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. 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