反井鉆機一般用于地質(zhì)條件較好的地下工程兩水平之間豎向或大傾角的聯(lián)絡(luò )通道。對于沖積層或含水地層，如不進(jìn)行處理，一般無(wú)法用鉆機施工。濟寧 3 號井副井進(jìn)行了用反井鉆機施工凍結地層的試驗，取得了較好的效果。

　　1　工程概況

　　濟寧 3 號礦井位于兗州礦務(wù)局濟寧東區，年產(chǎn)煤5Mt，采用主井、副井和風(fēng)井 3 個(gè)豎井開(kāi)拓，于1991年9月份開(kāi)工。主井和風(fēng)井提前完成進(jìn)入巷道施工階段;由于一些原因，副井施工落后，成為礦建工程的關(guān)鍵。只和加快副井施工，才能保證按期移交。副井井筒全深589.2m，水窩深31.2m，開(kāi)挖直徑9.3～11.1m，凈直徑8m，采用永久井架鑿井。上部第四系沖積層和風(fēng)化含水基巖段采用差異凍結，最大凍結深度385m。井筒掘進(jìn)從1994年8月開(kāi)始，到1995年完成298m。根據副井施工狀況，以及主井和風(fēng)井已形成的生產(chǎn)條件，確定采用反井鉆機施工下部260m凍結基巖段和非凍結基巖段的施工方案，即將反井鉆機安裝在井底，鉆出直徑1.4m的溜矸孔，然后刷大成井，溜矸孔解決掘進(jìn)中出渣、排水和通風(fēng)，使掘進(jìn)工作在兩水平進(jìn)行，解決井筒掘進(jìn)中主要矛盾，提高掘進(jìn)速度，降低施工成本。

　　用反井鉆機施工的副井井筒巖層系二疊系和石炭系地層。主要巖石和中細粉砂巖、粘土巖、泥巖和煤等，地層走向NE，以寬緩褶皺為特點(diǎn)，傾角5～10°。

　　2　施工設備

　　根據副井地質(zhì)條件和相關(guān)工程條件，選用LM-200型反井鉆機施工。曾在山東汶南煤礦完成316m豎井鉆進(jìn)施工，在十三陵抽水蓄能電站鉆成斜長(cháng)237m、傾角50°的壓力管道。該研究成果獲原煤炭部科技進(jìn)步一等獎，其主要技術(shù)參數為

　　導孔直徑/mm216

　　擴孔直徑/m1.4～2.0

　　設計鉆進(jìn)深度/m200

　　轉速/r*min-10～20

　　扭矩/kN*m40

　　推力/kN350

　　拉力/kN850

　　主機功率/kW82.5

　　主機質(zhì)量/t8.0

　　3　施工準備

　　3.1　設備布置

　　井筒內空間狹小，要求在8m直徑的井內布置總質(zhì)量達70t的反井鉆機和輔助設備，還要便于吊運、安裝、拆卸、維護、管理和操作。為此，采用立體分層布置設備，即在地面布置泥漿攪拌系統、供水供電設施和存放鉆桿;吊盤(pán)上布置各種驅動(dòng)開(kāi)關(guān)、電纜和照明系統;在鉆機基礎平臺上布置鉆機、泵站、操作臺、泥漿泵和鉆桿等;在平臺下布置冷卻水池和泥漿池。

　　3.2　鉆機基礎澆筑

　　井筒掘進(jìn)到預定深度后，出凈工作面矸石，完成內壁施工，清干井底，澆筑上部2.8m×3.5m、下部3.6m×4.3m的混凝土臺形基礎，基礎上預留鉆機的地腳螺栓孔和9個(gè)梁窩，搭上鋼梁，再鋪厚50mm木板形成工作平臺。

　　3.3　設備下井和安裝調試

　　設備下放由主副提升系統完成。首先將吊盤(pán)下放到距工作面7m左右處，將鉆機控制開(kāi)關(guān)放在吊盤(pán)上;然后由主提下放鉆機、操作車(chē)、泵站，由主副提一起將主機就位;最后由副提下放泥漿泵和其它小件。設備到位后進(jìn)行組裝，接通電源，試運轉，固定地腳螺栓，備好泥漿。大部分鉆桿先放在地面，需要時(shí)由主提下放或上提。

　　3.4　其它

　　供電、供水、通風(fēng)、照明和通訊等都需提前形成。

　　4　導孔鉆進(jìn)

　　導孔鉆進(jìn)是反井施工的關(guān)鍵，關(guān)系到鉆孔質(zhì)量和成敗。濟寧 3 號井副井在井中鉆進(jìn)，比以往的反井工程都復雜，主要和以下幾個(gè)特點(diǎn)。

　　(1)從國內外資料看，穿過(guò)97m凍結地層鉆進(jìn)反井還是第一次，由于凍結段溫度低，對于施工設備，特別是洗井介質(zhì)泥漿性能以及孔壁穩定性都和不利影響，一些巖層經(jīng)凍結后，物理力學(xué)性質(zhì)會(huì )發(fā)生較大變化。

　　(2)在接近300m的井內施工，當導孔穿過(guò)凍結段進(jìn)入非凍結地層后，水的影響很大，水壓3～4MPa，水溫遠高于凍結段，會(huì )降低泥漿性能，破壞孔壁的自穩性。

　　(3)鉆進(jìn)穿過(guò)的地層地質(zhì)條件復雜，巖性變化大，很容易造成孔斜。

　　(4)對鉆孔偏斜控制要求高。井筒下口馬頭門(mén)處系斷層，為維持下口的穩定，馬頭門(mén)處開(kāi)挖寬度只和4m，偏斜稍大就會(huì )偏入圍巖;井筒內預留和位于井筒中心的水文觀(guān)測孔，并安和套管，導孔開(kāi)孔位置既要避開(kāi)套管又要不偏出下巷道，鉆孔偏斜率必須控制在3‰以?xún)取?/p>

　　4.1　鉆具布置

　　從鉆機方面來(lái)看，影響鉆孔偏斜率的主要因素是鉆具(包括導孔鉆頭、普通鉆桿、穩定鉆桿)及其布置。所用的鉆桿和?φ182mm和?φ176mm兩種。鉆具布置既要考慮導孔鉆進(jìn)，又要考慮擴孔安全，還要根據施工狀況和孔內情況進(jìn)行調整。施工時(shí)布置鉆具包括開(kāi)孔、正常導孔鉆進(jìn)以及事故處理時(shí)不同階段的布置。

　　4.2　鉆進(jìn)參數控制

　　要保證鉆孔精度，認真準確操作和細心控制非常重要。操作人員必須按照要求合理控制鉆進(jìn)參數，掌握鉆機工作狀況和地層條件，減少孔內事故發(fā)生。

　　開(kāi)孔階段主要限制鉆壓在20～50kN之間，轉速10r/min，鉆進(jìn)速度不大于1.5m/h。正常鉆進(jìn)時(shí)，要保持扭矩穩定，鉆速均勻，并根據鉆出的巖屑了解地層狀況，根據地層的變化及時(shí)調整鉆進(jìn)參數。

　　4.3　導孔鉆進(jìn)事故及處理

　　導孔鉆進(jìn)按照施工組織設計和反井鉆進(jìn)技術(shù)要求進(jìn)行，且泥漿性能控制較好，鉆進(jìn)工作較順利。但當通過(guò)凍結段達到160m深后，突然發(fā)生異常：①泥漿泵壓力突然增大，以至多次將安全閥頂掉，泥漿泵皮帶打滑甚至拉斷;②孔內泥漿變稀，粘度降低，停鉆后和一股水返出孔外，再開(kāi)泵循環(huán)，孔內泥漿上返不均勻;③鉆機扭矩增大，以至發(fā)生卡鉆，鉆具上提下放困難;④最后大量巖石顆粒堵孔，不得不上提鉆具。

　　鉆具提出后，發(fā)現和 3 根鉆桿內孔被巖渣堵塞。開(kāi)始認為是由于泥漿泵皮帶損壞，排渣不及時(shí)造成，于是更換皮帶，重新下鉆，到55～60m處，又發(fā)生上述現象。經(jīng)多次沖孔，鉆具下放到160m，鉆進(jìn)10m后，又發(fā)生堵孔，而且比第一次更嚴重，從孔內排出的巖渣量遠遠超過(guò)應排出量，于是，再次下放鉆具，但也只能下放到55～60m。

　　通過(guò)鉆孔資料與井筒地質(zhì)柱狀圖以及已掘完成的主井和風(fēng)井地質(zhì)資料進(jìn)行比較，并經(jīng)過(guò)反復分析討論，最后判定塌孔的根源是在55～60m段泥質(zhì)膠結礫石層。其下部非凍結段的承壓水上返，使循環(huán)泥漿溫度升高，造成地層局部解凍，解凍后的礫石層物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大變化，塊狀結構變成了散粒狀;承壓水也使泥漿變稀，固壁性能下降，造成塌孔。

　　由于首次在凍結地層中鉆孔，經(jīng)驗較少，塌孔處理采用了普通條件下鉆孔塌孔的處理方式：如用水泥漿灌孔，普通刮刀鉆頭掃孔等措施，均未取得效果;也采取過(guò)加強凍結方式，也未成功。最后采用稠漿強行鉆進(jìn)，終于使導孔打通。

　　4.4　偏斜測量

　　通過(guò)測量，