，不能出现无故停钻，同时做好录井工作。为保证钻孔 的垂直度，施工工艺采用钻铤孔底加压、泥浆护壁的工艺， 钻进过程中定期进行垂直度的检查，保证垂直度厂．＜０．２。 ２）投放护壁管。护壁管下管流程：钢管编号一钢管起 吊一定位对接一焊接一起吊下放。钢管之间采用对焊焊接， １８ｔ，固井效果优良，没有漏水现象。 表１ １ 投料孔陀螺测斜仪成果表 ２．３ 施工中出现的问题 ２０１１年４月１５日开始钻进，钻进至３７０ｍ砂岩层时发 生泥浆漏失，经过封堵后恢复钻进。当钻进至４９５ｍ时，孔 壁岩石破碎，裂隙极度发育，孔内泥浆全部漏失。上部冲 积层中的流砂等松散胶结层，孑Ｌ壁失去稳定发生坍塌，导 致埋钻事故。事故发生后，项目部积极寻求解决方法，租 赁反丝事故处理钻杆４９０ｍ，专用吊卡吊钳６台套，打捞丝 锥１２个。进场优质膨润土３０ｔ，水解聚丙烯一胺盐、Ｌｖ— ＣＭ、石油泥浆专用堵漏剂等各种泥浆处理剂近３ｔ，锯末 ５０ｍ 。筹措￣２７４ｍｍ和 ３ｍｍ ３４０口径套管３８ｔ，并从其它 项目部抽调专业技术人员进行技术支持。为加快事故的处 ４１ 煤炭工程 ２０１３年第２期 理，大胆引用石油勘探事故处理中的特长套铣筒处理技术， 大大加快了事故的处理进度。但是由于该孔地层复杂，破 碎严重，虽然使用了大量的泥浆、锯末、化学堵漏剂以及 ３６ｔ水泥，但收效甚微。而且在４月２３日还发生了孔内粘 稠泥浆由砂岩裂隙通道渗入副井筒内的严重漏失事故。鉴 Ｙｒ＿／ｍ 。截止２０１２年５月１０日共计下料６８９０ｍ。，若由副井 承担砂石碎料的运输，共计成本为１１３．６８万元。 综上所述，若井下建设用砂石碎料全部由投料孔承担， 在成本核算上节约９２．０１万元。 ４存在的问题及建议 于这种情况，只能采取边堵边施工边处理，最后下入套管 进行隔离的综合处理措施，纵观本次事故的处理时间，孔 内堵漏和天气影响占了全部处理时间的２／３。本事故处理， 下入￣３４０ｍｍ大口径套管２７１．８０ｍ，下入ｄＰ２７３ｍｍ大口径 套管１９２ｍ，共用膨润土６０ｔ，水泥３６ｔ，锯末７５ｍ ，各种处 理剂２．５ｔ，打捞丝８个。４９０ｍ反丝事故处理钻杆４２ｄ，租 用１２０ｍ￣１９４ｍｍ特制专用套铣筒１５ｄ。终于于６月１２日将 事故处理结束，随后转入正常的钻孔施工阶段。 ２．４施工成果 １）投料孔地面孔口坐标为：Ｘ＝４３３９４６８．２０８；Ｙ＝ ６２２５１３．１７１，最终孔深５３７．３ｍ，终孔位于＋６６５ｍ辅运巷北 侧２ｍ，终孔坐标 ：４３３９４７４．２１４；Ｙ＝６２２５１８．５１６，施工 误差１．４ｍ。 ２）孔径：０—２７１．８０ｍ， ０ 孔径４５０ｒａｍ；２７１．８０～４５２ｍ， ４５０ 孔径３２０ｍｍ；４５２—５３７．０９ｍ， ３４０ 孔径２５５ｍｍ。 、： ； ３）护孔套管：０—２７１．８０ｍ， ； ； 下人ｄｐ３４０ｍｍ大口径套管 ２ｌ９ ： ： ２７１．８０ｍ；２６０～４５２ｍ．下入 ２６０ｍ ｑｂ２７３ｍｍ大口径套管１９２ｍ。 ｉ ３２０ ： ， ２７１．８ｍ ＋ ： ４）孔壁管：０—５３７．５０ｍ， ２７３： 下入ｑｂ２１９ｍｍ×８．９４ｒａｍ石油套 ： ： 管５３７．０９ｍ，１ 投料孔钻孔及 套管结构如图３所示。 ｉ ２５５ ｉ ５）钻孔固井：共注入 ＰＯ４２．５号水泥１８ｔ。水灰比 ５３７ｍ ０．６，全孔段封闭，井口返出水 图３ １ 投料孔钻孔及 泥浆，固井效果优良，没有漏 套管结构图（ｍｍ） 水现象。 ３投料孔经济效益分析 Ｉ）ｌ 投料孔共计施工成本７３．５３万元。 ２）１ 投料孔是在该矿主副立井未完全建好，风井承担 回风、人员及物料运输等重要任务无法满足正常井下生产 所需的情况下进行设计施工。在投料孔建成投料后，一方 面大大缓解风井压力，使人员和设备能及时上下井，顺利 有序进行基建生产；另一方面从经济方面，当时风井一次 性运砂石料成本为６６．２元／ｍ ，在投料孔正式投入使用前 风井共计下砂石料７８３４ｍ ，共计成本为５１．８６万元。 ３）副井投入运营后，风井只承担回风工作，由副井承 担上下人员、设备及物料工作。副井一次下料成本为１６５ ４２ １）原孑Ｌ径较小，应采用相对较大的孔径。 ２）原套管采用无缝钢管，为增加其使用寿命，孔内套 管最好采用高耐磨套管。 ３）应增设缓冲装置，由于深度较大，利用孑Ｌ径逐渐减 小的办法不能有效地对运送材料进行缓冲，到达井底时冲 击力较大，建议增设波浪弧线型缓冲带。 ４）在钻进至３７０ｍ时，发生漏浆事故，导致松散层段 塌陷，以后的施工中，应在松散层段及基岩风化带下护壁 套管，确保钻进安全。 ５）在钻孔深度较大时，要保证一定的垂直度，确保下 料顺利进行。 ６）投料孔布置施工最好与矿井井下基建同时进行，以 节约成本，减少人力和物力。 ７）投料孔地面孔位应高于历年最高洪水水位，防止地 面积水进人投料孔，对井下造成水害威胁。 ５ 结语 １）投料孔应用具有一次投资，长期受益，放便、快 捷、高效，全天候使用，不受其它因素干扰的特点，在满 足矿井建设需要的前提下，大大减轻了副井的运输压力， 节约人力、物力、财力，具有巨大的经济效益。尤其在矿 井基建阶段，缩短建设周期，减少建设成本，对矿井建设 具有重要意义。从长远来看，投料孔应用的经济效益将更 加明显。 ２）根据投料孔的实际应用情况，投料孔不仅可在矿山 企业广泛应用，也可广泛应用于隧道、地铁等地下工程， 可根据不同的建设要求，设计不同规格的投料孔，以适应 投料性能需求。 参考文献： ［１］ 陈伟，汤洪刚，张涛，等．陀螺全站仪在小型矿井联系 测量中的应用［Ｊ］．中州煤炭，２００９，（８）：３５～３６，４５． ［２］ 王保平．使用ＰＺ、ＣＧ型钻头施工大口径深孔的实践［Ｊ］． 探矿工程（岩土钻掘工程），１９９９，（５）：３１． ［３］ 曹增国．小ＩＳｌ径测斜仪用于水井测斜的偏差分析［Ｊ］．工 程勘察，１９８４，（４）：２２． ［４］ 方 兴，廖先葵．深孑Ｌ定向岩芯钻探［Ｊ］．采矿技术， １９８８，（３６）． 『５］ Ｍｅｅｎ—ｗａ｝ｌ Ｇｕｉ，Ｊｅａｎ—Ｐｉｅｒｒｅ Ｈａｍｅｌｉｎ．钻孔测量系统在岩土 勘探中的应用（上）［Ｊ］．岩土工程界，２００５，（３）：１２～１５． ［６］ 彭从斌．不同顶角钻进对钻孔弯曲度的影响［Ｊ］．地质与 勘探，１９６４，（５）． （责任编辑张宝优）
