摘 要 巨野煤田總地質(zhì)儲(chǔ)量55.7億t,是目前山東省面積最大、儲(chǔ)量最多的煤田。煤層厚且 賦存較穩(wěn)定，可采區(qū)煤層平均厚度7.16m，有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效機(jī)械化開(kāi)采。煤質(zhì)硬度小， 為低灰、低磷、特低硫，中高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)煤。外部建設(shè)條件優(yōu)越，具有很高的開(kāi)發(fā)價(jià)值。 但煤層上部覆蓋有深厚表土不穩(wěn)定含水地層，需采用地層凍結(jié)法或鉆井法施工井筒，其深度 比國(guó)內(nèi)已施工的井筒分別大170m和100m，是新井開(kāi)發(fā)必須攻克的技術(shù)關(guān)鍵。研究了在巨野煤 田進(jìn)行鉆井法鑿井和地層凍結(jié)法鑿井需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。��

關(guān)鍵詞 巨野煤田  技術(shù)關(guān)鍵 深厚表土 特殊鑿井��

1 開(kāi)發(fā)巨野煤田的基本條件��

1.1 礦區(qū)位置及資源條件

巨野礦區(qū)位于山東省西南部，東距濟(jì)寧市65km,西離菏澤市40km。礦區(qū)包括巨野煤田和 梁寶寺煤田。巨野煤田面積約960km��2,地跨菏澤市的鄆城、巨野、菏澤、成武四縣（市） 。 梁寶寺煤田面積約250km��2，地處濟(jì)寧市的嘉祥縣境內(nèi)。巨野礦區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，總地質(zhì)儲(chǔ) 量55 .7億t,是目前山東省面積最大儲(chǔ)量最多的煤田。煤層厚且賦存較穩(wěn)定，可采區(qū)煤層厚度平均 為7.16 m，有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效機(jī)械化生產(chǎn)。煤質(zhì)為低灰、低磷、特低硫，中高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)煤， 且煤類(lèi)齊全，煤質(zhì)優(yōu)良，礦區(qū)山西組煤層為氣煤、1/3焦煤、肥煤、天然焦和無(wú)煙煤。其中 肥煤地質(zhì)儲(chǔ)量約18.8億t，是山東省比較緊缺的煤類(lèi)，具有很高的開(kāi)發(fā)價(jià)值。��

1.2 礦區(qū)開(kāi)發(fā)的外部條件

巨野礦區(qū)交通十分方便，京 九鐵路從煤田北部鄆城通過(guò)，兗新 鐵路從煤田中部穿越并在菏澤與京九鐵路相會(huì)，向西至新鄉(xiāng)與京廣線接軌，向東至兗州與京 滬線相連，再向東經(jīng)兗石線至日照煤港。水資源比較豐富，礦區(qū)第四系和上第三系含水層水 量比較豐富，可作為工業(yè)用水。奧陶系灰?guī)r水，水質(zhì)較好，可作為生活飲用水。供 電電源充足可靠，礦區(qū)附近現(xiàn)有菏澤、濟(jì)寧兩座電廠，東部有三里廟220kV區(qū)域變電站，北 部鄆城有一座110kV變電站，還擬建一座220kV變電站。通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)己實(shí) 現(xiàn)“無(wú)縫覆蓋”， 外部建設(shè)條件十分優(yōu)越。��

1.3 煤田覆蓋有深厚新生界表土不穩(wěn)定地層

 初測(cè)平均 620m，已進(jìn)行預(yù)可行性研究論證的 龍固礦井和郭屯礦井，工業(yè)廣場(chǎng)新生界地層厚為530～570m，井筒必須采用深厚表土不穩(wěn)定 含 水地層的特殊施工方法——地層凍結(jié)法或鉆井法施工。而且粘土性土層累積厚度占80％以上 ，部分粘土、砂質(zhì)粘土易吸水膨脹，具有較強(qiáng)的可塑性，是新井開(kāi)發(fā)必須攻克的技術(shù)關(guān)鍵。 ��

2 井筒特殊施工的主要技術(shù)關(guān)鍵��

2.1 目前國(guó)內(nèi)外特殊鑿井的技術(shù)水平

鉆井法鑿井作為施工深厚不穩(wěn)定含水地層，我國(guó)經(jīng)過(guò)“六五”、“七五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān) ，綜合技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平，己鉆成井筒55個(gè)，典型工程有：淮南謝橋西風(fēng)井，鉆井深度 464m，通過(guò)表土不穩(wěn)定含水地層厚402m，最大鉆井直徑9.3m，成井直徑7.0m；淮南潘三西風(fēng) 井，鉆井深度508m，通過(guò)表土層440m，最大鉆井直徑9.0m，成井直徑6.0m；正在建設(shè)的淮北 許疃礦，主、副、風(fēng)三個(gè)井筒都采用鉆井法施工，其中巳竣工的主井和風(fēng)井成井偏斜率分 別為0.2‰和0.1‰，正在施工的副井鉆井直徑9.0m，成井直徑6.8m。國(guó)外鉆井法用于施工類(lèi) 似我國(guó)地層條件的井筒不多，比較典型的有：德國(guó)鉆機(jī)在荷蘭施工的煤礦，深512m，直徑7. 65m；美國(guó)在巖層中施工了深1800m，直徑3.0m鉆孔。地層凍結(jié)法鑿井，我國(guó)目前巳是世界 上 使用最多的國(guó)家之一，開(kāi)鑿了400多個(gè)豎井井筒，其中河南永夏礦區(qū)陳四樓副井最大凍結(jié)深 度435m，山東金橋礦副井穿過(guò)最大表土不穩(wěn)定含水地層厚383m，山東濟(jì)寧三號(hào)井副井最大成 井直徑8.0m�；�本掌握了500m深豎井凍結(jié)的綜合技術(shù)。國(guó)外在煤礦中凍結(jié)深度最深的是波蘭 的盧布林一號(hào)井副井，成井6.0m，凍結(jié)深度725m；凍結(jié)不穩(wěn)定的第三系和第四系地層，具有 代表性的是德國(guó)的Jacba井，凍深558m。其它做為深部含水巖層的地層凍結(jié)，英國(guó)的博爾比 鉀鹽礦，凍結(jié)深度達(dá)930m。��

2.2  鉆井法鑿井技術(shù)關(guān)鍵

鉆井法鑿井機(jī)械化程度高，打井不下井，施工操作安全，井壁質(zhì)量好，在井型適當(dāng)?shù)臈l件下 ，施工深厚表土不穩(wěn)定含水地層的井筒，具有明顯的優(yōu)越性，但目前巨野計(jì)劃建設(shè)的井筒表 土層厚530m～570m，比目前國(guó)內(nèi)已施工井筒的深度大100m左右。隨著鉆井深度的增加，施工 中將遇到一些新的問(wèn)題，如合理選用井壁的結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到減小厚度的目的，特別是龍固礦 風(fēng)井的成井直徑和郭屯礦副井井筒的有效直徑要求達(dá)到6.5m和6.3m。鑒于目前鉆機(jī)的設(shè)備能 力，井壁結(jié)構(gòu)合理與否，將決定采用鉆井法施工的可能性。初步取得的地質(zhì)資料表明，不穩(wěn) 定地層第三系地層中80%以上屬粘土性土層，遇水膨脹或崩裂將是鉆孔施工成敗的關(guān)鍵。在 井底工作的破巖刀具和測(cè)井儀，密封部分的耐壓能力，鉆孔最大體積超過(guò)4萬(wàn)m��3的泥漿循 環(huán)凈化系統(tǒng)，以及鉆進(jìn)參數(shù)和施工工藝的研究等等，都有待于研究解決。��

2.2.1 考慮豎向附加力的新型井筒支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究

對(duì)于成井直徑(或有效斷面直徑)6.5m的 井筒,根據(jù)鉆機(jī)設(shè)備能力和空間平面尺寸，最大鉆孔直徑受到限制。為了保證600m長(zhǎng)的井壁 在鉆孔中順利懸浮下沉安裝，以及壁后充填固井的需要，井壁外側(cè)和井幫之間需留有一定的 空間。經(jīng)驗(yàn)證明它與井深成正比。分析現(xiàn)有350～508m井筒的相關(guān)參數(shù)可以得出，采用內(nèi) 管充 填方式，壁后預(yù)留空間約需��0.50m��，據(jù)此推算最大井壁厚度為0.9m。因此必須研究一種 既能 同時(shí)抵御水平地壓和豎向附加力作用，又能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工條件的高強(qiáng)、高效井壁結(jié)構(gòu)，應(yīng)用 成熟的理論和規(guī)范對(duì)井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的強(qiáng)度和變形計(jì)算，以保證井壁在長(zhǎng)期使用中的安全 。��

2.2.2 井筒支護(hù)施工工藝的研究

鉆井法鑿井井筒支護(hù)采 用預(yù)制井壁懸浮下沉安裝的方法， 井壁節(jié)之間用鋼法蘭盤(pán)連接。為了保證井壁的正直，需采用鋼楔塊找正，井壁之間僅由楔塊 、焊縫和局部接觸的法蘭盤(pán)來(lái)傳遞豎向荷載，往往造成豎向荷載傳遞的不均勻性。為了避免 或減小這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，必須研究適應(yīng)于600m深井壁的節(jié)間聯(lián)接處理工藝及材料。地層豎向 附加力是井壁長(zhǎng)期使用中承受的主要外力之一，也是近年來(lái)一些井筒發(fā)生井壁局部破壞的直 接原因，必須通過(guò)充填段高合理劃分和充填材料的研究，來(lái)減小井壁豎向附加力，并通過(guò)試 驗(yàn)研究確定它的取值。��

2.2.3 600m深井泥漿護(hù)壁的研究

泥漿臨時(shí)護(hù)壁是保證表土不穩(wěn)定地層中鉆孔安全施工的基 本條件。巨野煤田井筒設(shè)計(jì)深度600m左右,最大鉆孔直徑9.4m,鉆進(jìn)中孔壁暴露時(shí)間長(zhǎng) ， 保證砂層的穩(wěn)定和粘土層的防水化是泥漿護(hù)壁的首要任務(wù)。原則上說(shuō)護(hù)壁仍然是以足夠的泥 漿柱靜壓和薄韌的泥皮來(lái)抵御砂層中的水和機(jī)械因素引起的失穩(wěn)塌井，以及控制泥漿失水， 達(dá)到防止粘土層膨脹、崩裂引起縮徑和片幫。因此，必須根據(jù)地層的具體條件，研究配制相 應(yīng)的化學(xué)泥漿，并在鉆進(jìn)中隨時(shí)檢測(cè)，使泥漿始終保持適應(yīng)地層變化的良好參數(shù)。��

2.2.4 抑制造漿和廢棄泥漿處理的研究

大直徑鉆井采用反循環(huán)泥漿洗井，泥漿在鉆桿中通 過(guò)壓氣作高速上升運(yùn)動(dòng)，攜帶鉆進(jìn)中鉆頭破碎下來(lái)的土塊巖屑，經(jīng)排漿管排出地面，進(jìn)入泥 漿凈化池。巨野煤田井筒體積可超過(guò)4萬(wàn)m��3，泥漿總循環(huán)量達(dá)10萬(wàn)m��3以上，因此，開(kāi)展 抑制造 漿和優(yōu)化地面凈化系統(tǒng)，達(dá)到減少泥漿總循環(huán)量并及時(shí)凈化處理泥漿中的攜帶物，將關(guān)系到 工程的順利進(jìn)行和它的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。鉆進(jìn)用的泥漿由于復(fù)雜地層護(hù)壁的特殊需要，往往加 入一些化學(xué)處理劑，根據(jù)井場(chǎng)環(huán)保的具體要求，需要對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程多余的廢漿及成井后全部棄 漿進(jìn)行水土分離處理，最終達(dá)到水可直接排放，土可堆積裝運(yùn)。��

2.2.5 防止泥包鉆頭加快鉆進(jìn)速度的研究

巨野煤田新生界表土層80%以上為粘土，避免泥包 鉆頭是鉆進(jìn)中一個(gè)很重要的問(wèn)題，它對(duì)整個(gè)井筒的鉆進(jìn)速度影響很大，減少泥包鉆頭的基本 措施是，選用合適的破巖刀具，并根據(jù)破巖規(guī)律設(shè)置鉆頭吸收口；選擇好鉆進(jìn)參數(shù)并隨地層 變化適時(shí)予以調(diào)整；注意加強(qiáng)泥漿凈化處理和優(yōu)化泥漿參數(shù)。 

2.2.6 提高井下設(shè)備密封性及耐用性的研究

巨野煤田井筒鉆井工程超過(guò)目前施工最深井筒 近百米，對(duì)破巖刀具和超聲波測(cè)井儀等井下設(shè)備的耐壓性能提出新的要求。它關(guān)系到設(shè)備的 正常使用，以及工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效果。滾刀的使用壽命,對(duì)鉆井法鑿井的施工成本影響很大 ，進(jìn)一步研究�〤rMnMo��空冷耐磨鋼的物理力學(xué)和機(jī)械性能，提高破巖效率，以及在空冷狀 態(tài)下 獲得良好的機(jī)械性能，以實(shí)現(xiàn)刀齒修復(fù)不需熱處理的空冷自硬。影響滾刀使用壽命的另一 個(gè) 因素是刀體的密封，滾刀直接在井下長(zhǎng)時(shí)間滾動(dòng)破巖，如刀體密封性能不好，泥漿中的顆粒 進(jìn)入軸承，將直接影響滾刀的使用壽命。研究、改進(jìn)新型刀體密封及壓差自動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)，使 密封耐壓性能達(dá)到滿足鉆深大于600m鉆井的需要。�� 

深井不提鉆檢測(cè)井筒的偏斜情況，不僅有著技術(shù)進(jìn)步的意義，而且可減少鉆進(jìn)輔助時(shí) 間，提高成井速度�，F(xiàn)有的超聲波測(cè)井儀需要研究一種新型探頭及密封結(jié)構(gòu)使其抗壓能力達(dá) 到適應(yīng)于650m以上深井使用。同時(shí)開(kāi)發(fā)一種專(zhuān)用數(shù)據(jù)接口，使測(cè)井儀能與普通微機(jī)直接進(jìn)行 數(shù)據(jù)交換和通訊。新改進(jìn)的測(cè)井儀要求可測(cè)直徑0.8～12m，測(cè)量精度±0.5%～1.0%，滿足巨 野煤田鉆井法鑿井施工的需要。��

3 凍結(jié)法鑿井技術(shù)關(guān)鍵

凍結(jié)法鑿井具有使用方便，施工井筒垂直度容易保證，國(guó)內(nèi)最大成井直徑已達(dá)到8m，并可 與下部井筒注漿工作平行作業(yè)加快建井速度，對(duì)于解決600m以上深井的施工問(wèn)題，核心還是 “一鉆兩壁”，技術(shù)上需開(kāi)展以下方面的研究。��

3.1 系統(tǒng)開(kāi)展深厚表土層人工凍土物理力學(xué)特性的研究

利用先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試技術(shù) ，針對(duì)巨野地區(qū)深厚表土的具體條件，開(kāi)展系統(tǒng)的有代表性的原始狀態(tài)凍土物理力學(xué)特性的 實(shí)驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上建立工程實(shí)用模型，使其服務(wù)于工程。��

3.2 深井凍結(jié)工藝的研究

要實(shí)現(xiàn)600m深井凍結(jié)法施工，最重要是通過(guò)國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程的 施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套比較完整的凍結(jié)工藝設(shè)計(jì)，包括凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)理論，為達(dá)到設(shè)計(jì)要求 合理的凍結(jié)孔數(shù)量、布置方式，考慮掘砌時(shí)間、掘砌工藝對(duì)凍結(jié)壁的動(dòng)態(tài)影響，土層凍融過(guò) 程及豎向附加力對(duì)永久井壁的影響等等。��

3.3 凍結(jié)孔鉆進(jìn)、測(cè)斜、糾偏技術(shù)的綜合研究

研制或改進(jìn)現(xiàn)有鉆機(jī)，使其達(dá)到滿足650m 凍結(jié)孔鉆進(jìn)的需要，實(shí)現(xiàn)測(cè)斜和定向工藝參數(shù)的測(cè)量、采集、顯示智能化。研究深井凍結(jié)的 凍結(jié)管管材和凍結(jié)器接頭形式，提高凍結(jié)管強(qiáng)度和抗變形性能，防止施工過(guò)程中凍結(jié)管斷裂 。��

3.4 凍結(jié)壁設(shè)計(jì)方法的研究

合理的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)是凍結(jié)法安全施工的基本保證，隨著凍 結(jié)深度和圈徑的增加，凍結(jié)壁整體強(qiáng)度的不均勻性更加突出，設(shè)計(jì)中應(yīng)全面考慮地層條件， 環(huán)境條件和施工條件的變化，設(shè)計(jì)應(yīng)該是動(dòng)態(tài)地全面分析凍結(jié)壁的穩(wěn)定和位移因素。��

3.5 發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)綜合實(shí)測(cè)技術(shù)

工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是檢驗(yàn)理論分析 和保證信息化施工的重要手段 ，在長(zhǎng)期的科研和工程實(shí)踐中積累了大量的寶貴數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，但由于巨野煤田的凍結(jié)深度、 地層條件有著許多的特殊性，加強(qiáng)實(shí)測(cè)及時(shí)反饋信息，對(duì)安全快速指導(dǎo)施工，具有重要意義 。

3.6 井壁結(jié)構(gòu)、材料及施工工藝的研究

開(kāi)發(fā)研究適合于低溫條件下施工的早強(qiáng) 、高效新 型材料，開(kāi)發(fā)滿足承受凍結(jié)壓力、控制凍結(jié)壁位移、以及各種原因產(chǎn)生的不均勻受壓和長(zhǎng)期 使用中由于地層下降產(chǎn)生的豎向附加力作用的新型井壁結(jié)構(gòu)，保證井壁在施工過(guò)程和長(zhǎng)期使 用中的安全。��

參考文獻(xiàn)

1 煤炭工業(yè)部濟(jì)南設(shè)計(jì)研究院.山東省巨野礦區(qū)《總體開(kāi)發(fā)規(guī)劃》（匯報(bào)提綱）.��

2 洪伯潛.特殊鑿井技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展與應(yīng)用.中國(guó)煤炭,2000，4��

3 洪伯潛.巨野煤田鉆井法鑿井施工的技術(shù)關(guān)鍵.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào),2001，增刊

作者簡(jiǎn)介

洪伯潛（1931-），男，中國(guó)工程院院士，博士生導(dǎo)師， 1956年畢業(yè)于浙江 大學(xué)，現(xiàn)任煤炭科學(xué)研究總院副總工程師，北京中煤礦山工程有限公司（煤科總院北京建井研 究所）總工程師，長(zhǎng)期從事煤礦鉆井法鑿井技術(shù)的研究工作，主持完成國(guó)家及部、院課題29 項(xiàng)，8次獲國(guó)家及部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)，其中國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，部級(jí)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng) ，一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，發(fā)表“大直徑煤礦井筒鉆井法鑿井”、“約束混凝在井筒支護(hù)中的研究和應(yīng)用”等論文30余篇。