摘 要 巨野煤田總地質儲量55.7億t,是目前山東省面積最大、儲量最多的煤田。煤層厚且 賦存較穩(wěn)定，可采區(qū)煤層平均厚度7.16m，有利于實現(xiàn)高產高效機械化開采。煤質硬度小， 為低灰、低磷、特低硫，中高發(fā)熱量的優(yōu)質煤。外部建設條件優(yōu)越，具有很高的開發(fā)價值。 但煤層上部覆蓋有深厚表土不穩(wěn)定含水地層，需采用地層凍結法或鉆井法施工井筒，其深度 比國內已施工的井筒分別大170m和100m，是新井開發(fā)必須攻克的技術關鍵。研究了在巨野煤 田進行鉆井法鑿井和地層凍結法鑿井需要解決的關鍵技術。��

關鍵詞 巨野煤田  技術關鍵 深厚表土 特殊鑿井��

1 開發(fā)巨野煤田的基本條件��

1.1 礦區(qū)位置及資源條件

巨野礦區(qū)位于山東省西南部，東距濟寧市65km,西離菏澤市40km。礦區(qū)包括巨野煤田和 梁寶寺煤田。巨野煤田面積約960km��2,地跨菏澤市的鄆城、巨野、菏澤、成武四縣（市） 。 梁寶寺煤田面積約250km��2，地處濟寧市的嘉祥縣境內。巨野礦區(qū)煤炭儲量豐富，總地質儲 量55 .7億t,是目前山東省面積最大儲量最多的煤田。煤層厚且賦存較穩(wěn)定，可采區(qū)煤層厚度平均 為7.16 m，有利于實現(xiàn)高產高效機械化生產。煤質為低灰、低磷、特低硫，中高發(fā)熱量的優(yōu)質煤， 且煤類齊全，煤質優(yōu)良，礦區(qū)山西組煤層為氣煤、1/3焦煤、肥煤、天然焦和無煙煤。其中 肥煤地質儲量約18.8億t，是山東省比較緊缺的煤類，具有很高的開發(fā)價值。��

1.2 礦區(qū)開發(fā)的外部條件

巨野礦區(qū)交通十分方便，京 九鐵路從煤田北部鄆城通過，兗新 鐵路從煤田中部穿越并在菏澤與京九鐵路相會，向西至新鄉(xiāng)與京廣線接軌，向東至兗州與京 滬線相連，再向東經兗石線至日照煤港。水資源比較豐富，礦區(qū)第四系和上第三系含水層水 量比較豐富，可作為工業(yè)用水。奧陶系灰?guī)r水，水質較好，可作為生活飲用水。供 電電源充足可靠，礦區(qū)附近現(xiàn)有菏澤、濟寧兩座電廠，東部有三里廟220kV區(qū)域變電站，北 部鄆城有一座110kV變電站，還擬建一座220kV變電站。通訊網絡發(fā)達，移動無線通信網己實 現(xiàn)“無縫覆蓋”， 外部建設條件十分優(yōu)越。��

1.3 煤田覆蓋有深厚新生界表土不穩(wěn)定地層

 初測平均 620m，已進行預可行性研究論證的 龍固礦井和郭屯礦井，工業(yè)廣場新生界地層厚為530～570m，井筒必須采用深厚表土不穩(wěn)定 含 水地層的特殊施工方法——地層凍結法或鉆井法施工。而且粘土性土層累積厚度占80％以上 ，部分粘土、砂質粘土易吸水膨脹，具有較強的可塑性，是新井開發(fā)必須攻克的技術關鍵。 ��

2 井筒特殊施工的主要技術關鍵��

2.1 目前國內外特殊鑿井的技術水平

鉆井法鑿井作為施工深厚不穩(wěn)定含水地層，我國經過“六五”、“七五”國家重點科技攻關 ，綜合技術達到世界先進水平，己鉆成井筒55個，典型工程有：淮南謝橋西風井，鉆井深度 464m，通過表土不穩(wěn)定含水地層厚402m，最大鉆井直徑9.3m，成井直徑7.0m；淮南潘三西風 井，鉆井深度508m，通過表土層440m，最大鉆井直徑9.0m，成井直徑6.0m；正在建設的淮北 許疃礦，主、副、風三個井筒都采用鉆井法施工，其中巳竣工的主井和風井成井偏斜率分 別為0.2‰和0.1‰，正在施工的副井鉆井直徑9.0m，成井直徑6.8m。國外鉆井法用于施工類 似我國地層條件的井筒不多，比較典型的有：德國鉆機在荷蘭施工的煤礦，深512m，直徑7. 65m；美國在巖層中施工了深1800m，直徑3.0m鉆孔。地層凍結法鑿井，我國目前巳是世界 上 使用最多的國家之一，開鑿了400多個豎井井筒，其中河南永夏礦區(qū)陳四樓副井最大凍結深 度435m，山東金橋礦副井穿過最大表土不穩(wěn)定含水地層厚383m，山東濟寧三號井副井最大成 井直徑8.0m�；�本掌握了500m深豎井凍結的綜合技術。國外在煤礦中凍結深度最深的是波蘭 的盧布林一號井副井，成井6.0m，凍結深度725m；凍結不穩(wěn)定的第三系和第四系地層，具有 代表性的是德國的Jacba井，凍深558m。其它做為深部含水巖層的地層凍結，英國的博爾比 鉀鹽礦，凍結深度達930m。��

2.2  鉆井法鑿井技術關鍵

鉆井法鑿井機械化程度高，打井不下井，施工操作安全，井壁質量好，在井型適當?shù)臈l件下 ，施工深厚表土不穩(wěn)定含水地層的井筒，具有明顯的優(yōu)越性，但目前巨野計劃建設的井筒表 土層厚530m～570m，比目前國內已施工井筒的深度大100m左右。隨著鉆井深度的增加，施工 中將遇到一些新的問題，如合理選用井壁的結構形式，達到減小厚度的目的，特別是龍固礦 風井的成井直徑和郭屯礦副井井筒的有效直徑要求達到6.5m和6.3m。鑒于目前鉆機的設備能 力，井壁結構合理與否，將決定采用鉆井法施工的可能性。初步取得的地質資料表明，不穩(wěn) 定地層第三系地層中80%以上屬粘土性土層，遇水膨脹或崩裂將是鉆孔施工成敗的關鍵。在 井底工作的破巖刀具和測井儀，密封部分的耐壓能力，鉆孔最大體積超過4萬m��3的泥漿循 環(huán)凈化系統(tǒng)，以及鉆進參數(shù)和施工工藝的研究等等，都有待于研究解決。��

2.2.1 考慮豎向附加力的新型井筒支護結構的研究

對于成井直徑(或有效斷面直徑)6.5m的 井筒,根據(jù)鉆機設備能力和空間平面尺寸，最大鉆孔直徑受到限制。為了保證600m長的井壁 在鉆孔中順利懸浮下沉安裝，以及壁后充填固井的需要，井壁外側和井幫之間需留有一定的 空間。經驗證明它與井深成正比。分析現(xiàn)有350～508m井筒的相關參數(shù)可以得出，采用內 管充 填方式，壁后預留空間約需��0.50m��，據(jù)此推算最大井壁厚度為0.9m。因此必須研究一種 既能 同時抵御水平地壓和豎向附加力作用，又能滿足現(xiàn)場施工條件的高強、高效井壁結構，應用 成熟的理論和規(guī)范對井壁結構進行全面的強度和變形計算，以保證井壁在長期使用中的安全 。��

2.2.2 井筒支護施工工藝的研究

鉆井法鑿井井筒支護采 用預制井壁懸浮下沉安裝的方法， 井壁節(jié)之間用鋼法蘭盤連接。為了保證井壁的正直，需采用鋼楔塊找正，井壁之間僅由楔塊 、焊縫和局部接觸的法蘭盤來傳遞豎向荷載，往往造成豎向荷載傳遞的不均勻性。為了避免 或減小這種現(xiàn)象的產生，必須研究適應于600m深井壁的節(jié)間聯(lián)接處理工藝及材料。地層豎向 附加力是井壁長期使用中承受的主要外力之一，也是近年來一些井筒發(fā)生井壁局部破壞的直 接原因，必須通過充填段高合理劃分和充填材料的研究，來減小井壁豎向附加力，并通過試 驗研究確定它的取值。��

2.2.3 600m深井泥漿護壁的研究

泥漿臨時護壁是保證表土不穩(wěn)定地層中鉆孔安全施工的基 本條件。巨野煤田井筒設計深度600m左右,最大鉆孔直徑9.4m,鉆進中孔壁暴露時間長 ， 保證砂層的穩(wěn)定和粘土層的防水化是泥漿護壁的首要任務。原則上說護壁仍然是以足夠的泥 漿柱靜壓和薄韌的泥皮來抵御砂層中的水和機械因素引起的失穩(wěn)塌井，以及控制泥漿失水， 達到防止粘土層膨脹、崩裂引起縮徑和片幫。因此，必須根據(jù)地層的具體條件，研究配制相 應的化學泥漿，并在鉆進中隨時檢測，使泥漿始終保持適應地層變化的良好參數(shù)。��

2.2.4 抑制造漿和廢棄泥漿處理的研究

大直徑鉆井采用反循環(huán)泥漿洗井，泥漿在鉆桿中通 過壓氣作高速上升運動，攜帶鉆進中鉆頭破碎下來的土塊巖屑，經排漿管排出地面，進入泥 漿凈化池。巨野煤田井筒體積可超過4萬m��3，泥漿總循環(huán)量達10萬m��3以上，因此，開展 抑制造 漿和優(yōu)化地面凈化系統(tǒng)，達到減少泥漿總循環(huán)量并及時凈化處理泥漿中的攜帶物，將關系到 工程的順利進行和它的技術經濟效果。鉆進用的泥漿由于復雜地層護壁的特殊需要，往往加 入一些化學處理劑，根據(jù)井場環(huán)保的具體要求，需要對鉆進過程多余的廢漿及成井后全部棄 漿進行水土分離處理，最終達到水可直接排放，土可堆積裝運。��

2.2.5 防止泥包鉆頭加快鉆進速度的研究

巨野煤田新生界表土層80%以上為粘土，避免泥包 鉆頭是鉆進中一個很重要的問題，它對整個井筒的鉆進速度影響很大，減少泥包鉆頭的基本 措施是，選用合適的破巖刀具，并根據(jù)破巖規(guī)律設置鉆頭吸收口；選擇好鉆進參數(shù)并隨地層 變化適時予以調整；注意加強泥漿凈化處理和優(yōu)化泥漿參數(shù)。 

2.2.6 提高井下設備密封性及耐用性的研究

巨野煤田井筒鉆井工程超過目前施工最深井筒 近百米，對破巖刀具和超聲波測井儀等井下設備的耐壓性能提出新的要求。它關系到設備的 正常使用，以及工程質量和經濟效果。滾刀的使用壽命,對鉆井法鑿井的施工成本影響很大 ，進一步研究�〤rMnMo��空冷耐磨鋼的物理力學和機械性能，提高破巖效率，以及在空冷狀 態(tài)下 獲得良好的機械性能，以實現(xiàn)刀齒修復不需熱處理的空冷自硬。影響滾刀使用壽命的另一 個 因素是刀體的密封，滾刀直接在井下長時間滾動破巖，如刀體密封性能不好，泥漿中的顆粒 進入軸承，將直接影響滾刀的使用壽命。研究、改進新型刀體密封及壓差自動平衡結構，使 密封耐壓性能達到滿足鉆深大于600m鉆井的需要。�� 

深井不提鉆檢測井筒的偏斜情況，不僅有著技術進步的意義，而且可減少鉆進輔助時 間，提高成井速度。現(xiàn)有的超聲波測井儀需要研究一種新型探頭及密封結構使其抗壓能力達 到適應于650m以上深井使用。同時開發(fā)一種專用數(shù)據(jù)接口，使測井儀能與普通微機直接進行 數(shù)據(jù)交換和通訊。新改進的測井儀要求可測直徑0.8～12m，測量精度±0.5%～1.0%，滿足巨 野煤田鉆井法鑿井施工的需要。��

3 凍結法鑿井技術關鍵

凍結法鑿井具有使用方便，施工井筒垂直度容易保證，國內最大成井直徑已達到8m，并可 與下部井筒注漿工作平行作業(yè)加快建井速度，對于解決600m以上深井的施工問題，核心還是 “一鉆兩壁”，技術上需開展以下方面的研究。��

3.1 系統(tǒng)開展深厚表土層人工凍土物理力學特性的研究

利用先進的試驗設備和測試技術 ，針對巨野地區(qū)深厚表土的具體條件，開展系統(tǒng)的有代表性的原始狀態(tài)凍土物理力學特性的 實驗研究，并在此基礎上建立工程實用模型，使其服務于工程。��

3.2 深井凍結工藝的研究

要實現(xiàn)600m深井凍結法施工，最重要是通過國內外相關工程的 施工經驗，總結出一套比較完整的凍結工藝設計，包括凍結壁的設計理論，為達到設計要求 合理的凍結孔數(shù)量、布置方式，考慮掘砌時間、掘砌工藝對凍結壁的動態(tài)影響，土層凍融過 程及豎向附加力對永久井壁的影響等等。��

3.3 凍結孔鉆進、測斜、糾偏技術的綜合研究

研制或改進現(xiàn)有鉆機，使其達到滿足650m 凍結孔鉆進的需要，實現(xiàn)測斜和定向工藝參數(shù)的測量、采集、顯示智能化。研究深井凍結的 凍結管管材和凍結器接頭形式，提高凍結管強度和抗變形性能，防止施工過程中凍結管斷裂 。��

3.4 凍結壁設計方法的研究

合理的凍結壁設計是凍結法安全施工的基本保證，隨著凍 結深度和圈徑的增加，凍結壁整體強度的不均勻性更加突出，設計中應全面考慮地層條件， 環(huán)境條件和施工條件的變化，設計應該是動態(tài)地全面分析凍結壁的穩(wěn)定和位移因素。��

3.5 發(fā)展現(xiàn)場綜合實測技術

工程現(xiàn)場實測是檢驗理論分析 和保證信息化施工的重要手段 ，在長期的科研和工程實踐中積累了大量的寶貴數(shù)據(jù)和經驗，但由于巨野煤田的凍結深度、 地層條件有著許多的特殊性，加強實測及時反饋信息，對安全快速指導施工，具有重要意義 。

3.6 井壁結構、材料及施工工藝的研究

開發(fā)研究適合于低溫條件下施工的早強 、高效新 型材料，開發(fā)滿足承受凍結壓力、控制凍結壁位移、以及各種原因產生的不均勻受壓和長期 使用中由于地層下降產生的豎向附加力作用的新型井壁結構，保證井壁在施工過程和長期使 用中的安全。��

參考文獻

1 煤炭工業(yè)部濟南設計研究院.山東省巨野礦區(qū)《總體開發(fā)規(guī)劃》（匯報提綱）.��

2 洪伯潛.特殊鑿井技術在我國的發(fā)展與應用.中國煤炭,2000，4��

3 洪伯潛.巨野煤田鉆井法鑿井施工的技術關鍵.山東科技大學學報,2001，增刊

作者簡介

洪伯潛（1931-），男，中國工程院院士，博士生導師， 1956年畢業(yè)于浙江 大學，現(xiàn)任煤炭科學研究總院副總工程師，北京中煤礦山工程有限公司（煤科總院北京建井研 究所）總工程師，長期從事煤礦鉆井法鑿井技術的研究工作，主持完成國家及部、院課題29 項，8次獲國家及部級科技進步獎，其中國家科技進步一等獎1項，部級科技進步特等獎1項 ，一等獎1項，發(fā)表“大直徑煤礦井筒鉆井法鑿井”、“約束混凝在井筒支護中的研究和應用”等論文30余篇。