楊宗仁,戚樹軍,王華明,胡立賓

(1.河北大直徑工程井建設(shè)有限公司,河北石家莊 050031;2.河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì),河北唐山 063000)

機(jī)械鉆井法施工礦山豎井預(yù)制井壁漂浮法安放工藝技術(shù)

楊宗仁1,戚樹軍2,王華明1,胡立賓1

(1.河北大直徑工程井建設(shè)有限公司,河北石家莊 050031;2.河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì),河北唐山 063000)

結(jié)合河北遵化鐵礦 “5.6 m、深 286 m礦山豎井工程,介紹了鉆井法施工礦山豎井采用漂浮法安放預(yù)制井壁的工藝原理,以及相鄰兩節(jié)井壁連接時(shí)的測(cè)量方法、工藝控制和井壁安放完成后井筒垂直度的測(cè)量技術(shù)等。

礦山豎井;鉆井法;井壁;漂浮法安放

鉆井法施工礦山豎井主要工序?yàn)?鉆井成井—安放預(yù)制井壁—壁后充填及檢查等,其中安放預(yù)制井壁工序起著承上啟下的作用,是決定豎井質(zhì)量、安全的重要工序。大、中型礦山豎井的預(yù)制井壁單節(jié)質(zhì)量一般在 150～200 t,井壁總質(zhì)量都在萬(wàn)噸左右,采用自然安放法起重設(shè)備無(wú)法滿足工藝要求,通常采用漂浮法安放預(yù)制井壁。

1 工程基本情況

河北遵化鐵礦豎井工程由主井、副井、風(fēng)井組成。主井設(shè)計(jì)井深 286 m,井筒凈徑 5.6 m,設(shè)計(jì)井壁 48節(jié)(其中含井壁底 1節(jié)),井壁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主井井壁設(shè)計(jì)具體參數(shù)如表 1所示。

表1 主井井壁設(shè)計(jì)具體參數(shù)

礦井區(qū)域的工程地質(zhì)條件為:覆蓋層為各類砂層及漂卵礫石層,漂石粒徑最大 1.0 m以上,基巖部分為花崗片麻巖,巖石抗壓強(qiáng)度最大 101 MPa。

選用AD-60型豎井鉆機(jī)進(jìn)行鉆井施工,采用分級(jí)擴(kuò)鉆成井工藝,超前鉆井 “3.5 m、第一級(jí)擴(kuò)鉆“6.3 m、第二級(jí)擴(kuò)鉆 “7.6 m。配套MQ220/20型門式起重機(jī)進(jìn)行漂浮法安放井壁。

2 漂浮法安放井壁的工藝原理

漂浮法安放井壁是以鉆井施工的護(hù)壁泥漿為介質(zhì),在井壁底密封的條件下,借助鉆井泥漿對(duì)安放進(jìn)入鉆井井孔中井壁筒體產(chǎn)生的浮力,減少起重設(shè)備提吊井壁的重力,滿足井壁安放要求的工藝方法。如圖 1所示,井壁底 3和井壁 1部分在井口連接后相當(dāng)于一個(gè)敞口的容器,此時(shí)泥漿對(duì)井壁筒體的浮力等于井壁筒體自身的重力,井壁筒體漂浮在鉆井井孔 5的泥漿中,要實(shí)現(xiàn)井壁筒體漂浮下沉,需要向井壁筒體內(nèi)加入配重水,當(dāng)配重水的重力和井壁自身重力之和大于泥漿對(duì)井壁筒體產(chǎn)生的浮力時(shí),井壁筒體在鉆井井孔內(nèi)漂浮下沉。通過(guò)調(diào)節(jié)加入配重水的速度和數(shù)量就可以控制井壁下沉的速度和深度。井壁安放到預(yù)定位置,通過(guò)內(nèi)注漿管 2及單向閥 6進(jìn)行壁后充填。壁后充填完成后,破除井壁底成井。采用漂浮法安放井壁工藝,使用配套的MQ220/20型門式起重機(jī)即可安全完成總質(zhì)量近萬(wàn)噸的預(yù)制混凝土井壁的連接安放工作。

圖1 漂浮法安放井壁工藝原理示意圖

3 漂浮法安放井壁前的準(zhǔn)備工作

(1)調(diào)整護(hù)壁洗井泥漿性能指標(biāo),使其參數(shù)滿足長(zhǎng)時(shí)間無(wú)循環(huán)護(hù)壁安全、井壁安放、壁后充填等工序的質(zhì)量要求。井壁安放泥漿性能參數(shù)如表 2所示。

表2 井壁安放泥漿性能參數(shù)

(2)精確測(cè)量鉆井垂直度,繪制鉆井的有效斷面圖,滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求時(shí),方可進(jìn)行井壁安放。

(3)根據(jù)井壁結(jié)構(gòu)、規(guī)格的設(shè)計(jì)要求,排列好井壁的吊運(yùn)順序,堵焊好井壁上法蘭盤吊裝用的螺栓孔,防止外部水通過(guò)此螺栓孔漏入井內(nèi)。

(4)井壁底吊運(yùn)前,按設(shè)計(jì)要求在其內(nèi)部焊制好首次壁后充填用的 6套逆止閥、管路及井壁底外部的出漿環(huán)槽,并經(jīng)過(guò)壓力試驗(yàn)滿足安全要求,同時(shí)在井壁底中心位置焊制好井筒中心大線用的支座。

(5)清除龍門吊軌道內(nèi)高出地面 1.5 m以上的障礙物,龍門吊軌道要找正、填實(shí),各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)應(yīng)滿足龍門吊起重作業(yè)的安全要求。

(6)準(zhǔn)備好井壁安放測(cè)量及焊接用的上、下吊盤,加入配重水及排除泥漿用的泵類及管路、焊接設(shè)備、工具、吊具索具等。

(7)準(zhǔn)備好節(jié)間注漿、法蘭盤部位防腐用的設(shè)備及材料,并熟悉配方及做好小樣試驗(yàn)準(zhǔn)備。

4 漂浮法安放井壁垂直度的控制

井壁連接垂直度的控制關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)井壁順利安放到預(yù)定位置和成井后的井筒質(zhì)量,涉及到的工序多、連續(xù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量精度要求高、環(huán)境影響大的露天作業(yè),是鉆井法施工礦山豎井的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。井壁安放垂直度的質(zhì)量控制包括:相鄰兩節(jié)井壁連接垂直度的控制和井壁安放完成后井壁筒體整體垂直度的測(cè)量和控制等重要環(huán)節(jié)。

4.1 相鄰兩節(jié)井壁連接垂直度的控制

4.1.1 井壁連接垂直度控制測(cè)量原理

如圖 2所示,井壁底中心點(diǎn) 9(a點(diǎn))和最上面一節(jié)井壁 3的上法蘭盤中心點(diǎn) 1(c點(diǎn))以及與其連接井壁 6的上法蘭盤的中心點(diǎn) 4(b點(diǎn))在同一條直線上,說(shuō)明井壁連接是直的。井壁連接完成后保證井筒內(nèi)所有中心點(diǎn)在同一條直線上。

圖2 相鄰兩節(jié)井壁連接垂直度測(cè)量示意圖

4.1.2 井壁連接垂直度控制測(cè)量方法

在井壁底中心點(diǎn)設(shè)置一個(gè)鐵環(huán),井壁下沉之前,向上引一條長(zhǎng)度大于井筒總深度的 “3 mm的塑套鋼絲繩作為井筒對(duì)中的中心大線 7(同時(shí)再備用一根相同用途的尼龍繩),測(cè)量人員分別站在井壁 3上法蘭盤設(shè)置的吊盤 2上和井壁 6上法蘭盤設(shè)置的吊盤 5上,并用米字線的形式找出 2個(gè)法蘭盤位置的中心點(diǎn)。站在吊盤 2上的測(cè)量人員,拉緊中心大線并使其通過(guò)中心點(diǎn) 1(c點(diǎn)),站在吊盤 5上的測(cè)量人員,測(cè)量出中心大線到中心點(diǎn) 4(b點(diǎn))的距離,通過(guò)兩節(jié)井壁法蘭盤之間的墊鐵進(jìn)行調(diào)整,使其符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求,一般控制在 2 mm以內(nèi)。測(cè)量時(shí)要使中心大線處于拉緊狀態(tài)。

4.1.3 井壁安放工藝控制要求

(1)用龍門吊將井壁吊運(yùn)到鉆井井口,對(duì)準(zhǔn)中心和方位后緩慢下放使其下法蘭盤與漂浮在井孔中的井壁上法蘭盤輕輕接觸,連接上定位螺栓,通過(guò)調(diào)整 2個(gè)法蘭盤的間隙進(jìn)行井壁垂直度和同心度的調(diào)整,直到測(cè)量對(duì)中符合要求 (下一節(jié)井壁找正時(shí)井筒中心大線應(yīng)在與其對(duì)頂?shù)南笙迌?nèi)),用鐵楔把兩個(gè)法蘭盤間隙墊實(shí),擰緊連接螺栓,將兩節(jié)井壁法蘭盤的內(nèi)外緣進(jìn)行全長(zhǎng)度的連續(xù)焊接。焊縫不得有夾渣、裂紋等缺陷,焊縫高度≮8 mm。

(2)焊接完成后,要進(jìn)行節(jié)間注漿充填。割開 4個(gè)節(jié)間注漿孔,用節(jié)間注漿泵對(duì)其中一孔注入水泥漿(密度≥1.8 g/cm3),觀察另外 3個(gè)孔,發(fā)現(xiàn)均有水泥漿外溢即完成,將注漿孔進(jìn)行封焊,連同法蘭盤外露部分做防腐處理。

(3)井壁漂浮下沉過(guò)程中,外壁會(huì)吸收泥漿中的水分在其混凝土表面形成一層泥皮,影響壁后充填質(zhì)量,在井壁下放進(jìn)入泥漿中以前,應(yīng)對(duì)井壁的外表面進(jìn)行充分淋濕。加水下沉后,待焊縫沉入泥漿面以下 1.5 m后檢查是否漏水,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

(4)每節(jié)井壁下放先靠自重下沉,然后加入配重水下沉。加水時(shí),注意要保持井壁下沉速度均勻,要由專人進(jìn)行檢查,防止井壁受阻后仍繼續(xù)加水引發(fā)事故。在加水管路中安裝水表進(jìn)行計(jì)量,與計(jì)算的加水量進(jìn)行校對(duì)。待井壁上法蘭盤距工作平臺(tái)1.5 m安全高度時(shí),停止加水,進(jìn)行下一節(jié)井壁的對(duì)接。

(5)接長(zhǎng)井筒內(nèi) 6套首次注漿管路,并按設(shè)計(jì)位置固定在井壁法蘭盤上,管路接長(zhǎng)要順直,焊縫飽滿,無(wú)砂眼、夾渣、咬邊等缺陷,確保無(wú)漏水現(xiàn)象。

(6)在井壁接長(zhǎng)下沉過(guò)程中,始終保持鉆井內(nèi)泥漿面不低于井口 0.5 m,確保井壁安放過(guò)程中鉆井井壁的安全。

(7)井筒內(nèi)中心大線稱作井壁安放測(cè)量的“生命線”,要由專人進(jìn)行保護(hù)看管,防止拉斷、損傷、纏繞等,同時(shí)井筒內(nèi)不得有漂浮物,以免影響中心大線的正常使用。

4.2 井壁安放完成后井筒垂直度的測(cè)量

由于井壁筒體外徑與鉆井直徑存在 900 mm的徑級(jí)差,井壁安放完成后,存在井壁筒體偏斜的可能,還需要進(jìn)行井壁筒體垂直度測(cè)量。

4.2.1 井壁筒體垂直度測(cè)量原理

如圖 3所示,井壁安放完成后,利用井筒內(nèi)無(wú)水段的高度進(jìn)行井筒垂直度測(cè)量。井筒上口中心點(diǎn)1(c點(diǎn))的鉛垂線 3在井筒內(nèi)無(wú)水段高度 h范圍內(nèi)與井筒中心大線 2重合時(shí),說(shuō)明井筒體 7處于垂直狀態(tài)。

圖3 井筒垂直度測(cè)量示意圖

4.2.2 井筒體垂直度的測(cè)量方法

(1)井筒內(nèi)無(wú)水段高度的計(jì)算:井壁安放完成后,井筒自身重力與井筒內(nèi)配重水重力之和等于泥漿對(duì)井筒產(chǎn)生的浮力時(shí),即 Q井筒+Q水=F浮時(shí),井筒處于漂浮狀態(tài)。經(jīng)過(guò)計(jì)算井筒內(nèi)無(wú)水段的高度 h= 85 m。

(2)將工作吊盤下入配重水面以上的井壁上法蘭位置處固定,地面操作人員找出井筒上口位置的中心點(diǎn) 1(c點(diǎn)),拉緊中心大線 2使其通過(guò) c點(diǎn),井筒內(nèi)操作人員確認(rèn)中心大線在測(cè)量面上的位置點(diǎn) 6 (b點(diǎn))。放松中心大線,在井口中心點(diǎn) 1位置下入一條帶錘球的測(cè)繩,使錘球部分沒(méi)入水面以下,保持測(cè)量繩鉛直狀態(tài),確認(rèn)鉛垂測(cè)繩在測(cè)量面上的位置點(diǎn) 4(d點(diǎn)),測(cè)量出點(diǎn) 4(d點(diǎn))到點(diǎn) 6(b點(diǎn))的距離S,則井筒上口在平面位置上調(diào)整的位移L值為:

式中:H——井筒深度,m;h——測(cè)量面距井口的距離,m;S——測(cè)量面位置處鉛垂線與中心大線的距離,m。

地表操作人員用千斤頂調(diào)整井筒上口的位置,井筒內(nèi)操作人員觀察,使 d點(diǎn)和 b點(diǎn)重合為最佳狀態(tài)。地表調(diào)整符合要求后,將井筒上口與鉆井鎖口盤固定,以免井筒內(nèi)加水及壁后充填過(guò)程中發(fā)生位移。

主井壁后充填完成,井筒內(nèi)抽水后,測(cè)量結(jié)果:井壁底中心點(diǎn)偏離井口中心點(diǎn)位置 50 mm,偏斜率為 0.18‰。

5 結(jié)語(yǔ)

主井井壁安放工程從 2009年 12月 28日開始至 2010年 1月 8日結(jié)束,歷時(shí) 12天。井壁總質(zhì)量8200 t,井筒排出泥漿體積約 10000 m3,井壁總接長(zhǎng)286.5 m。法蘭盤連接間隙平均為 11 mm。井筒找正偏斜率為 0.18‰,滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

[1] 翁家杰.井巷特殊施工[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[2] 崔云龍,等.簡(jiǎn)明建井手冊(cè)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003.

Float ing Installation Technology for Prefabricated ShaftWall in Vertical Shaft ofM ine Constructed byM echan ical Drilling

YANG Zong2ren1,Q I Shu2jun2,WANG Hua2m ing1,HU L i2bin1(1.HebeiLarge Diameter EngineeringWell Construction Co.,Ltd.,Shijiazhuang Hebei 050031,China;2.No.2 Geological Party,HebeiBureau of Geology andMineral Exploration,Tangshan Hebei 063000,China)

Based on the engineering of vertical shaft of Zunhua iron mine in Hebei,which was 5.6 m in diameter and 286 m in depth,the paper introduced technological principles of vertical shaft constructed by drillingmethod and prefabricated shaftwall installed by floating installation technology,togetherwith measuringmethod for the adjacent two shaftwalls connection,process control and verticalmeasuring technology of the shaft after itswall installation.

vertical shaft ofmine;drillingmethod;shaftwall;floating installation

TD352

A

1672-7428(2010)07-0063-03

2010-02-11

楊宗仁(1971-),男(漢族),內(nèi)蒙古赤峰人,河北大直徑工程井建設(shè)有限公司副經(jīng)理、注冊(cè)安全工程師、注冊(cè)建造師,巖土工程專業(yè),從事大直徑工程井施工技術(shù)及管理工作,河北省石家莊市建華南大街 58號(hào),hbjkyzr@sina.com。