专利名称：在半成井的立井井筒内打钻孔及排矸立井井筒排水的方法
技术领域：
本发明涉及立井打钻孔及排水的方法，具体涉及在半成井的立井井筒内打钻孔及排矸立井井筒排水的方法。
背景技术：
某矿区的回风立井井筒一年前已安全到底，并已安装了永久排水系统，与之相邻的排矸立井自开工以来，已安全掘进至287m位置，到达黄土层与洛河组砂岩层结合处，井筒进入洛河组后，涌水量由20m3/小时急剧增大至115m3/小时以上，每天排水时间累计8小时左右，加之泥沙进入水泵，导致水泵磨损加剧，维修水泵时间每天在3小时左右，浪费了大量的人力物力，基岩段平均进尺35m/月，存在降低了掘进速度，并且在井壁浇筑混凝土时，工作面积水进入模板，带走混凝土中的部分水泥，导致混凝土配比改变，降低了井壁永·久支护强度，增大了后期井筒壁后注浆和井筒装备安装的难度的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种在半成井的立井井筒内打钻孔的方法。本发明的另一目的是提供排矸立井井筒排水的方法。为了解决井筒涌水大，掘进速度低，本发明的技术方案是这样解决的一种在半成井的立井井筒内打钻孔的方法的特殊之处在于按下述步进行
(1)、在半成立井井筒口处安装一个封口盘，钻机平台使用工字钢搭设，钻机平台基础浇筑长X宽X高=3mX I. 6mX I. 7m的C40混凝土，混凝土里埋设160#槽钢与钻机平台焊接，再在钻机平台下方开挖浇筑两条长X宽X高=2mX2. 5mXl. 5m的C40混凝土，内部预埋多个圆钢和钻机平台进行焊接，用作加固钻机，确保钻机在起吊钻杆时钻机不会被拉翻；
(2)、在天轮平台上重新安装钢梁悬吊滑车和定滑轮组；
(3)、井筒口外安装两台稳车；
(4)、在封口盘内安装一路导向钢管，作为钻杆的导向钢管；
(5)、将钻孔开孔位置选择在井筒的内边沿处，将导向钢管用稳车上的钢丝绳一端悬吊导向钢管，导向钢管每隔2m通过U型卡子、卡座和树脂锚杆与井壁连接；
(6)、导向钢管与导向钢管接头处，在导向钢管外径上焊接一个套管；
(7)、井筒中每IOOm通过工字钢梁与导向钢管固定连接，确保导向钢管能够承受因钻杆摆动时产生的撞击力；
(8)、将导向钢管一端接至未掘进的立井工作面处，然后将钻具通过导向钢管下放到未掘进的立井工作面处开始钻孔，直至钻孔打到井筒设计深度，停钻。一种排矸立井井筒排水的方法，按下述步进行
(I)、从回风立井井筒的码头门一侧打一水平巷道至排矸立井码头门一侧，在水平巷道靠近排矸立井码头门一侧修筑两个沉淀池；(2)、排矸立井涌水通过导向钢管排入到排矸立井的两个沉淀池；
(3)、两个沉淀池的水通过一排水管流入回风立井井筒的临时水仓；
(4)、临时水仓的水再通过已安装好的另一排水管排入地面排水系统。本发明与传统的立井掘进施工相比，结合风井已经到底排水系统即将完善的有利条件，从排矸立井工作面施工垂直钻孔至井筒下口，从井下施工短距巷道贯通钻孔，将排矸立井井筒涌水导流至井下排水系统，再利用风井将水排至地面的方案，具有施工速度快，降低了后续井筒施工的难度，提高了井壁质量，缩短了后期壁后注浆封水工期，用于涌水量大的立井施工。
图I为本发明两立井结构示意 图2为图I的导向钢管连接结构示意 图3为图2的导向钢管与井壁连接俯视结构示意具体实施例方式附图为本发明的实施例。下面结合附图对发明内容作进一步详细说明
参照图I、图2、图3所示，一种在半成井的立井井筒内打钻孔的方法，按下述步进行
(1)、在半成立井井筒口处安装一个封口盘，钻机平台使用工字钢搭设，钻机平台基础浇筑长X宽X高=3mX I. 6mX I. 7m的C40混凝土，混凝土里埋设160#槽钢与钻机平台焊接，再在钻机平台下方开挖浇筑两条长X宽X高=2mX2. 5mXl. 5m的C40混凝土，内部预埋多个圆钢和钻机平台进行焊接，用作加固钻机，确保钻机在起吊钻杆时钻机不会被拉翻； (2)、在天轮平台上重新安装钢梁悬吊滑车和定滑轮组；
(3)、井筒口外安装两台稳车；
(4)、在封口盘内安装一路导向钢管，作为钻杆的导向钢管；
(5)、将钻孔开孔位置选择在井筒的内边沿处，将导向钢管用稳车上的钢丝绳一端悬吊导向钢管，导向钢管每隔2m通过U型卡子、卡座和树脂锚杆与井壁连接；
(6)、导向钢管与导向钢管接头处，在导向钢管外径上焊接一个套管；
(7)、井筒中每IOOm通过工字钢梁与导向钢管固定连接，确保导向钢管能够承受因钻杆摆动时产生的撞击力；
(8)、将导向钢管一端接至未掘进的立井工作面处，然后将钻具通过导向钢管下放到未掘进的立井工作面处开始钻孔，直至钻孔打到井筒设计深度，停钻。一种排矸立井井筒排水的方法，按下述步进行
(1)、从回风立井井筒的码头门一侧打一水平巷道至排矸立井码头门一侧，在水平巷道靠近排矸立井码头门一侧修筑两个沉淀池；
(2)、排矸立井涌水通过导向钢管排入到排矸立井的两个沉淀池；
(3 )、两个沉淀池的水通过一排水管流入回风立井井筒的临时水仓；
(4)、临时水仓的水再通过已安装好的另一排水管排入地面排水系统。
综上所述，由于排矸立井净直径只有6. 5m，发现井筒工作面空间狭小，无法布置钻机，只能布置在井筒上口 ；在井筒上口布置钻机存在如何通过已施工287m井筒进行钻进的问题，针对这一情况，采用长距离悬空钻杆导向循环技术进行打钻，即采用钢管作为钻杆导向钢管，钻杆在导向钢管内悬空模拟钻孔的泥浆循环的打钻方法。长距离悬空钻杆导管循环技术要顺利应用到实际施工中需要解决以下难点
(I )、确定钻孔的基本参数，并进行合理的钻机设备选型。(2)、如何利用井口有限空间及设备布置钻机设备。(3)、导向钢管必须易于固定，且固定牢靠，能够保证打钻过程中钻杆摆动时安全可靠，并且不容易被钻杆磨穿。(4)、如何选择不同地层的钻进参数，确保钻进时将钻杆对导向钢管扰动降低到最 小。(5)、要有较高的测斜纠偏手段，钻孔的偏斜率要控制在合理范围，确保其终孔位置能落在井下巷道内。(6)、由于导向钢管长287m，如果通过导向钢管循环泥浆，其下部的泥浆压力达3MP左右，距离井筒工作面较近的井壁将要承受高压泥浆的冲击，有可能出现泥浆跑漏或冲坏井壁的情况。如何保证正常的泥浆循环，同时减少对井壁的冲击，是该技术成功与否的关键。针对技术难点提出解决方案
(1)根据排水需要，设计钻孔深度为456.45m，孔径190mm。钻孔内安装Φ 159mm钢制筛管。通过设备选型最终确定了钻机等设备型号，具体如下
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(2)、钻具选择
为保证钻孔垂直度，防止孔斜，主钻具采用Φ 89mm钻杆，钻铤用Φ 159mm 4一5根，同时能保证JDT-5A型陀螺测斜仪在钻具内跟管测斜。钻具组合采用立轴+Φ89πιπι钻杆+ φ 159mm钻铤+ Φ 190mm复合片钻头。(3)、由于井口空间有限，无法正常搭设钻机井架，结合现场环境，对井架天轮平台和钻机固定方式做了相应改造。首先，由于钻杆最深长度为740m，钻机又无法搭设钻机井架，因此，对井架天轮平台进行了改造，具体为在天轮平台上重新布置钢梁悬吊滑车，安装定滑轮组，悬吊钻杆，实现钻杆起、吊动作。其次，钻机平台使用工字钢搭设，钻机平台基础浇筑长X宽X高=3mX I. 6mX I. 7m的C40混凝土。混凝土里埋设160#槽钢与钻机平台焊接，再在钻机平台下方开挖浇筑两条长X宽X高=2mX2. 5mX I. 5m的C40混凝土，内部预埋若干圆钢，和钻机平台进行焊接用作加固钻机。确保钻机在起吊钻杆时钻机不会被拉翻。(4)为了便于固定导向钢管，决定将钻孔开孔位置选择在井筒的内边沿处，将导向钢管用钢丝绳进行悬吊，并用特制的管卡固定导向钢管在井壁上。由于用导向钢管模拟孔壁环境，为了确保打钻施工安全，应尽量降低轴向力，以确保钻杆对导向钢管无接触或点接触。(5)根据上述分析选择钻进参数
由于井筒内有287m的超长悬空导向钢管，开孔是保证钻孔垂直度的关健。为确保开孔的垂直度，开孔钻进过程中采用轻压、慢转。钻机转数控制在48— 69r/min，钻压控制在500kg以内。
( 6 )、不同地层下的钻进操作
钻头选用Φ 190mm复合片钻头，采用一径到底的钻孔结构，孔径为Φ 190mm。根据地层情况合理的选择钻进参数
钻头钻头直 》压转遼眾量 岩性'
类型径<腿) (KN) (r/min) (L/min)
软、'ih-j-砂.
*IP 190 2C^-30 48—69 850
中软煤
泥岩、粉砂
.中XiPi 190 3(^40 48—69 850
岩I砂岩
中砂岩，硅灌丨
硬、胶结砂岩、 XiPt 190 4CH-50 48—69 850 硬石英砂岩丨
(7)、钻进时给压均匀。并根据地层情况合理掌握钻压、转速和泵量。砂层中转速快给进，粘土层中转速慢给进，防止快进时泥包钻头；基岩应高钻压低转速。控制孔底钻压为钻铤在孔内总重量的75— 80%，采用悬吊钻进，以防钻杆产生较大的横向扭矩。下钻接近孔底时，缓慢下放，严禁墩钻，用新钻头时应轻压慢转30分钟后，再逐步加大钻压正常钻进，起钻时应及时向孔内补充泥浆，预防塌孔。(8)、制定严格的钻孔防偏纠斜措施
(B、陀螺测斜
测斜选用JDT-5A型陀螺仪测斜。正常钻进每20m布置一个测点，根据具体情况，测点可适当调整。表土层与岩石交界面另布置一个测点，易偏地段增加测点。陀螺仪测斜同一点，必须上下复测，发现疑点要重新测量，确保测斜资料的可靠性。②、钻孔纠斜
使用液动螺杆钻具进行纠斜。定向纠斜钻具组合
钻头一螺杆钻具一弯接头一钻铤一扶正器一钻杆一立轴。(a)用螺杆钻具纠斜前，应充分循环并调整好泥浆性能，含砂量< 1%。(b)下螺杆钻具中，应将每根钻具用双钳加力紧扣。(c)安装防反转器，防止定向纠斜钻进中钻具转动。 (d)定向纠斜钻进中加压、送钻要均匀，使用推荐的钻进参数。(e)纠斜过程中，每钻进约8米，进行测斜，了解顶角和方位角的变化，检查纠斜情况。( 9 )、合力解决泥浆循环与高压泥浆冲击井壁的矛盾
首先我们采取了先注浆封水，后在工作面打止浆垫的办法解决，具体如下
在实际的打钻准备中，先对上部287m井壁进行注浆封水，将涌水量降至Im3以下，然后在井筒工作面浇筑3. Sm厚的c40混凝土作为止浆垫，止浆垫内预先埋设注浆管，7天后对止浆垫下部进行注浆封水，重点封堵止浆垫与孔口管周围的裂隙。进行了一系列注浆封水、浇筑止浆垫后，进行了试钻，设想泥浆从地面通过钻杆压入钻头位置，由钻头位置通过导向钢管返回地面，形成泥浆循环。在试钻5分钟后下部几模井壁接茬缝出现漏浆现象、随后止浆垫与孔口管周围被高压泥浆冲开，试钻失败。首次试钻失败后，仔细分析了失败原因，认为由于钻孔位置与井壁距离仅为100_，泥浆循环时局部压力集中，导致井壁接茬缝与出现漏浆情况，由于泥浆已经压开裂隙，再进行注浆封堵，无法完全置换出进入的泥浆，经过现场分析，决定改变泥浆循环方式，由于井筒有两个吊桶，打钻每小时需要循环泥浆25-30m3，用两个吊桶每小时提升泥浆35-40 m3，在导向钢管下部7m处安装一个阀门，将钻孔循环出来的泥浆通过阀门放到井底工作面，再由吊桶将泥浆提升至地面泥浆池形成循环，理论上可以满足打钻泥浆循环需要。经过现场施工证明利用吊桶循环泥浆完全可行，该创新一举解决了泥浆对井下井壁的高压冲击，确保了井壁的安全；同时由于泥浆不需要通过导向钢管，即使钻杆将导向钢管局部磨穿，也不会出现漏浆停钻的现象。实施例I
经过一系列的技术攻关与方案调整，解决了制约长距离悬空钻杆导向循环技术的瓶颈，在实际的打钻过程中十分成功，具体如下
I)、钻孔施工进度统计
钻孔长度458m,钻进工期仅用15天,平均30. 5m/天。
权利要求
1.一种在半成井的立井井筒内打钻孔的方法，其特征在于按下述步骤进行 (1)、在半成立井井筒口处安装一个封口盘，钻机平台使用工字钢搭设，钻机平台基础浇筑长X宽X高=3mX I. 6mX I. 7m的C40混凝土，混凝土里埋设160#槽钢与钻机平台焊接，再在钻机平台下方开挖浇筑两条长X宽X高=2mX2. 5mXl. 5m的C40混凝土，内部预埋多个圆钢和钻机平台进行焊接，用作加固钻机，确保钻机在起吊钻杆时钻机不会被拉翻； (2)、在天轮平台上重新安装钢梁悬吊滑车和定滑轮组； (3)、井筒口外安装两台稳车； (4)、在封口盘内安装一路导向钢管，作为钻杆的导向钢管； (5)、将钻孔开孔位置选择在井筒的内边沿处，将导向钢管用稳车上的钢丝绳一端悬吊导向钢管，导向钢管每隔2m通过U型卡子、卡座和树脂锚杆与井壁连接； (6)、导向钢管与导向钢管接头处，在导向钢管外径上焊接一个套管； (7)、井筒中每IOOm通过工字钢梁与导向钢管固定连接，确保导向钢管能够承受因钻杆摆动时产生的撞击力； (8)、将导向钢管一端接至未掘进的立井工作面处，然后将钻具通过导向钢管下放到未掘进的立井工作面处开始钻孔，直至钻孔打到井筒设计深度，停钻。
2.一种排矸立井井筒排水的方法，按下述步进行 (1)、从回风立井井筒的码头门一侧打一水平巷道至排矸立井码头门一侧，在水平巷道靠近排矸立井码头门一侧修筑两个沉淀池； (2)、排矸立井涌水通过导向钢管排入到排矸立井的两个沉淀池； (3 )、两个沉淀池的水通过一排水管流入回风立井井筒的临时水仓； (4)、临时水仓的水再通过已安装好的另一排水管排入地面排水系统。
全文摘要
本发明公开了在半成井的立井井筒内打钻孔及排矸立井井筒排水的方法。步骤为钻机平台使用工字钢搭设，混凝土内部预埋多个圆钢和钻机平台进行焊接；天轮平台上安装钢梁悬吊滑车、定滑轮组、稳车；在封口盘内安装导向钢管；导向钢管每隔2m通过U型卡子、卡座和树脂锚杆与井壁连接；导向钢管接头处焊接套管；工字钢梁与导向钢管固定连接；直至钻孔打到井筒设计深度，停钻。排矸立井井筒排水的方法从回风井筒码头门打一水平巷道至排矸井，并修筑沉淀池；沉淀池的水通过排水管流入临时水仓；临时水仓的水通过另一排水管排入地面。具有施工速度快，降低了后续井筒施工难度，提高了井壁质量，缩短了后期壁后注浆封水工期，用于涌水量大的立井施工。
文档编号E21B7/10GK102900367SQ201210429799
公开日2013年1月30日 申请日期2012年11月1日 优先权日2012年11月1日
发明者王冠民, 刘庆利, 李小兵, 李博 申请人:陕西彬长文家坡矿业有限公司