我国大直径井筒机械破岩钻井技术与装备新进展

刘志强 宋朝阳

(1.北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013;2.矿山深井建设技术国家工程研究中心,北京 100013)

0 引 言

井筒作为在地层中建造的筒形工程构筑物,担负井工开采矿物、人员、废石、材料提升及通风等重要功能。井筒工程从服务于传统的煤矿和非煤矿山领域地下矿物资源开采[1-2],现已发展到铁路/公路、城市地下空间、水电、大科学实验和国防等领域的地下工程建设[3-4]。随着我国浅部矿产资源的持续开发,深部矿产资源开发成为支撑我国矿业发展的必然趋势[5]。据不完全统计,煤炭行业已建成40余条深度超过千米的井筒;金属矿井建成近20条深度超过千米的井筒,其中7条井筒深度超过1 500 m,正在设计和施工的井筒深度超过2 000 m[6-8]。水电行业的水力发电站和抽水蓄能电站建设多采用地下厂房式结构,其中大量的压力管道井、出线竖井、通风竖井等井筒工程需要建设,井筒深度在400 m 左右,正在规划的压力管道井筒深度达到800 m,从而减少辅助工程量,优化电站建设系统[9]。在深埋铁路公路隧道建设方面,隧道建设需要施工措施井和通风井,措施井用于开拓和增加作业面,加快主洞建设速度,通风井则保证隧道安全运行。目前,高黎贡山隧道1号竖井主井深762.59 m,副井深764.74 m,为国内铁路竖井最深纪录;1 号斜井主井长3 850 m,为中国铁路施工史上最长斜井[10-11]。在大型科学试验基本建设方面,目前设计规划的试验竖井工程深度近800 m。此外,其他地下工程建设领域井筒工程数量和井筒直径、深度也在逐年增加。

传统井筒施工方法以钻孔爆破破岩为基础,先后研发出多种类型的气动和液压伞形钻架[12],提高了爆破孔定位精度和凿岩效率;采用中心回转抓岩机装岩配合小型挖掘机清底[13],大容量吊桶及大直径滚筒提升机提运[14],加快了排渣速度;深孔爆破及整体金属模板砌壁[15],使凿井循环段高增加,正规循环率提高,凿井速度逐年稳定提高。目前,普通钻爆法凿井循环进尺超5 m,月最高成井速度超200 m,提升高度超1 500 m[16]。纵观人类破岩历史从火烧水击的初始阶段,发展到用金属冶炼出錾凿工具并借助人力凿碎较为坚硬岩石,再到利用钻孔并采用炸药爆破大体积破岩,实现井筒工程建设的重大突破。然而,由于爆破工序复杂,且存在施工安全可控性差、作业人员多、职业伤害及环境污染等问题,爆破工序也造成凿井循环中无法连续或掘-支平行作业,限制了井筒建设向无人、少人或智能化方向发展[17]。因此,为满足安全、高效、绿色、智能化井筒建设的现代化发展需求,亟需变革大直径井筒凿井技术与装备。

随着材料科学与工程、机械工程、控制科学与工程、工程力学和岩土工程等学科发展与其他学科的交叉融合,推动了机械破岩钻井技术与装备的进步[18]。从采用小直径牙轮钻头机械破岩钻进小直径钻孔装备开始,发展出采用多把可旋转滚刀冲击或挤压破岩的多种类型隧道掘进机与竖井钻机等大体积破岩装备,并通过不断改进优化,使大型机械破岩钻井装备在工程效率和经济方面趋于合理,甚至在地质条件较好的情况下工程成本能够低于钻爆法凿井,形成了适应不同地层条件和工程条件的非爆破机械破岩钻井技术、装备和工艺体系[19-21]。按井筒角度划分,形成了竖井钻机、反井钻机、沉井式竖井掘进机和硬岩掘进机等竖井钻井装备;形成了大倾角反井钻机和下排渣竖井掘进机,以及小倾角的斜井硬岩掘进机等。按地质条件划分,形成了适用稳定地层的竖井掘进机、反井钻机、斜井硬岩掘进机等,适用东部富水冲积地层和西部软弱地层的大型竖井钻机,以及适用城市软土地层的沉井式竖井掘进机。按照断面掘进形制,形成了全断面掘进的反井钻机、竖井钻机、竖井掘进机和斜井硬岩掘进机等,以及部分断面掘进的沉井式竖井掘进机等。按照钻井方向,形成了正向钻进的竖井钻机、竖井掘进机、斜井硬岩掘进机和沉井式竖井掘进机,以及反向钻进的反井钻机。

2021年作为我国“十四五”规划的开局之年,也是我国非爆破机械破岩钻井发展进程中重要的一年。根据国家能源战略对洁净、绿色和低碳能源的需求不断调整,以及国家能源局、应急管理部、发改委等部委对矿业和其他地下工程安全、高效、绿色、智能建设的总体要求,我国在大型竖井钻机、反井钻机、竖井掘进机、沉井式竖井掘进机、斜井硬岩掘进机等研究方面取得较大进展,取得了一系列创新性研究成果和突破性工程建设。

1 竖井钻机钻井技术与装备的新发展

我国从1958年开始钻井法凿井前期研究到1969年钻成第一条煤矿竖井井筒,经过十余年的发展,初步形成了“滚刀破岩、泥浆护壁临时支护、气举反循环排渣、减压钻进控斜、永久井壁地面预制、悬浮下沉安装、内外管壁后充填”的钻井技术和工艺体系[22]。“十一五”期间,针对钻井法凿井存在的钻进效率低、成井速度慢及废弃泥浆排放等问题,开展了“‘一扩成井’快速钻井法凿井关键技术及装备”项目研究,形成钻井直径小于7.7 m井筒“一钻成井”、钻井直径8.3 m 井筒“一扩成井”快速钻井新工艺,并在淮北和皖北矿业集团的袁店二矿、朱集西、信湖,以及河南平顶山八矿等煤矿完成试验和推广应用,钻进速度提高到39 m/月,实现废弃泥浆的固化或综合利用,基本达到了废弃物零排放要求[23-25]。竖井钻机钻井法作为华东及华中地区煤矿建井的一种特殊凿井方法,主要解决了我国深厚富水冲积地层中井筒建设的难题,井筒穿过软弱冲积地层后,井筒下部基岩段部分还需采用钻爆法掘进。钻井法凿井技术经过在煤矿井筒建设认可后,又研发出强力大直径硬岩专用钻机,推广应用到金属矿井和海上风电桩基工程。

2021年,陕西延长石油(集团)可可盖煤矿开展在西部富水弱胶结地层中采用钻井法建设煤矿中央进风竖井和中央回风竖井。中央进风竖井设计深度538.5 m,井筒净直径6.0 m,井壁厚度600 mm,井筒担负矿井进风任务,并兼做安全出口。中央进风井由中国平煤神马建工集团有限公司承建,采用ZDZD-100型(见图1)强力工程钻机“一钻成井”工艺[26]。ZDZD-100型钻机原为海上大直径坚硬岩石风力发电桩基钻进设计,配有液压油缸驱动的可变直径钻头和稳定器结构,满足海上风电桩基变径需要,能够在岩石抗压强度达到130 MPa的地层钻进,一次钻孔直径达到6.5 m,钻进速度超过100 mm/h。为了满足可可盖煤矿中央进风井需要,根据钻机能力和采用的钻井工艺,研制了“T”型钻头结构(见图2),一次钻井直径达到8.5 m。为保障竖井钻机提吊、检修钻头和更换滚刀的安全,研制出配套的国内起重能力最大的门式起重机(见图1),起重能力达到8 000 k N,通过轨道能够提吊钻机主机。经过对设备改进和优化,不但提吊能力增加,还能够加长预制井壁节的长度,减少了井壁悬浮下沉安装连接次数。

图1 ZDZD-100型竖井钻机及龙门吊现场

图2 竖井钻机“一钻成井”的T 型钻头实物

可可盖煤矿中央回风竖井设计深度542.5 m,井筒净直径6.0 m,井壁厚度600 mm。中央回风井由中煤矿山建设集团有限公司承建,采用AD130/1000型竖井钻机(见图3)“一扩成井”钻井工艺[27],超前孔直径为4.2 m,扩孔直径为8.5 m,破岩面积比例为1∶4。AD130/1000 型作为成熟的液压驱动结构竖井钻机,配套1 台MG400/30-18A4和1台WMQH80/10-18A5型门式起重机,用以配合钻井钻头吊装及井壁预制和组装。AD130/1000型与ZDZD-100型竖井钻机主要技术参数,如表1所示。

表1 可可盖煤矿采用两种竖井钻机主要技术参数

图3 AD130/1000型竖井钻机施工现场

可可盖煤矿中央进回风竖井所穿过地层条件基本相同,上部为第四系萨拉乌素组地层松散砂层,厚度超过60 m,下部为基岩地层。为了保证在风积沙地层设备稳定和工作安全,除了施工钻机基础和锁口外,还采用旋喷桩对井帮周围深度30 m 的地层进行了环形帷幕加固。截止到2021-12-30,中央进风井直径8.5 m,钻井深度225.48 m,破碎岩土量为12 489 m3,完成井筒所需总破岩体积的41.9%;中央回风井钻井直径4.2 m,深度420.44 m,破碎岩土量为5 822 m3,完成井筒所需总破岩体积的18.9%。

2 反井钻机钻井技术与装备的新发展

从上世纪80年代开始反井钻机小直径钻井技术与装备的研究。随着装备制造和机械破岩刀具的发展及大型反井钻机的研制,钻井直径逐渐增大,成为一种重要的井筒施工方法——反井钻机钻井法[28]。进入21世纪,在前期研究基础上,实现了由小直径反井钻孔向大直径反井钻井的转变,形成了成熟的反井钻机钻井新工法。

在国家科技部科研院所专项研究资金滚动项目支持下,研制出国内最大型反井钻机——BMC600型反井钻机,并用于多条有代表性的钻井工程。2009年,采用BMC600型反井钻机钻井工艺完成了国内首条钻井直径5.0 m 的采区风井工程。2016年,在白鹤滩电站坚硬的玄武岩地层中,采用该反井钻机钻成直径3.5 m 的多条通风和压力管道竖井。2021年,在白鹤滩以礼河电站玄武岩地层,利用“一导一扩”工艺,钻成直径4.5 m 的压力管道井筒。2021 年,采用经过改造的BMC600型反井钻机(见图4),完成了神华包头公司李家壕煤矿二水平回风立井延深段施工,反井钻机直接钻进直径为350 mm 导孔,钻进时间为4 d,实际钻孔深度为81 m;然后,安装新研制的直径6.0 m 组装式扩孔钻头(见图5),扩孔钻进时间15 d,这是目前反井钻机钻进最大直径钻井。

图4 适用井下环境的BMC600型反井钻机施工

图5 直径6.0 m 的组装式扩孔钻头准备开始扩孔

反井钻机钻井过程无人下井作业,从根本上解决了凿井安全问题。经过40余年的技术探索、科研攻关和工程应用,截至2021年,形成了适应复杂地层反井钻机钻井技术、装备和工艺,解决了不同地质条件钻井井帮稳定问题,实现了地层改性基础上的反井钻机导孔定向控制、扩孔高效钻进,并开始组织研制BMC1000 型反井钻机。BMC600型和BMC1000型反井钻机技术参数对比,如表2所示。针对富水不稳定地层条件,形成了冻结改性基础上的反井钻机钻井技术和工艺;针对深部局部裂隙、溶洞、含水地层条件,形成了局部破碎地层导孔注浆加固堵水后反井钻机钻井技术和工艺;通过研发斜井专用反井钻机、定向钻机、防卡扩孔钻头等技术与装备,形成了长斜井定向反井钻井工艺[29];以破岩机理、刀齿材料及试验为基础,研制出适合不同岩层条件的系列镶齿破岩滚刀,满足破碎岩石单轴抗压强度200 MPa的需求。

表2 BMC600型和BMC1000型反井钻机技术参数对比

3 竖井掘进机钻井技术与装备的新发展

2021年初我国首台套导井竖井掘进机完成首条井筒钻井工程,钻井直径5.8 m、钻井深度282.2 m,纯钻进作业时间为44 d。2021年底,首台机械上排渣竖井掘进机完成直径7.83 m、深度约198 m 的井筒钻井工程试验;首台流体上排渣竖井掘进机始发,钻进直径11.4 m。2021年引进德国海瑞克公司的沉井式竖井掘进机,在城市含水地层完成深度68 m 的地下竖井式停车场井筒工程。不同类型竖井掘进机技术参数见表3。

表3 我国研制的竖井掘进机主要技术参数

3.1 导井式下排渣竖井掘进机钻井

国家“十二五”期间在“863”计划支持下研制出首台套MSJ5.8/1000/1.6D 型导井式下排渣竖井掘进机(见图6)。2021年北京中煤矿山工程有限公司采用该机完成了云南以礼河四级水电站出线竖井工程,形成了“定向钻机超前导孔钻进、反井钻机扩大超前导孔下放钻杆、反井钻机扩孔形成导井、竖井掘进机扩大导井钻井、随钻临时支护”的钻井新工艺[30]。井筒施工采用了SPS-300型定向钻机、MWD 无线随钻测斜仪及5LZ146×7.0IV 螺杆钻具,形成的超前导孔偏斜率为0.12%;采用BMC600型反井钻机用14 d时间,钻成直径1.4 m 导井,最后采用MSJ5.8/1000/1.6D 型竖井掘进机(金沙江1号)扩大导井(见图6和图7),钻成直径5.8 m,深度282.5 m 井筒,竖井掘进机纯钻进天数为44 d,其中,单日最快进尺10.9 m,破碎地层最慢进尺3.6 m,平均日进尺6.9 m。在竖井掘进机钻头上安装镶齿滚刀38把,总的钻进实体岩石量为6 898 m3,平均每把滚刀破岩体积为181.5 m3,每把边刀破岩体积106.8 m3,每把正刀破岩体积195.5 m3。

图6 MSJ5.8/1000/1.6D 型竖井掘进机始发

图7 MSJ5.8/1000/1.6D 型竖井掘进机试验井贯通

3.2 机械上排渣式竖井掘进机钻井

中铁工程装备集团有限公司自2011年开始研制竖井掘进装备,历时近11 a,成功研制了SBM/1000型全断面硬岩竖井掘进机(中铁599号),主要技术参数见表3。2021年底,采用“中铁599号”全断面竖井掘进机完成了浙江宁海抽水蓄能电站排风竖井工程钻井,排风竖井井口标高为+280 m,井筒深度约198 m,开挖断面直径尺寸为7.83 m,围岩完整性好。竖井掘进机采用盘形滚刀破岩,利用刮板输送机及链斗垂直提升,并在装渣平台装入吊桶后将岩渣提升到地面排放[31-32]。SBM/1000型竖井掘进机钻井示意如图8 所示。竖井掘进机2020 年9 月进场,到2021-12-28完成排风竖井施工。全断面硬岩竖井掘进机与传统工法相比,施工人员减少50%以上。

图8 SBM/1 000型竖井掘进机钻井示意[32]

3.3 流体上排渣式竖井掘进机钻井

新疆天山胜利隧道是新疆乌尉高速公路重点控制性工程,全长22.1 km,是目前世界最长高速公路隧道,隧道最大埋深达1 112.2 m。2号竖井工程作为天山胜利隧道的通风井,井筒深度达到800 m。天山胜利隧道竖井处于高寒高海拔地区,最低气温达零下40 ℃,海拔高度达到3 660 m,岩石最大单轴抗压强度达到200 MPa。为了快速非爆破建设井筒,中交天和机械设备制造有限公司研制“首创号”超大直径硬岩竖向掘进机(见图9),主要技术参数见表3。首创号竖井掘进机设计开挖直径11.4 m,主要由主机部分、吊盘部分、井上设备组成,重约1 100 t;该机刀盘破碎岩石采用流体上排渣的方式出渣,采用泥水循环系统排出,将避免传统设备排渣扬尘等对天山的自然环境造成污染[33]。2021-11-05首批刀盘分块进场后,用时15 d完成刀盘组装、焊接工作,并于11月21日顺利下井,12月12日完成组装开始始发。

图9 首创号竖井掘进机主机示意[33]

3.4 沉井式竖井掘进机钻井

2020年我国引进德国海瑞克公司研制的VSM12000型沉井式竖井掘进机(见图10),该机采用截割部分断面破岩,通过潜入式泵吸反循环排渣、地面泥浆岩渣分离、沉井井壁的下沉加压、沉井井壁悬吊的偏斜控制等技术,可满足深度80～100 m、直径4.5～12 m 的含水复杂地层中井筒钻进需要[34],特别是能够在城市复杂工程环境下应用,用于城市地下交通隧道、管廊、雨水、污水和海绵城市的盾构或顶管始发和接收竖井井筒施工,以及竖井式地下停车系统的建设等。

图10 沉井式竖井掘进机钻井示意[34]

上海公路桥梁(集团)有限公司承建的南京市建邺区沉井地下车库项目,一期将建设两座沉井式地下智能停车库,把传统的“二维”停车空间转为“三维”立体空间[35]。首条竖井采用德国海瑞克VSM12000型竖井掘进机自2020-12-23开始掘进,到2021-02-07下沉至设计深度,最大开挖深度为68 m,沉井内径12 m,平均施工速度约为1.54 m/d,最快下沉速度为4.33 m/d,周边地层沉降量不大于5 mm;第2条竖井纯掘进施工时间为28 d。“沉井式地下智能停车库”系统的建设应用了目前全球最先进的德国海瑞克VSM 下沉式竖井掘进技术,这不仅是国内首次采用VSM技术,也达到了世界上该技术应用目前最大内径。

4 斜井硬岩掘进机掘进技术与装备的新发展

近年来硬岩全断面掘进机(以下简称TBM)逐渐应用在12座矿井的主副斜井、运输巷和瓦斯抽放巷等工程施工,初步形成了全断面刀盘高效破岩、皮带连续出渣、锚网喷支护代替管片支护、通风除尘、掘进工作面供排水等多工序协同作业。不仅解决了普通钻爆法危险性高、劳动强度大等问题,在一定程度解决了综掘机破岩能力不足、硬岩掘进效率低的问题[36]。根据统计结果,采用TBM 掘进速度可达到钻爆法的3～10倍,为综掘法的2～8倍,体现了减人提效、安全可靠与经济环保的优势。

神东补连塔煤矿2号副井采用中国铁建重工集团研制的单护盾TBM 掘进机掘进[37],斜井设计5.5°连续下坡,井筒每1 000 m 设置1 处长50 m的车辆缓冲平台,总长度2 745 m,开挖直径7.62 m,其中明挖段26.32 m,TBM 掘进段2 718.2 m。该项目由中铁十一局组织施工,2015年7月开始正式掘进并于当年12月份贯通,单月最高进尺639 m,平均月进尺546 m。神华新街台格庙矿主副斜井原设计6°全下坡[38],开挖断面7.6 m,初砌后内径6.6 m,外径7.3 m,总长度6 314 m,志丹群和表土层段计划采用复合式TBM 掘进,进入安定组后转换成单护盾TBM 掘进,但由于台格庙矿区属于水源地保护区等原因未进行施工。陕西延长石油可可盖煤矿主斜井设计倾角5.6°,总斜长5 304.9 m,基岩段长度约4 803 m,TBM 掘进5 040.9 m,掘进直径7.13 m;副斜井设计倾角6°,总斜长5 302 m,基岩段长度约4 802 m,TBM 掘进5 041.3 m,掘进直径7.13 m[39-40]。2021年可可盖煤矿主副斜井采用中国铁建重工集团股份有限公司研发的ZTT7130型敞开式全断面TBM 系统,截止到2021-12-31,中煤第三建设(集团)有限责任公司承建主斜井掘进2 400 m,中铁十五局集团有限公司承建副斜井掘进1 720 m。

5 结语与展望

大直径井筒机械破岩钻井技术与装备的发展促进了我国地下矿产资源开采和地下工程领域的建设,少人、安全、绿色、机械化、智能化的钻井技术与装备是未来一段时期内的重要需求和必然趋势。

经过几十年的发展,我国大直径井筒机械破岩钻井技术与装备得到了迅速发展。其一,竖井钻机“一扩成井”和“一钻成井”钻井法首次在我国西部富水弱胶地层中开展工业性试验,全井筒采用竖井钻机钻进成井,不需要从钻井到普通凿井的改绞转化过程;其二,反井钻机“一导一扩”复杂地层钻井工艺广泛应用于地下工程井筒建设,完成国内最大直径6.0 m 的反井钻机钻井;在BMC600型反井钻机的基础上开始组织研制BMC1000型反井钻机;其三,竖井掘进机钻井法凿井方面,导井式竖井掘进机、机械上排渣竖井掘进机和引进德国海瑞克公司的沉井式竖井掘进机均完成首条井筒钻井工程试验,以及流体上排渣竖井掘进机已始发掘进;国家科技部重点研发专项“千米竖井硬岩全断面掘进机关键技术与装备”项目开始实施。

针对深部矿产资源开采、水力发电、深埋铁路公路和地下输水引水等地下工程的建设实践,更深、更复杂的大直径井筒建设工程还在日益增加,需要研究地层探识与地层改性技术与材料,提高地层稳定性并实现“干井掘进”;研究高效破岩、连续排渣、随钻支护和永久支护等技术,研制出低能耗大型钻井装备,提高大直径井筒成套钻井技术与装备的可靠性和适应性,形成机械破岩钻井的新理论、新技术、新装备和新工艺,并不断提高机械破岩钻井自动化和智能化水平,为建设智慧井筒提供重要的支撑。