老旧矿井施工大口径立孔施工工艺及事故处理方法

耿燕文 张广生

（山东能源临矿集团邱集煤矿，山东 德州 251105）

山东省邱集煤矿有限公司成功解放黄河北煤田11、13 煤层。下组煤顶底板含水层富水性大，煤矿原有排水系统不足以支撑后期矿井涌水量，，需要升级改造矿井水害应急灾害防治系统[1-3]。

1 主要技术要求

钻孔设计二开结构，一开孔径650 mm，二开孔径510 mm。钻孔偏斜率应控制在千分之五以内，钻孔终孔偏斜不大于2.0 m。

固井完成后进行注水试压，要求压力达到10 MPa，30 min 内压力降幅小于0.5 MPa。

2 孔位选择

该孔终孔深度417 m，孔内自然压力加泥浆比重至孔底压力5.3 MPa 左右，此孔成井后会进行打压试验，要求压力达到10 MPa。因此，孔底位置需离巷道帮一定的距离，防止泥浆压垮巷道帮及顶板，造成废孔。因地面条件限制，孔口选择矿区500 m范围内。井下巷道形成多年，错综复杂，经过对井下巷道支护情况、原有岩应力、封闭巷道等排查，最终该孔孔位定于矿西侧，孔底位置离巷道帮12 m。

3 钻探施工工艺

该孔孔径大，需要采取分级扩孔的方式施工，先导钻孔施工完成后进行扩孔。为保证扩孔垂直度，采取同径钻具导向钻进的方法进行扩孔。

一开钻进：先使用Φ311 mm 牙轮钻头钻至基岩面下5 m，然后使用Φ445 mm 扩孔钻头加Φ311 mm 导向钻头扩至孔底，再使用Φ650 mm+Φ445 mm 组合牙轮钻头扩孔到位。

二开钻进：使用Φ311 mm 牙轮钻头钻至终孔417 m（孔口至巷道底板深度415 m，多钻进2 m 作为沉积岩粉用），使用Φ445 mm+Φ311 mm 导向钻头扩孔至417 m，再使用Φ510 mm+Φ445 mm组合牙轮钻头扩孔至417 m。

4 问题解决

在进行二开扩孔时，使用Φ445 mm 扩孔钻头+Φ311 mm 导向钻头施工。在扩孔至360 m 时，岩层为粉砂岩，岩性较硬，施工时导向钻头在孔内为悬空状态，扩孔钻头产生跳钻现象，需制作一种打捞钻头的装置，提出一种钻头打捞方法。

制作方法：

（1）制作打捞筒。现场二开套管管径（426 mm）与钻孔孔径及钻头大小合适，切割一段长度为2 m 的套管；将现场钻杆公锥端进行切割，制作连接杆，长度2 m；切割圆盘一个，加工加固矫正盘，直径与套管内径尺寸一致；将矫正盘与连接杆进行焊接，要保证矫正盘平面与连接杆垂直；焊接完成后塞进套管内，连接杆公锥端露出套管外1 m 左右；在套管上部两面开窗，将加固矫正盘与套管进行焊接，焊接完成后焊接套管开窗部位。

（2）套管下部切割楔形状干抓。切割楔形状干抓时，切割的尺寸根据套管的材质及壁厚来决定。本套管为直径426 mm、壁厚8 mm 的刚性直筒，在直筒下部共切割高度70 cm、宽度9 cm 的楔形状干抓7 个，干抓之间间隔10 cm，形状上宽下窄。上宽是有一定的抗压能力，下窄是为了加大钻压下压时，楔形状干抓收缩，便于抓住钻头。

（3）下打捞装置前，先下趟钻杆，精确丈量钻具，确定好钻头掉落位置，精确测量孔深，将打捞装置下到孔底后，根据装置收缩距离判断是否将钻头包进打捞装置内。

（4）钻具连接打捞装置丝杠上头公锥，开始缓慢下钻，下钻途中如果有轻微遇阻，缓慢转动钻机转盘，遇阻时不要加压下钻，以防打捞装置变形。

（5）当钻头打捞装置下放到接近钻头掉落位置时，加大钻压下压，切割的楔形状干抓接触到孔底，由于压力增大，向里收缩，把钻头包进去，取出掉落进孔内的钻头。

（6）缓慢提钻，严禁生拉硬拽，以防钻头碰到孔壁，造成钻头二次脱落。

经过4 h 的打捞，成功将钻头取出，保住了本孔的成孔。该项装置获得实用新型专利。打捞筒如图1 所示。

图1 打捞筒示意图

5 下管及固井施工工艺

5.1 下管

（1）在下入套管前，必须用与套管管径一样的顺孔器进行长时间顺孔。顺孔畅通无阻后，进行循环冲孔，将孔内岩粉彻底循环干净，方可下管。（2）出厂前每根套管一端打磨长2 cm、角度45°的坡口，便于焊接。每根套管在起吊前，在套管一端1.0 m 处割2 个直径10 cm 的穿杠眼。套管下入方式采用钻机天轮连接套管穿杆的方式下管。第一根套管下进孔内后，穿杆横在转盘面上，松开钢丝绳套，起吊下根套管。两根套管对接用水平移找正，使用正规焊条，焊满坡口。每个焊口焊接3 遍，套管焊接要垂直、牢固。焊完套管对接处后，钻机提吊，抽出穿杆，焊接串杠眼。下管过程中应精心操作，密切配合，严防工具和其他异物落入井内。（3）一开套管的下入：套管下入深度320 m，套管规格Φ530 mm×8 mm，重量35 t，使用一般钻机提调法下入。一开套管为护壁管，为避免地层软造成缩径，需加快焊接速度，焊接方式采用二保焊。（4）二开套管的下入：套管下入前，在第一根套管底加装锥形木塞，锥尖朝下，用于套管下放过程中引斜及减少刮壁遇阻。二开套管下入深度417 m，套管规格Φ426 mm×12 mm，重量42.37 t，使用一般钻机提调法下入。下入二开套管因数量多、自重大，在下入二开套管第8 根上部，焊接浮力阀，防止超过升降机负荷。二开套管为技术套管，焊接质量要求高，焊接方式为手工电弧焊，焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑、裂纹、电弧擦伤等缺陷，严格按国家焊接标准施工。

5.2 固井施工工艺

5.2.1 固井方式

一开套管固井：第一根套管底部1.5 m 处制作4 个直径5 cm 的返浆眼；套管下入预定位置后，固定到位，下入钻杆到孔内离孔底位置10 m 左右，封闭孔口；先压清水3 m3，然后泵入水泥浆，让孔内泥浆与水泥浆隔开；水泥浆平均密度不低于1.80 kg/cm3，水泥浆上返至地表，候凝72 h。

二开套管固井：套管底部同样制作返浆眼，下到孔底后，先下钻把焊接的浮力阀扫开，然后固井，侯凝72 h。

5.2.2 质量验证

二开固井侯凝72 h 后，下钻扫水泥塞，扫塞至415 m（巷道底板处）提钻，检测固井质量；下入方钻杆，封闭孔口，用泥浆泵注入清水进行打压试验。

6 工艺效果分析

经过100 余天的施工，该孔圆满完工。在垂直度方面根据防斜保直措施及优化钻具组合，该孔终孔偏斜1.27 m，满足设计要求。在下设一、二开套管时，根据下管、焊接措施，顺利将套管下入孔底设计位置，并完成固井。侯凝72 h 后进行打压试验，孔压10 MPa，30 min 内压力降幅小于0.5 MPa，该孔验收合格。

7 注意事项

（1）施工直排水钻孔矿井一般都是回采一定年限的矿井，巷道形成多年，孔底位置要离巷道帮10 m 以上，以免孔内浆液压力压垮巷道，造成废孔。

（2）钻进过程中，严格控制测斜距离，发现测斜超差，立即停止施工，进行纠斜，成功后方可继续钻进。

（3）扩孔时，扩孔钻头前面加装导向钻头，导向钻头在先导孔内，不吃劲。遇硬地层时，出现跳钻现象，两钻头如果连接不牢靠，就会造成导向钻头脱落，以后再施工同类型钻孔时将导向钻头换成导向管，与扩孔钻头进行焊接。

（4）下入套管前，顺孔器顺孔要彻底，以免在下管过程中造成卡管。

（5）下套管时如果出现卡管现象，上提下放没有效果，立即提出，割开套管，重新顺孔下管，不要犹豫，以防孔内缩径、泥浆吸附卡住套管，造成套管下入不到位，成为废孔。

（6）焊接套管时要严格把控焊接质量，以防漏水。

8 结语

邱集煤矿地面直排水钻孔安全施工完成，并在钻孔垂直度、下设套管、固井打压等方面达到设计要求。该孔为黄河北煤田第一个直排水钻孔，为后续的同类型钻孔施工积累了经验。