白云飛，趙國(guó)良

(陜西延長(zhǎng)石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

2021年3月，國(guó)家“十四五”規(guī)劃明確提出推動(dòng)煤炭生產(chǎn)向資源富集地區(qū)集中，建設(shè)黃河中上游和幾字灣等清潔能源基地，該區(qū)域主要位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市和陜西榆林市境內(nèi)，地表多為沙漠地形地貌，目前國(guó)家規(guī)劃的大型呼吉爾特礦區(qū)、納林河礦區(qū)、榆神礦區(qū)、榆橫礦區(qū)、神府礦區(qū)均位于該區(qū)域，含煤地層為侏羅系延安組，規(guī)劃井型500～1 500萬t/a。淺部煤層主要以露天、斜井開拓為主，深部煤層主要以斜井、立井開拓方式為主[1-3]。無論采用斜井或立井開拓，風(fēng)井一般布置為立井，再根據(jù)井田不同地層水文、地質(zhì)條件合理選取普通法、凍結(jié)法或鉆井法施工，以達(dá)到安全快速高效建井的目標(biāo)[4-6]。

總體來說，該區(qū)域內(nèi)采用凍結(jié)法施工較為普遍，采用鉆井法尚無先例[7-9]。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用鉆井法施工立井井筒多數(shù)位于山東魯西南地區(qū)、江蘇蘇北地區(qū)和安徽兩淮地區(qū)，已成功鉆井70余座，鉆井深度可達(dá)600 m、井徑可達(dá)13 m，全機(jī)械化作業(yè)技術(shù)先進(jìn)，“打井人員不下井”實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全。由于東部地區(qū)和陜蒙地區(qū)地層條件不同，特別是陜蒙區(qū)域表土段風(fēng)積沙及沖積砂礫層與東部區(qū)域第四系砂鈣質(zhì)黏土不同，強(qiáng)度弱且極松散，鉆井法能否安全可靠穿越本地層關(guān)系到鉆井工程的成敗[10-12]。因此，重點(diǎn)對(duì)鉆井法穿越西部地區(qū)第四系風(fēng)積沙及砂層等松散地層的對(duì)策進(jìn)行探討。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

1.1 區(qū)域地層

陜北、蒙西地區(qū)屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)東勝—環(huán)縣小區(qū)，區(qū)域內(nèi)地層由新至老分別為新生界第四系全新統(tǒng)上更新統(tǒng)馬蘭組、薩拉烏蘇組，中更新統(tǒng)離石組，下更新統(tǒng)午城組。新近系上新統(tǒng)靜樂組，中生界白堊系，下統(tǒng)洛河組。侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組、延安組，下統(tǒng)富縣組，三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組。主要含煤地層為侏羅系延安組。

1.2 井田地層簡(jiǎn)述

以榆橫礦區(qū)可可蓋井田為例，井田地表全部被第四系松散沉積物覆蓋，主要有全新統(tǒng)風(fēng)積沙、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組，白堊紀(jì)下統(tǒng)洛河組，侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組、延安組及下統(tǒng)富縣組，三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組等。在巖層飽和抗壓強(qiáng)度大小方面，不穩(wěn)定松散砂層組、土層組(風(fēng)積沙、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組)為0 MPa，全-強(qiáng)風(fēng)化巖組(洛河組地層頂部)為1.92 MPa，弱穩(wěn)定煤巖組(2號(hào)煤層)為10.70 MPa，中等-微風(fēng)化砂巖、泥巖及互層巖組(白堊系洛河組及侏羅系中統(tǒng)安定組)為17.75 MPa，中等穩(wěn)定、砂巖組(侏羅系中統(tǒng)直羅組及延安組)為23.17 MPa。

1.3 井檢孔勘探成果

可可蓋礦井設(shè)計(jì)在中央風(fēng)井場(chǎng)地布置中央進(jìn)、回風(fēng)立井，井筒相距148 m。井檢孔勘探資料顯示第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙厚度為3.5 m、5.2 m，淺黃色松散狀粉砂，表層含現(xiàn)代植物根系。第四系薩拉烏蘇組砂層厚度為57.61～56.51 m，淺黃色松散狀細(xì)砂，灰綠色粉砂質(zhì)亞黏土。第四系離石組黃土層厚為23.99～29.91 m，淺黃色粉砂質(zhì)亞黏土、棕紅色砂土黏土，該層為黃土土質(zhì)，散體結(jié)構(gòu)，較緊密堅(jiān)硬，顆粒均勻，原狀飽和黃土的壓縮系數(shù)為0.07～0.3 MPa-1，承載力較高，穩(wěn)定性較好。

2 鉆井法及其適應(yīng)條件

2.1 鉆井法工藝簡(jiǎn)述

鉆井法施工工序?yàn)槭┕?zhǔn)備(鎖口基礎(chǔ)施工)→安裝鉆機(jī)、門吊→鉆井施工→井壁連接與下沉→井壁扶正、固定→壁后充填、檢查→成井，如圖1所示。泥漿制備與鉆機(jī)安裝、井壁預(yù)制與鉆井工序可平行作業(yè)以縮短工期。由于松散層對(duì)鉆井施工影響重大，所以存在松散地層的區(qū)域采用鉆井施工必須將松散層加固治理作為鉆井施工的先決條件。

圖1 鉆井法施工工藝流程示意Fig.1 Drilling method construction process flow

2.2 鉆機(jī)性能

目前較為成熟的AD130/1000型豎井鉆機(jī)為動(dòng)力頭式豎井鉆機(jī)，具有動(dòng)力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、控制簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，該型號(hào)鉆機(jī)設(shè)計(jì)最大鉆井深度1 000 m，最大鉆井直徑13 m，最大提升能力700 t，動(dòng)力頭扭矩600 kN·m，主機(jī)裝機(jī)功率1 050 kW，轉(zhuǎn)速最大可達(dá)22 r/min。最新研制并應(yīng)用的ZDZD-100重型工程鉆機(jī)是迄今世界上能力最大的多用途動(dòng)力頭式工程鉆機(jī)之一。采用全液壓驅(qū)動(dòng)，適用各類礦山立井井筒鉆鑿施工。鉆機(jī)配有油缸驅(qū)動(dòng)的可變徑穩(wěn)定器和可變徑鉆頭，適應(yīng)巖石硬度達(dá)130 MPa(f=13)，鉆壓≥150 t，硬巖鉆速>100 mm/h。設(shè)計(jì)最大鉆井深度650 m，可變鉆井直徑4～12 m，最大提升能力900 t，動(dòng)力頭扭矩為1 000 kN·m，主機(jī)裝機(jī)功率960 kW，轉(zhuǎn)速最大可達(dá)12 r/min。

2.3 鉆井法適應(yīng)條件

2.3.1 工程地質(zhì)條件適應(yīng)性

該井筒穿越白堊系、侏羅系巖層多為不穩(wěn)定-弱穩(wěn)定巖石，弱膠結(jié)，強(qiáng)度較低，一般f≤4，僅個(gè)別巖層f=7；而我國(guó)中、東部地區(qū)鉆井法施工井筒下部基巖強(qiáng)度一般f≥5。因此，采用同樣的鉆井設(shè)備施工西部地區(qū)軟弱地層是可行的。

2.3.2 水文地質(zhì)條件適應(yīng)性

根據(jù)可可蓋井田勘探報(bào)告、井檢孔勘探報(bào)告以及相鄰已建成的小紀(jì)汗礦井、大海則礦井、巴拉素礦井井筒實(shí)際揭露地層的涌水量情況，本區(qū)域內(nèi)第四系薩拉烏蘇組、白堊系洛河組、侏羅系延安組2號(hào)煤層為主要含水層，井筒施工過程中均受到不同程度影響。若采用鉆井法鑿井，井筒施工不受含水層影響，是建井防治水害最有效的手段。

2.4 適應(yīng)性分析

本次立井最大鉆井直徑8.5 m，最大鉆井深度535 m，巖石以泥巖類為主，強(qiáng)度弱，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為15.6～70 MPa，約80%的巖石單軸抗壓強(qiáng)度≤50 MPa，平均約38 MPa。根據(jù)現(xiàn)有鉆井技術(shù)和鉆機(jī)性能，鉆機(jī)功率大，自動(dòng)化程度高，鉆機(jī)能力完全滿足巖石強(qiáng)度可鉆性。通過分析認(rèn)為，立井鉆機(jī)對(duì)于可可蓋井田地層巖性強(qiáng)度是適應(yīng)的。

3 鉆井法穿越西部地區(qū)第四系松散砂層的對(duì)策

3.1 采取對(duì)策的必要性

根據(jù)井檢孔勘探結(jié)果，第四系風(fēng)積沙、薩拉烏蘇組砂層埋深大、極松散、富水性強(qiáng)，井筒開挖后圍巖自由面無法抵抗砂層自然塌落，采用錨噴臨時(shí)支護(hù)及砌碹永久支護(hù)困難，易發(fā)生潰砂突水甚至淹井事故。飽和松散砂層段鑿井技術(shù)一直是建井工作的難題，一般開鑿立井前需要采取凍結(jié)、注漿等特殊鑿井措施。本次采用的鉆井法開鑿立井井筒，分析認(rèn)為鉆井過程采用正常泥漿護(hù)壁反力無法抵抗砂層自然塌落，仍存在發(fā)生潰砂突水的可能性，因此必須對(duì)第四系松散地層采取有效的對(duì)策進(jìn)行加固治理，實(shí)現(xiàn)鉆井安全穿越第四系松散層，為鉆井法成功鉆井立井井筒創(chuàng)造先決條件。

3.2 松散層加固方案比選

3.2.1 可行性比較

對(duì)于飽和松散層厚度較小且富水性小的井筒，目前多采用板樁法和超前預(yù)注漿法進(jìn)行處理，對(duì)于飽和松散層厚度較大且富水性較強(qiáng)的井筒，多采用降水法或凍結(jié)法進(jìn)行處理，然后采用鉆爆法破巖，井壁采用錨噴及砌碹等聯(lián)合支護(hù)完成井筒施工。本次采用的鉆井法不同于凍結(jié)法施工工藝，井筒采用鉆機(jī)破巖，鉆井過程采用泥漿護(hù)壁臨時(shí)支護(hù)，井壁地面預(yù)制，待鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后采用沉井法下沉井壁并找正后充填固井，井筒自由面暴露時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。通過調(diào)研了解，認(rèn)為地基工程通常采用MJS工法(全方位高壓噴射工法)對(duì)表土段松散層治理是非常有效的手段，MJS工法自20世紀(jì)70年代問世以來成功用于深基坑開挖、隧道掘進(jìn)和邊坡治理等建筑、鐵路行業(yè)，以往用于深井鑿井中案例較少，但對(duì)煤礦建井也有借鑒意義。因此，將MJS工法與傳統(tǒng)的松散層治理工法優(yōu)缺點(diǎn)及可行性一并比較如下，見表1。經(jīng)分析認(rèn)為，板樁法和超前預(yù)注漿法適應(yīng)性不強(qiáng)，不可行；降水法對(duì)松散層加固作用不大，不可行；凍結(jié)法和旋噴法均能達(dá)到松散層加固和含水層防治的目的，都具有可行性。因此，需對(duì)具有可行性的2種工法從安全、質(zhì)量、工期、造價(jià)以及施工組織等方面優(yōu)缺點(diǎn)再次進(jìn)行比較。

表1 鑿井方案技術(shù)可行性對(duì)比Table 1 Technical feasibility comparison table of schaft sinking scheme

3.2.2 凍結(jié)法

凍結(jié)法的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠、技術(shù)成熟、質(zhì)量可控。但凍結(jié)法工期長(zhǎng)、費(fèi)用較高，凍結(jié)圍巖對(duì)鉆井泥漿影響較大且凍結(jié)工期伴隨整個(gè)鉆井工期；立井井口周圍布置凍結(jié)管及凍結(jié)站、立井鉆機(jī)及龍門吊，基礎(chǔ)設(shè)備、管道較多并存在交叉，不利于大型設(shè)備作業(yè)，施工組織管理困難。

3.2.3 MJS工法

MJS工法的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠、質(zhì)量可控、工期短、相比凍結(jié)法費(fèi)用較低，不存在旋噴和鉆井交叉作業(yè)的情況，有利于施工組織和管理。但是MJS工法井筒施工應(yīng)用案例較少，存在樁體交接不嚴(yán)密導(dǎo)致潰砂突水的風(fēng)險(xiǎn)，但采取控制引孔斜度、間隔跳樁施工、水泥漿液合理配比等措施后可規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。綜合井筒地質(zhì)條件及目前旋噴工藝及裝備情況，分析認(rèn)為MJS工法可作為井筒穿越第四系薩拉烏蘇組富水松散砂層治理的對(duì)策之一。

3.3 MJS工法

旋噴法是用鉆機(jī)鉆至預(yù)定深度后，用高壓脈沖泵加壓使水泥漿液由鉆桿底端的噴嘴旋轉(zhuǎn)向四周噴射，同時(shí)旋轉(zhuǎn)提升，用高壓射流破壞土體結(jié)構(gòu)并使破壞的土體與水泥漿液攪拌混合，膠結(jié)硬化形成上、下直徑大致相同、具有一定強(qiáng)度的圓柱狀旋噴樁固結(jié)體，強(qiáng)度一般在3～8 MPa以上，滲透系數(shù)達(dá)6～10 cm/s。當(dāng)旋噴樁相互交接后，便以同心圓的形式在井筒之外形成一個(gè)永久性封閉的旋噴帷幕體，從而在井筒鉆進(jìn)前起到超前支護(hù)、止水的作用。MJS工藝漿液噴射流初始?jí)毫Ω哌_(dá)40 MPa，流量約90～130 L/min，噴射流能量大，作用時(shí)間長(zhǎng)，再加上穩(wěn)定的同軸高壓空氣保護(hù)和內(nèi)壓力的調(diào)整，使得成樁直徑較大，可達(dá)2～2.8 m，成樁深度大。

施工分為2個(gè)工作流程。先施工引孔鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高，再下噴頭由下至上噴射注漿。每個(gè)施工段的旋噴樁均劃分為一序孔和二序孔，先施工一序孔再施工二序孔，施工時(shí)采取間隔跳樁施工。

3.4 施工設(shè)計(jì)

3.4.1 布樁平面圖

根據(jù)對(duì)第四系薩拉烏蘇組砂層標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)測(cè)擊數(shù)18～19.7擊，MJS工法成樁樁徑一般可達(dá)2.0～2.5 m。設(shè)計(jì)樁徑1 500 mm，樁距987 mm，樁間搭接513 mm，搭接處厚度1 129 mm。結(jié)合可可蓋礦井中央進(jìn)、回風(fēng)立井井筒設(shè)計(jì)凈徑6 000 mm、井壁厚度600 mm、壁后充填厚度650 mm，確定鉆井直徑8 500 mm、樁體保護(hù)層厚度350 mm、旋噴樁體中心直徑10 700 mm，共布樁34根。井筒旋噴樁布置平面圖如圖2所示,剖面圖如圖3所示。

圖2 井筒旋噴樁布置平面Fig.2 Layout plane of wellbore jet grouting piles

圖3 井筒旋噴樁布置剖面示意Fig.3 Layout section of wellbore jet grouting piles

3.4.2 終孔層位及樁體長(zhǎng)度

高壓旋噴引孔的開孔孔徑為φ250 mm，采用泥漿護(hù)壁、回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方法，一鉆到底。根據(jù)井檢孔資料，對(duì)第四系風(fēng)積沙及薩拉烏蘇組上部共30 m深度進(jìn)行加固，下部灰綠色粉砂質(zhì)亞黏土及離石組黃土具有一定的自穩(wěn)性，不采用加固措施。因此，鉆孔終孔層位進(jìn)入風(fēng)積沙和薩拉烏蘇組松散砂層深度30 m。鉆孔成孔后，下入噴頭，由鉆孔底部向上邊旋噴邊提升至地表時(shí)終止旋噴，樁長(zhǎng)30 m。

3.4.3 設(shè)計(jì)工程量及造價(jià)

設(shè)計(jì)共布樁34根，另外布置1根試樁45 m。引孔總延米、旋噴長(zhǎng)度均為1 065 m。經(jīng)測(cè)算，旋噴樁330萬元、樁機(jī)環(huán)形導(dǎo)墻2萬元、措施項(xiàng)目費(fèi)(安全文明施工費(fèi)、冬雨季夜間施工措施費(fèi))15萬元、規(guī)費(fèi)17萬元、稅費(fèi)34萬元，工程總造價(jià)398萬元，綜合指標(biāo)3 737元/m。

3.5 應(yīng)用效果

可可蓋煤礦中央進(jìn)、回風(fēng)立井井筒采用MJS工法完成第四系松散層加固后，分別采用AD130/1000型豎井鉆機(jī)和ZDZD-100重型工程鉆機(jī)各施工一條立井井筒。自安設(shè)鉆機(jī)以來，通過觀測(cè)未發(fā)現(xiàn)位于旋噴樁體上的鉆井鎖口基礎(chǔ)下沉或變形，樁體有效阻止了第四系松散層坍塌，井筒內(nèi)的護(hù)壁泥漿量未出現(xiàn)異常增加情況，松散層含水被MJS樁體有效隔離，砂層水未涌入鉆井空間，采用MJS工法施工的旋噴樁體，達(dá)到了對(duì)松散層治理的目的。目前，中央進(jìn)風(fēng)立井采用一鉆成井φ8.5 m完成鉆進(jìn)280 m；中央回風(fēng)井采用一擴(kuò)成井φ4.5 m鉆進(jìn)513 m至設(shè)計(jì)深度并揭露主采2號(hào)煤層，采用φ8.5 m擴(kuò)孔鉆進(jìn)230 m，各井筒正在按設(shè)計(jì)有序鉆進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)松散層治理方案比選，確定采用MJS工法對(duì)松散層進(jìn)行加固治理，在井筒外部形成一個(gè)永久性封閉的旋噴帷幕體，井筒鉆進(jìn)前起到超前支護(hù)、止水的作用，防止鉆井過程中發(fā)生松散層坍塌引起潰砂突水，為鉆井法施工提供安全的作業(yè)空間，較凍結(jié)法具有造價(jià)低、工期短、不交叉干擾、有利于施工組織管理等優(yōu)點(diǎn)。隨著西部地區(qū)晉陜蒙寧大型能源基地的建設(shè)，建井技術(shù)不斷變革，應(yīng)用鉆井法安全高效快速施工立井已是大勢(shì)所趨。松散層治理問題得到有效解決將會(huì)為鉆井法在西部地區(qū)的廣泛應(yīng)用提供先決條件，MJS工法從建筑行業(yè)基坑支護(hù)到煤炭行業(yè)井筒支護(hù)的探討與實(shí)踐應(yīng)用，可以成為煤炭行業(yè)建井工作的新選擇。