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井下钻探高承压水安全施工技术

放大字体  缩小字体 2020-03-26  来源:技术资料
井下钻探高承压水安全施工技术

  1前言

  井下钻探是开展矿井防治水工作的关键手段,其优点是不受地面条件限制,且工程量小、工期短、投资少、针对性强、水压水量直观、经济合理,近几年来,开滦矿务局部分矿井开始尝试地面钻探改为井下施工。开滦广信有限责任公司针对用水紧张状况,为合理有效地利用地下水资源,需施工奥灰水源井。在井下钻探工程中,因奥灰水压高(1.7 MPa)、水量大(φ89 mm,钻孔喷水3~4 m3/min),遇到了许多意想不到的困难,出现过喷水、喷矸、套管失控等一系列复杂问题,一度使人身和设备安全受到了威胁。通过实践,积累了一套防喷、控钻等一系列安全施工技术。

  2问题的提出

  广信公司为了满足日益增长的工业和生活用水,合理有效地开发利用地下水资源,在井下施工2个奥灰孔,孔深设计为600 m,涌水量为7 m3/min。由于施工承压含水层的高压水,因此工程从设计、设备安装、施工等各个环节都充分考虑到各种问题的预防和处理,为今后钻探工作积累了宝贵的经验。在井下奥灰钻孔施工中,因水压高、水量大,遇到了喷水、喷矸、套管失控及钻探设施固定困难等一系列复杂的问题亟待解决,否则将影响安全生产和发生人身事故。

  3安全施工技术

  针对上述钻孔施工中存在的不安全因素,在实践中探索出了一套较完整的高承压水钻探安全施工技术。

  3.1钻窝施工

  立孔和大角度斜孔的钻进,需施工钻机房(简称钻窝),其规格可视每次增减钻杆的条数而定。当每次增减1节钻杆时,钻窝的总高度应为5.5 m,当每次增减2节钻杆时的钻窝总高度应为11 m。无论是每次增减几节钻杆,必须保证巷道顶板处钻窝直径不小于3.0 m,钻窝顶部直径不小于1.5 m,钻窝掘出排除活石后,必须对钻窝进行喷浆处理,防止风化落石。同时掘出天轮架窝,打出天轮锚杆眼和二层工作台锚杆眼。二层工作台的高度:当钻窝高度为5.5 m时,二层工作台可搭在钻窝两侧的支架上,但必须封牢;当钻窝高度为11 m时,二层工作台的高度应为7.5 m左右。工作台的搭设,可在钻窝四周打4棵锚杆,用钻管连接固定,然后搭上木板封牢。小角度俯角孔,可根据抽出钻杆的高度适当挑顶作钻窝。二层工作台距离窝顶的高度应大于2.0 m,工作台的搭设,可在巷道内用铁(或木)制长凳,上面搭木板封牢。

  3.2钻探设施的安装

  ① 天轮的安装。在钻窝顶部安装天轮,要使用天轮架。天轮架可采用2条工字钢,并在设计安设天轮处分别镶焊天轮轴套1个。将天轮架在天轮窝安设调整后用混凝土固定。另外在钻窝顶部下设天轮锚杆,锚杆下端弯成圆环。将圆环套在天轮架内的天轮轴上,做到双保险。

  ② 钻机的固定。地巩锚杆固定在巷道底板上,然后将钻机安装固定在底座上。这样,既避免了压柱操作,又保证了钻机的稳固性。

  ③ 在深井和喷水条件下钻进时,要用专用小绞车升降钻具,其固定方法是用地巩锚杆直接连接绞车底座,并注牢。

  3.3孔口套管的固定

  下好孔口安全套管是有效控制高压水的关键。一是要根据孔口附近的岩石强度,严格按《煤矿安全规程》确定套管长度,套管的层数由钻孔的地质、水文条件而定;二是必须确保固结质量,严防漏水和套管鼓出。其做法是:开孔直径大于套管直径1~2级,钻进深度大于套管长度0.5~1.0 m。孔口处用棉纱或黄麻缠绕后将套管砸入孔内,注入水灰比为1∶0.8~1∶1的水泥浆,当反浆管流出水泥浆液时,关闭反浆管阀门,再加压至2.0 MPa,并稳压10~15 min,以保证套管周的空隙和岩石裂隙全部填实。另外,还采用了以下2条措施对套管进行处理加固。

  ① 首先在孔口盘以上0.15~0.20 m处的套管外侧,相向焊接2块钢板,当套管下入孔内后,用2条工字钢地梁分别将上述两块钢板压住,防止套管鼓出。

  ② 套管焊筋骨。制作套管时,每条套管的两端头附近,分别以壁虎式焊接1组3条φ6.5~8 mm的钢筋,钢筋长度小于0.1 m,与套管轴向夹角为60°~70°,其作用一是端正套管的位置,防止套管贴在孔壁上;二是利用筋骨加大阻力,减少套管鼓出的危险性。

  3.4防喷及控钻装置

  ① 孔口的防喷帽。为防止钻孔喷水、喷矸,恶化劳动环境,威胁人身安全,应使用孔口防喷帽。将其底盘与高压阀门法兰盘用螺丝连接牢固。下钻具时,将活动抽板向两侧拉开,扩大口经,岩心管下入后,弹簧自行将活动抽板拉紧,镶在活动抽板内侧的胶皮舌抱住钻杆,即可继续下钻。当孔内喷水、喷矸时,胶皮舌将水和矸石拦住,使其向四周射,遇弧形盘后返下,沿巷道底板流出。

  ② 钻杆控制器。钻进中替换钻杆时,需松开钻机立轴卡瓦。为防止钻杆外射,应使用钻杆控制器。该控制器通过制动手把,使偏心轮上下移动,带动自动卡瓦闭合,抱住钻杆来控制钻杆。使用时,岩心管、落砂管一套下入钻孔后,将钻杆控制器装在孔口防喷帽上,再将钻杆穿入卡瓦中间,连接岩心管,将钻具下到孔底钻进。当需替换钻杆时,先用钻杆控制器控制钻杆,再松开钻机立轴卡瓦,然后更换钻杆。

  ③ 控钻装置。为加快高压水条件下的下钻速度,同时预防钻机卡瓦突然失控造成射钻事故,还应使用控钻装置。使用时,把偏心轮卡子套在钻杆顶部的水接头附近,并使卡子不随钻杆转动。将钢丝绳从地梁固定点通过偏心轮卡子换向滑轮,至另一侧地梁上的换向滑轮后,与小绞车相连接。当钻机立轴卡瓦突然失控,钻杆外射时,偏心轮卡子立即抱住钻杆。当提下钻杆时,利用该装置控制钻杆的升降速度,做到万无一失。

  3.5应注意的几个问题

  ① 孔口安全套管应选用壁厚大于4.5 mm的无缝耐压地质钢管。

  ② 一般不使用钢粒和金钢石钻进。使用钢粒钻进往往会因高压水上涌,钢粒将钻头或岩心管等磨坏,造成事故;使用金钢石钻进,一般井下钻机的给进压力达不到要求,达不到提高钻进速度的目的,主要是看钻机给进压力与孔内压力的对比。

  ③ 孔口套管上段3~5 m,要根据水质情况进行防腐处理,并将外露套管及孔口盘用油泥膏埋藏防腐。

  ④ 钻探结束后,根据需要安装孔口三通及阀门。底部阀门作备用,上部三通阀门可经常启闭,观测水压、水量,以防单阀门失效而难以更换。

  ⑤ 钻杆规格应根据孔深确定。终孔φ73 mm,孔深小于150 m,终孔φ50 mm,孔深小于200 m,可采用φ42 mm×6 m的钻杆。终孔φ73 mm,孔深小于250 m,终孔φ50 mm,孔深小于300 m,可采用φ50 mm×6 m的钻杆。否则极易出现钻杆劈裂现象。

  3.6安全操作要点高承压水钻探与施工,是一项难度大、技术复杂的工作。不仅要在技术措施上做到安全可靠,还必须有一支技术熟练的施工队伍,并严格加强现场管理,才能保证安全施工,达到安全快速钻进的目的。实践证明,需要遵守以下安全操作要点:

  ① 技术培训是基础。对钻探工人进行钻探技术培训,使人人对钻探设施的安装使用、施工操作技术都能熟练掌握。做到分工明确,配合默契,严格按照操作规程和安全技术措施施工。

  ② 思想重视是关键。对高承压水钻探中易出现影响钻进、威胁安全的问题,首先要有一个正确的认识。从钻孔设计开始,就应向职工交待清楚出现问题的危害性和预防处理措施,做到人人保持高度警惕,杜绝马虎、凑合思想。

  ③ 对所有钻探设施,做到每班一检查,发现松动,立即紧固处理,确保其稳固可靠。

  ④ 各种安全装置要在预计揭露高承压压含水层前安设完毕,并投入正常使用,严防钻孔见高压水失控。

  ⑤ 每次进尺应较岩心管长度小0.1 m以上。防止发生烧钻、埋钻事故。

  ⑥ 钻进中要配备专用高压注水泵,保证停钻不停泵。要经常用注水泵,正循环钻进必须大于孔内水压的压力向孔内注水,严防孔底无水打干眼。

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