专利名称：矿山竖井井筒一扩成井钻井法凿井工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及矿山井巷施工中，采用钻井法凿井的施工工艺，具体的说是一种用于 矿山竖井井筒一扩成井钻井法凿井工艺。
背景技术：
钻井法凿井是一种全机械化综合凿井工艺，工作人员在地面工作，实现打井不下 井。施工工艺包括①地层岩土破碎、携带、输送和分离；②逐级扩井；③井帮临时支护；④永 久支护包括井壁制做、悬浮下沉、壁后充填、注浆等。利用在地面布置的大直径钻机转盘驱 动钻杆，钻杆带动钻头旋转，钻头上的滚刀实现自转和公转，对地层产生冲击、挤压、刮削综 合作用，实地层破碎；当钻孔达到深度后，再经过多次扩井钻进并修正井偏及井斜，达到设 计直径时再将地面上预制好的钢筋混凝土井壁或钢板混凝土复合井壁，用钢法兰盘逐节连 接，在充满泥浆的井孔中，悬浮下沉至井底作永久支护。最后在井壁外围用水泥浆或其它材 料，根据地层条件分段进行置换泥浆的充填固井。现有的钻井法凿井工艺由于包含多次扩 孔钻进环节，多次扩孔虽然可以相对有效的利用钻机能力，但也存在许多问题需要多个扩 孔钻头，设备占用量大，工程成本高；辅助工作时间长、工效低，成井速度慢，不能满足快速 建井需要。
发明内容
为了降低施工成本，减少钻进时间，加快成井速度，本发明提供一种矿山竖井井筒 “一扩成井”钻井法凿井工艺。该工艺采用一次超前孔一次终孔扩孔钻进的方法，大大提高 钻井法凿井的成井速度，安全、可靠、施工成本低。本发明的技术方案是1、一种矿山竖井井筒一扩成井钻井法凿井工艺，主要包括 下列步骤①井筒钻进、②井壁预制、③下沉井壁④壁后充填。①井筒钻进包括一次钻孔及一次扩孔；钻机采用洛阳矿山机械设计研究院和中 煤特殊凿井公司联合设计制造的型号为AD130-1000型钻机，滚刀或刮刀按地质条件可以 选择球齿滚刀或者楔齿滚刀；由动力头驱动主动钻杆和普通钻杆，带动钻头旋转；钻头上 装有球齿滚刀或者楔齿滚刀，在一定压力下旋转破岩，使岩石破碎为岩屑，然后通过钻杆中 的风管送入压缩空气，用压气升液法将含有岩屑的泥浆高速排至地面，含岩屑的泥浆经过 地面沉淀净化处理后返回井中；期间钻机转速为0-18r/min，钻头压力小于钻头在泥浆中 重量的60%，在各地层交接带和风化带钻进时，钻压在原有的基础上再适当减小5-10T ；超 前孔直径与地质条件、扩孔直径及压风机能力都有关系，需要根据实际情况设定，一般采用 等面积法，如果一次钻孔直径太大，超出压风机能力要求，在压风机能力范围内最大直径作 为超前孔直径。为监控钻孔的垂直度，当钻进到一定深度或钻孔结束时，采用超声波测井仪，对钻 孔进行测斜，符合标准后可继续施工，否则，采用纠偏处理；
②井壁预制钻进的同时，在地面上预制井壁，井壁为钢筋混凝土井壁或钢板复合 井壁，在地面上经抄平后的基础上逐节制作；③下沉井壁利用泥浆对井壁的浮力然后向井内加配重水，使井壁缓缓下沉，并控 制其在泥浆中的悬浮高度，而井壁接长时经找正后，进行焊接，井壁下沉到底后进行扶正， 合格后将上口固定；④壁后充填是向井壁与岩帮之间的环形空间充填注浆，由下而上分若干段高进 行，采用水泥浆和碎石交替充填，第一充填段采用充填水泥浆液，碎石充填由井口均勻地填 入，然后固结成井。本发明的有益效果主要体现在由于采用上述工艺，将分级扩孔改为一次扩孔，原 来多次扩孔成井速度25 30m/月，改后成井速度可达30 40m/月，成井速度提高20%左 右；由于缩短了钻井时间，泥浆排放量减少约20%，减少大量泥浆存放场地面积，降低对环 境的污染；由于采用了大功率钻机和特殊的钻具及合理的技术参数，使钻井终孔的有效断 面满足井壁悬浮下沉的安装要求，成井偏斜率小于0. 04%。
图1钻孔、扩孔施工的示意图；图2超前孔钻进示意图；图3扩孔钻进示意图。图中1-主油缸，2-钻架，3-滑架，4-动力头，5-液压、电气系统，6-钻机平台， 7-封口平车，8-钻杆，9-导孔钻头，11-排浆槽，13-排浆管，15-地面泥浆池，16-泥浆沟槽， 17-泥浆，18-井孔，19-锁口，20-扩孔钻头。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明由附图1-附图3所示，该矿山竖井井筒一扩成井钻井法凿井工艺，主要包括下列 步骤①井筒钻进、②井壁预制、③下沉井壁④壁后充填；首先①井筒钻进包括一次钻孔及一次扩孔，如附图1及附图2所示，2为钻架，18 为泥浆，9为导孔钻头，20为扩孔钻头；钻、扩孔均采用动力头式液压缸提升的立井钻井机， 由洛阳矿山机械设计研究院和中煤特殊凿井公司联合设计制造，型号为AD130-1000型钻 机；钻具根据地质条件可以选择球齿滚刀或者楔齿滚刀，表土层一般用楔齿滚刀，基岩段一 般用球齿滚刀；而扩孔钻进为一次扩孔成井，如附图3所示，钻机平台6安装在地面锁口 19 上，锁口 19的内止口处安装封口平车7，钻机平台6装有液压、电气系统5 ；过程如下主油 缸1通过钻架2导向，推动动力头4沿滑架3下移，下移的过程中驱动普通钻杆和主动钻杆 8，带动导孔钻头9旋转，形成导孔，然后更换扩孔钻头20，扩孔钻头20上装有球齿滚刀或 者楔齿滚刀，刀具的最大直径为扩孔为荒径；在一定压力下旋转破岩，使岩石破碎为岩屑的 同时形成井孔18，然后通过钻杆8中的风管送入压缩空气，用压气升液将含有岩屑的泥浆 17通过钻杆8和排浆管13经排浆槽11高速排至地面泥浆池15，含岩屑的泥浆经过地面沉 淀净化处理后通过泥浆沟槽16返回井中。期间技术参数为钻机扭矩600kNm，动力头转速0-18r/min ；钻头压力小于钻头在泥浆中重量的60%，在各地层交接带和风化带钻进时，钻 压在原有的基础上再适当减小5-10T。为监控钻孔的垂直度，当钻进到一定深度或钻孔结束时，采用超声波测井仪，对钻 孔进行测斜，符合标准后可继续施工，否则，采用纠偏处理；②井壁预制钻进的同时，在地面上预制井壁，井壁为钢筋混凝土井壁和钢板复合 井壁，在地面上经抄平后的基础上逐节制作；③下沉井壁是利用泥浆对井壁的浮力然后向井内加配重水，使井壁缓缓下沉，并 控制其在泥浆中的悬浮高度，而井壁接长时经找正后进行焊接，找正方法一般采用的是在 井壁中心拴米字线，然后拴垂线与米字线中心点对中；井壁下沉到底后进行扶正，井筒的扶 正，一般采用两个20-30T千斤顶顶正，注意需要保证千斤顶的同步性，合格后将上口固定；④壁后充填是向井壁与岩帮之间的环形空间充填注浆，由下而上分若干段高进 行，采用水泥浆和碎石交替充填，第一充填段采用内管注浆法，充填水泥浆液，既在井筒内 布置了 5条内注浆管路，其中4条用于第一段高的充填，剩下一条用于壁后检查二次补注 浆；碎石充填由井口均勻地填入，然后固结成井。实施矿山竖井井筒“一扩成井”钻井法凿井工艺时，主要工艺技术要求如下(1)井筒偏斜的控制钻头在钻进前均保证其自由状态下对准钻孔中心，其偏差 控制在5mm以内；各级钻孔所使用的钻压均小于钻头在泥浆中重量的60% ；在各地层交接 带和风化带钻进时，钻压在原有的基础上再适当减小5-10T ；采用SKD-1型超声波测井仪， 对各级钻孔的垂直度和井径进行及时的测量，以便及时采取纠偏措施，一般是要提钻进行 扫孔，直到偏斜率和井径达到要求。(2)井帮的稳定严格控制钻进参数，钻压小于钻头在泥浆中重量的60%，超前孔 一般转速5r/min，扭矩为钻机最大扭矩的40%~60%,扩孔一般3r/min，扭矩为钻机最大能 力的80%，并综合考虑泥浆性能参数①抑制造浆采用高分子聚合物化学药剂，利用其特 殊结构优先占据岩屑表面的可吸附区域，在其表面形成保护层，有效地阻止与泥浆中自由 水的接触，抑制泥浆水对钻屑的水化，使破碎的岩屑基本保持原样，从而抑制土块在钻进中 的完全造浆。②降低含砂率利用沉淀池靠重力作用沉降粒径较大的岩屑；再用旋流器排 出较小岩屑；进而用三聚磷酸钠絮凝沉降较细小岩屑及粉砂。③降低失水量若泥浆粘度 超过24s，先加水稀释至24s以下(失水量可能会升高，但泥皮已形成，不会造成太大危害) 再加CMC，把失水量降下来。④泥浆参数控制原则以控制失水量、放宽密度值为手段，以形 成孔壁内侧液柱压力大于孔壁外侧的液柱压力，保证井帮稳定。(3)泥包钻头的处理采取各种几种措施，如降低泥浆黏度，控制失水量，严格控 制钻进参数，开设侧吸收口，加大泥浆吸收量。(4)超前孔直径选择超前孔直径与地质条件、扩孔直径及压风机能力都有关系， 需要根据实际情况设定，一般采用等面积法，如果一次钻孔直径太大，超出压风机能力要 求，以压风机能力范围内最大直径作为超前孔钻进直径。该工艺由于采用一次超前孔和一次终孔扩孔，成井速度提高20%左右；泥浆排放 量减少约20%，降低对环境的污染；由于采用了大功率钻机和特殊的钻具及合理的技术参 数，使成井偏斜率小于0. 04%。该工艺不但应用煤炭工业，也可以在其它类似的地下矿山工 程应用。
权利要求
一种矿山竖井井筒一扩成井钻井法凿井工艺，主要包括下列步骤①井筒钻进、②井壁预制、③下沉井壁④壁后充填，①井筒钻进包括一次钻孔及一次扩孔；钻机采用洛阳矿山机械设计研究院和中煤特殊凿井公司联合设计制造的型号为AD130-1000型钻机，滚刀或刮刀按地质条件可以选择球齿滚刀或者楔齿滚刀，由动力头驱动主动钻杆和普通钻杆，带动钻头旋转；钻头上装有球齿滚刀或者楔齿滚刀，在一定压力下旋转破岩，使岩石破碎为岩屑，然后通过钻杆中的风管送入压缩空气，用压气升液法将含有岩屑的泥浆高速排至地面，含岩屑的泥浆经过地面沉淀净化处理后返回井中；期间钻机转速为0-18r/min，钻头压力小于钻头在泥浆中重量的60％，在各地层交接带和风化带钻进时，钻压在原有的基础上再适当减少5-10T；超前孔直径与地质条件、扩孔直径及压风机能力都有关系，需要根据实际情况设定，一般采用等面积法，如果一次钻孔直径太大，超出压风机能力要求，在压风机能力范围内最大直径作为超前孔直径。为监控钻孔的垂直度，当钻进到一定深度或钻孔结束时，采用超声波测井仪，对钻孔进行测斜，符合标准后可继续施工，否则，采用纠偏处理；②井壁预制钻进的同时，在地面上预制井壁，井壁为钢筋混凝土井壁或钢板复合井壁，在地面上经抄平后的基础上逐节制作；③下沉井壁利用泥浆对井壁的浮力然后向井内加配重水，使井壁缓缓下沉，并控制其在泥浆中的悬浮高度，而井壁接长时经找正后，进行焊接，井壁下沉到底后进行扶正，合格后将上口固定；④壁后充填是向井壁与岩帮之间的环形空间充填注浆，由下而上分若干段高进行，采用水泥浆和碎石交替充填，第一充填段采用充填水泥浆液，碎石充填由井口均匀地填入，然后固结成井。
全文摘要
本发明涉及一种矿山竖井井筒一扩成井钻井法凿井工艺。主要解决现有矿山竖井井筒成井工艺中设备占用量大，工程成本高，工效低，成井速度慢的问题。主要包括下列步骤①井筒钻进、②井壁预制、③下沉井壁、④壁后充填；在①井筒钻进中仅采用一次超前孔和一次终扩孔的方式成井，该工艺可大大提高钻井法凿井的成井速度，将提高20％左右；并且由于只采用一次超前孔钻进，减少了设备占用量，并使泥浆排放量减少约20％，降低了对环境的污染；由于采用了大功率钻机和特殊的钻具及合理的技术参数，使成井偏斜率小于0.04％。
文档编号E21B7/00GK101858218SQ201010172179
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者刘志强, 刘日辉, 史基盛, 李文增, 汪船, 王从平, 王新, 胡光雨, 胡本杰, 蔡鑫, 赵厚胜, 赵时运, 陈发祥, 陈远坤, 马进, 黄海波 申请人:淮北矿业(集团)有限责任公司;中煤特殊凿井(集团)有限责任公司;北京中煤矿山工程有限公司;华煤建设特殊工程技术有限公司