摘 要 巨野煤田總地質(zhì)儲量55.7億t,是目前山東省面積最大、儲量最多的煤田。煤層厚且 賦存較穩(wěn)定，可采區(qū)煤層平均厚度7.16m，有利于實現(xiàn)高產(chǎn)高效機械化開采。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。外部建設條件優(yōu)越，具有很高的開發(fā)價值。 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 比國內(nèi)已施工的井筒分別大170m和100m，是新井開發(fā)必須攻克的技術(shù)關(guān)鍵。研究了在巨野煤 田進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，地處濟寧市的嘉祥縣境內(nèi)。巨野礦區(qū)煤炭儲量豐富，總地質(zhì)儲 量55 .7億t,是目前山東省面積最大儲量最多的煤田。煤層厚且賦存較穩(wěn)定，可采區(qū)煤層厚度平均 為7.16 m，有利于實現(xiàn)高產(chǎn)高效機械化生產(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、天然焦和無煙煤。其中 肥煤地質(zhì)儲量約18.8億t，是山東省比較緊缺的煤類，具有很高的開發(fā)價值。��

1.2 礦區(qū)開發(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，兗新 鐵路從煤田中部穿越并在菏澤與京九鐵路相會，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)絡發(fā)達，移動無線通信網(wǎng)己實 現(xiàn)“無縫覆蓋”， 外部建設條件十分優(yōu)越。��

1.3 煤田覆蓋有深厚新生界表土不穩(wěn)定地層

 初測平均 620m，已進行預可行性研究論證的 龍固礦井和郭屯礦井，工業(yè)廣場新生界地層厚為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，具有較強的可塑性，是新井開發(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，我國經(jīng)過“六五”、“七五”國家重點科技攻關(guān) ，綜合技術(shù)達到世界先進水平，己鉆成井筒55個，典型工程有：淮南謝橋西風井，鉆井深度 464m，通過表土不穩(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 井，鉆井深度508m，通過表土層440m，最大鉆井直徑9.0m，成井直徑6.0m；正在建設的淮北 許疃礦，主、副、風三個井筒都采用鉆井法施工，其中巳竣工的主井和風井成井偏斜率分 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。國外鉆井法用于施工類 似我國地層條件的井筒不多，比較典型的有：德國鉆機在荷蘭施工的煤礦，深512m，直徑7. 65m；美國在巖層中施工了深1800m，直徑3.0m鉆孔。地層凍結(jié)法鑿井，我國目前巳是世界 上 使用最多的國家之一，開鑿了400多個豎井井筒，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最大表土不穩(wěn)定含水地層厚383m，山東濟寧三號井副井最大成 井直徑8.0m�；�本掌握了500m深豎井凍結(jié)的綜合技術(shù)。國外在煤礦中凍結(jié)深度最深的是波蘭 的盧布林一號井副井，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 代表性的是德國的Jacba井，凍深558m。其它做為深部含水巖層的地層凍結(jié)，英國的博爾比 鉀鹽礦，凍結(jié)深度達930m。��

2.2  鉆井法鑿井技術(shù)關(guān)鍵

鉆井法鑿井機械化程度高，打井不下井，施工操作安全，井壁質(zhì)量好，在井型適當?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，但目前巨野計劃建設的井筒表 土層厚530m～570m，比目前國內(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題，如合理選用井壁的結(jié)構(gòu)形式，達到減小厚度的目的，特別是龍固礦 風井的成井直徑和郭屯礦副井井筒的有效直徑要求達到6.5m和6.3m。鑒于目前鉆機的設備能 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井儀，密封部分的耐壓能力，鉆孔最大體積超過4萬m��3的泥漿循 環(huán)凈化系統(tǒng)，以及鉆進參數(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結(jié)構(gòu)的研究

對于成井直徑(或有效斷面直徑)6.5m的 井筒,根據(jù)鉆機設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 同時抵御水平地壓和豎向附加力作用，又能滿足現(xiàn)場施工條件的高強、高效井壁結(jié)構(gòu)，應用 成熟的理論和規(guī)范對井壁結(jié)構(gòu)進行全面的強度和變形計算，以保證井壁在長期使用中的安全 。��

2.2.2 井筒支護施工工藝的研究

鉆井法鑿井井筒支護采 用預制井壁懸浮下沉安裝的方法， 井壁節(jié)之間用鋼法蘭盤連接。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來傳遞豎向荷載，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 附加力是井壁長期使用中承受的主要外力之一，也是近年來一些井筒發(fā)生井壁局部破壞的直 接原因，必須通過充填段高合理劃分和充填材料的研究，來減小井壁豎向附加力，并通過試 驗研究確定它的取值。��

2.2.3 600m深井泥漿護壁的研究

泥漿臨時護壁是保證表土不穩(wěn)定地層中鉆孔安全施工的基 本條件。巨野煤田井筒設計深度600m左右,最大鉆孔直徑9.4m,鉆進中孔壁暴露時間長 ， 保證砂層的穩(wěn)定和粘土層的防水化是泥漿護壁的首要任務。原則上說護壁仍然是以足夠的泥 漿柱靜壓和薄韌的泥皮來抵御砂層中的水和機械因素引起的失穩(wěn)塌井，以及控制泥漿失水， 達到防止粘土層膨脹、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 應的化學泥漿，并在鉆進中隨時檢測，使泥漿始終保持適應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 過壓氣作高速上升運動，攜帶鉆進中鉆頭破碎下來的土塊巖屑，經(jīng)排漿管排出地面，進入泥 漿凈化池。巨野煤田井筒體積可超過4萬m��3，泥漿總循環(huán)量達10萬m��3以上，因此，開展 抑制造 漿和優(yōu)化地面凈化系統(tǒng)，達到減少泥漿總循環(huán)量并及時凈化處理泥漿中的攜帶物，將關(guān)系到 工程的順利進行和它的技術(shù)經(jīng)濟效果。鉆進用的泥漿由于復雜地層護壁的特殊需要，往往加 入一些化學處理劑，根據(jù)井場環(huán)保的具體要求，需要對鉆進過程多余的廢漿及成井后全部棄 漿進行水土分離處理，最終達到水可直接排放，土可堆積裝運。��

2.2.5 防止泥包鉆頭加快鉆進速度的研究

巨野煤田新生界表土層80%以上為粘土，避免泥包 鉆頭是鉆進中一個很重要的問題，它對整個井筒的鉆進速度影響很大，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)律設置鉆頭吸收口；選擇好鉆進參數(shù)并隨地層 變化適時予以調(diào)整；注意加強泥漿凈化處理和優(yōu)化泥漿參數(shù)。 

2.2.6 提高井下設備密封性及耐用性的研究

巨野煤田井筒鉆井工程超過目前施工最深井筒 近百米，對破巖刀具和超聲波測井儀等井下設備的耐壓性能提出新的要求。它關(guān)系到設備的 正常使用，以及工程質(zhì)量和經(jīng)濟效果。滾刀的使用壽命,對鉆井法鑿井的施工成本影響很大 ，進一步研究�〤rMnMo��空冷耐磨鋼的物理力學和機械性能，提高破巖效率，以及在空冷狀 態(tài)下 獲得良好的機械性能，以實現(xiàn)刀齒修復不需熱處理的空冷自硬。影響滾刀使用壽命的另一 個 因素是刀體的密封，滾刀直接在井下長時間滾動破巖，如刀體密封性能不好，泥漿中的顆粒 進入軸承，將直接影響滾刀的使用壽命。研究、改進新型刀體密封及壓差自動平衡結(jié)構(gòu)，使 密封耐壓性能達到滿足鉆深大于600m鉆井的需要。�� 

深井不提鉆檢測井筒的偏斜情況，不僅有著技術(shù)進步的意義，而且可減少鉆進輔助時 間，提高成井速度�，F(xiàn)有的超聲波測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 到適應于650m以上深井使用。同時開發(fā)一種專用數(shù)據(jù)接口，使測井儀能與普通微機直接進行 數(shù)據(jù)交換和通訊。新改進的測井儀要求可測直徑0.8～12m，測量精度±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，國內(nèi)最大成井直徑已達到8m，并可 與下部井筒注漿工作平行作業(yè)加快建井速度，對于解決600m以上深井的施工問題，核心還是 “一鉆兩壁”，技術(shù)上需開展以下方面的研究。��

3.1 系統(tǒng)開展深厚表土層人工凍土物理力學特性的研究

利用先進的試驗設備和測試技術(shù) ，針對巨野地區(qū)深厚表土的具體條件，開展系統(tǒng)的有代表性的原始狀態(tài)凍土物理力學特性的 實驗研究，并在此基礎(chǔ)上建立工程實用模型，使其服務于工程。��

3.2 深井凍結(jié)工藝的研究

要實現(xiàn)600m深井凍結(jié)法施工，最重要是通過國內(nèi)外相關(guān)工程的 施工經(jīng)驗，總結(jié)出一套比較完整的凍結(jié)工藝設計，包括凍結(jié)壁的設計理論，為達到設計要求 合理的凍結(jié)孔數(shù)量、布置方式，考慮掘砌時間、掘砌工藝對凍結(jié)壁的動態(tài)影響，土層凍融過 程及豎向附加力對永久井壁的影響等等。��

3.3 凍結(jié)孔鉆進、測斜、糾偏技術(shù)的綜合研究

研制或改進現(xiàn)有鉆機，使其達到滿足650m 凍結(jié)孔鉆進的需要，實現(xiàn)測斜和定向工藝參數(shù)的測量、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)管強度和抗變形性能，防止施工過程中凍結(jié)管斷裂 。��

3.4 凍結(jié)壁設計方法的研究

合理的凍結(jié)壁設計是凍結(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)壁整體強度的不均勻性更加突出，設計中應全面考慮地層條件， 環(huán)境條件和施工條件的變化，設計應該是動態(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)場綜合實測技術(shù)

工程現(xiàn)場實測是檢驗理論分析 和保證信息化施工的重要手段 ，在長期的科研和工程實踐中積累了大量的寶貴數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，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，加強實測及時反饋信息，對安全快速指導施工，具有重要意義 。

3.6 井壁結(jié)構(gòu)、材料及施工工藝的研究

開發(fā)研究適合于低溫條件下施工的早強 、高效新 型材料，開發(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)，保證井壁在施工過程和長期使 用中的安全。��

參考文獻

1 煤炭工業(yè)部濟南設計研究院.山東省巨野礦區(qū)《總體開發(fā)規(guī)劃》（匯報提綱）.��

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

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

作者簡介

洪伯潛（1931-），男，中國工程院院士，博士生導師， 1956年畢業(yè)于浙江 大學，現(xiàn)任煤炭科學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，長期從事煤礦鉆井法鑿井技術(shù)的研究工作，主持完成國家及部、院課題29 項，8次獲國家及部級科技進步獎，其中國家科技進步一等獎1項，部級科技進步特等獎1項 ，一等獎1項，發(fā)表“大直徑煤礦井筒鉆井法鑿井”、“約束混凝在井筒支護中的研究和應用”等論文30余篇。