大直径逃生钻孔施工工艺及应用研究

张 博,孙 文

(1. 太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024;2. 煤炭科学技术研究院有限公司装备分院,北京 100013;3.神华神东寸二矿,内蒙古 伊旗 017209)

传统的井下避难硐室仅是在发生事故时为人员在井下提供暂时的躲避空间,而且是被动等待救援,不能主动撤离到地面安全地点,在救援工程量大,耗费时间长时存在一定局限性[1-2],存在如下几点问题:

1)永久避难硐室维持生存时间短,通常只有几天时间,当救援工作难度大、时间长时,避险硐室的作用就得不到体现。

2)永久避难硐室避险人员只能被动等待救援,不能实现积极自主逃生。

3)矿井井筒位置多集中在工业广场,井田面积大,大巷长,安全出口数量少,难以保证及时逃生。

借鉴智利矿难、山东平邑石膏矿难救援的成功经验[3],大直径逃生钻孔可作为矿山紧急逃生的新出口,如图1。因此对大直径逃生钻孔快速施工工艺及及应用技术进行研究[4-5],解决目前紧急避险系统存在的避险人数受限、被动等待救援等问题,对实现神东矿区矿山安全、高效、可持续发展具有很好的应用价值和现实意义。

图1 大直径逃生钻孔逃生Fig.1 Escape through large-diameter boreholes

1 工程环境

1.1 矿井工程地质

布尔台煤矿属于神东矿区,煤层顶底板岩石主要为砂质泥岩、细粒砂岩,次为粉砂岩、粗粒砂岩及泥岩。根据钻孔岩石物理、力学性试验成果:岩石的孔隙率2.23%～30.46%,岩石的含水率为0.03%～19.05%,吸水率2.18%～10.96%,抗压强度吸水状态0.3 MPa～41.5 MPa,自然状态1.7 MPa ～52.1 MPa,平均22.4 MPa,普氏系数0.17～5.32,抗拉强度0.21 MPa ～3.71 MPa,抗剪强度0.34 MPa ～25.17 MPa,软化系数0.07～0.96。

井田岩石质量指标(RQD)平均值49%,岩体质量指标(M)平均值为0.037,岩石质量劣,岩体完整性差,岩体质量较差,稳固性也较差。煤层顶底板岩石的力学强度较低,岩石均以软弱岩石为主,半坚硬岩石次之,遇水软化变形,甚至有崩解破坏现象,因此,煤层顶底板岩石的稳固性总体较差。

该大直径钻孔位置表土段厚度27.71 m;基岩段主要以细砂岩,砂质泥岩、泥岩等互层,致密,坚硬,以石英成分为主。

1.2 逃生钻孔布置

根据布尔台矿井田部署及开拓条件,考虑到22煤已掘大巷分为两段:一盘区南部大巷和正在掘进的二盘区北部大巷,两段长度分别为4 763 m和4 473 m。一盘区南部大巷完全由工业广场逃生通道和松定霍洛进回风立井服务半径所覆盖。

一盘区南部的22煤中部大巷将延伸至井田西部边界,同时将在二盘区西部盘区边界开拓新的22煤大巷,因此在靠近二盘区边界的位置增加新的逃生通道,从而能够为其东部、西部、南部的三条22煤大巷服务。

2 大直径钻孔工艺

2.1 大直径钻孔设计

设计钻孔深380.00 m,表土层厚27.71 m。表土段钻孔直径Φ2 550 mm,下入Φ2 140 mm×20 mm螺旋焊管,材质Q235B,考虑到护壁管要坐到稳定的基岩,所以表土段施工至少深入基岩段3 m到稳定基岩层,暂定31 m,根据施工钻进情况再作适当调整;基岩段钻孔直径Φ1 980 mm,从31 m～380 m,整井工作管采用Φ1 540 mm×20 mm钢管,材质Q235B。另外,在井筒内还要下入Φ203 mm×12 mm一套金属管,材质20#无缝钢管。

施工用重型钻机GZ-2600,配套大功率TBW-1200/7B泥浆泵。

2.2 大直径钻孔施工工艺[6-8]

1)孔口管固定:在钻孔指定位置将长2 mΦ2 800 mm×12 mm的孔口管垂直固定在地层里并高出地表200 mm,周围用水泥砂浆填埋,在出浆方向割开泥浆出口,其截面同泥浆沟槽。钻机底盘安装后,将孔口管用盘元均分四个点与底盘固定,以防孔口管在施工中坠入孔内。

2)开口钻进:选用超前Φ600 mm组合钻头,配备Φ510 mm钻铤全断面钻进至31 m,调浆测孔1次,确保钻孔上部偏斜控制在3‰以内,以探明地质情况,指导后续施工。改用二级Φ1 500 mm组合钻头扩孔至31 m,再改用Φ2 550 mm组合钻头扩孔至31 m。

3)直接安装Φ2 140 mm×20 mm护壁管并固管。

4)基岩段钻进:选用Φ600 mm三牙轮组合钻头超前钻进,配备Φ510 mm钻铤全断面钻进至380 m,每隔50 m调浆测孔1次,确保钻孔偏斜控制在3‰以内,以探明地质情况,指导后续施工。改用二级Φ1 500 mm组合钻头扩孔至380 m,再改用Φ1 980 mm组合钻头扩孔至380 m。

5)由于孔径大、孔深,破碎岩屑多、颗粒大,为有效排除岩屑,提高钻进效率,选用两台TBW-1200/7B泥浆泵,进行泥浆循环,实施喷射钻进技术并配备旋流振动筛筛出泥浆中固相颗粒。

6)每隔50 m测孔1次,根据偏斜情况,制定下一步钻孔方案。

7) 减压钻进,钻压不得超过钻铤重量的80%。

8) 由于工作管超过钻塔承载能力,为安全起见,采用漂浮工艺下沉,确保下沉安全。

9) 由于Φ203 mm×12 mm金属管总重近22 t,没有超过钻塔承载能力,故采用外管箍连接,直接管卡下放安装,所用焊条满足焊接工艺性能,焊接质量合格。井口必须设置井口操作平台,确保作业安全,防止高空坠落事件的发生。

大直径钻孔施工工艺流程见图2。

图2 大直径钻孔施工工艺流程Fig.2 Construction process of large-diameter boreholes

2.3 下管方法

Φ2 140 mm×20 mm护壁套管总重量仅19 t;Φ203 mm×12 mm金属管总重量仅22 t,所以直接安装下放。Φ1 540 mm×20 mm工作管由于超重,达278 t,为安全起见,应采用漂浮下沉工艺安装下放工作管。除Φ203 mm×12 mm金属管采用外管箍连接其它两套管路均采用坡口焊接连接,护壁管安装施工图见图3。

3-a 平面图

3-b 剖面图图3 护壁管安装施工图Fig.3 Installation and construction of wall-protecting pipes

3 护壁管稳定性分析

3.1 分析依据

验算钢管环向稳定性时,可近似采用受均匀外压的无限长两端封闭圆柱薄壳失稳临界压力公式:

(1)

式中:Pcr为计算深度处钢管的径向失稳压力,MPa;E为计算深度处钢管的弹性模量,MPa;t为薄壳的厚度,m,取t=r1-r0;r1为薄壳的外半径,m;r0为薄壳的内半径,m。r为薄壳的半径,m,取r=(r1+r0)/2,为安全起见,可取r=r1;νh为计算深度处钢管的泊松比;γ0为结构重要性系数,1.0～1.1;γG为荷载分项系数,1.35;γM为材料分项系数,1.1;σs为环向压力,MPa。

根据石油行业常用下述公式对钢管结构的挤毁压力进行计算[9]:

(2)

式中:Pco为弹性挤毁压力,MPa;Dc为套管管体外直径,mm;δ为套管管体壁厚,mm。

公式(3):

(3)

式中: 弹性模量取E=2.06×105,泊松比取μ=0.3。

公式(3)是由虎克定律作为基础推导出来,因此只能适用弹性范围,公式(2)是克林顿司特通过大量试验研究后得到的,并考虑了套管壁厚的不均匀性。

从上式还可以看出,套管抗挤弹性强度只与钢材弹性系数和几何尺寸有关,而与材料强度无关。

3.2 Φ1540护壁管校验分析

护壁管钻孔垂深0～31 m采用Φ2 140 mm×20 mm,下部垂深0～380 m采用Φ1 540 mm×20 mm。

1)Pcr=2.06×105×203/4×(2 140/2)3×(1-0.32)=0.37(在-31 m处);

γ0γGσs/γM=1.05×1.35×1.65水泥比重×31÷1.1÷1 000=0.065 9;

γ0γGσs/γM=1.05×1.35×1.2泥浆比重×31÷1.1÷1 000=0.047 9;

其安全系数K1=0.37/(0.063-0.047)=0.37/0.018=20.56。

2)Pcr=2.06×105×203/4×(1 540/2)3×(1-0.32)=0.99(在-380 m处);

γ0γGσs/γM=1.05×1.35×1.65×380÷1.1÷1 000=0.808;

γ0γGσs/γM=1.05×1.35×1.2×380÷1.1÷1 000=0.588;

其安全系数K2=0.99/(0.808-0.588)=0.99/0.22=4.5。

国家安全规定钢管稳定性安全系数为3,因此安全系数符合规定要求。

4 结论

1)总结了矿山现有紧急避险逃生设施的建设特点,分析需要改进问题,提出地面大直径钻孔作为新型逃生通道,完善了矿山安全出口的建设。

2)根据布尔台煤矿的矿井特点,分析了大直径钻孔合理的布设位置,对大直径钻孔施工工艺和技术特点进行了研究与应用。

3)护壁管的稳定性是大直径钻孔施工的难点,本文校核了护壁管的稳定,为大直径钻孔的安全施工提供参考依据。

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