煤矿井筒大直径钻井法凿井技术
煤炭科学研究总院 洪伯潜

摘 要：在深厚含水冲积层中建设煤矿井筒，需要采用特殊施工方法，钻井法凿井是一种安全、可靠、技术先进的煤矿井筒施工方法，它的应用，实现了竖井井筒施工技术的突破；我国60年代末采用钻井法施工了第一个井筒，30多年来，逐步攻克了“国产化、高效率、打直井、少污染、大直径、薄井壁” 等方面的课题，使钻井法凿井技术实现稳定发展，率先完成了近600m深井筒的建设，综合技术达到国际领先水平。
关键词： 深厚冲积层 煤矿井筒 钻井法凿井 泥浆护壁 悬浮下沉井壁

一、前 言
自从有了煤矿竖井以来，无论是原始的人工开挖，还是技术发展后的机械化掘砌，都离不开凿井工人下井在地层中窄小的空间操作，劳动条件差。在含水冲积层中建设煤矿井筒，需要采用地层冻结法、钻井法、围幕法和降低水位法等特殊方法施工。钻井法凿井是一种安全可靠，成本低、质量好的煤矿大直径井筒施工方法，机械化程度很高，尤其适合于深厚含水冲积层的井筒施工，它的全部工程（包括地层冻结法的地层改性、挖掘、矸石提升和井筒支护等施工工序）在地面操作，工人无需下井，改善了劳动条件，无职业病危害。我国自60年代末开始应用以来，在工程实践中体现出了其强大的生命力，因而深受广大矿井建设者的欢迎，并获得迅速发展（图1，2）。

钻井法凿井综合多种技术工艺，通过在地面专门研制的大直径钻机，驱动钻杆、钻头和破岩刀具向地层钻进（图3），我国现有钻机设计最大钻井直径达12m，最大

(图3)钻井法凿井钻进示意图

钻进深度800m。钻进时用泥浆临时支护井帮和冷却钻具。通过钻杆中的风管送入压缩空气，用压气升液法将泥浆高速排上地面（又称反循环洗井），达到冲洗井底和携带钻屑的目的。含钻屑的泥浆，经过地面净化处理，返回井中，多余废浆和成井后的大量弃浆可经过快速处理，固化或还原成水和土。

井孔钻进为了合理利用设备能力和保证质量，一般采用一次超前，分级扩孔，钻进参数监控，恒钻压自动给进的减压钻进方式。当钻孔达到设计直径和深度后，将地面分节预制好带有井壁底的钢筋混凝土井壁或钢板混凝土复合井壁，在充满泥浆的钻孔中用钢法兰盘逐节连接，悬浮下沉至井底作永久支护，已完成的工程井壁总重量达2万多吨（图4）。最后在井壁外围用水泥浆和其它材料，根据地层条件分段进行置换泥浆的充填固井。成井偏斜率根据井型不同，控制在0.4‰（主、副井）～0.8‰（风井）以内。

德国工程师肯特(Kind) 1850年用改造的冲击钻钻成了世界上第一个直径4.25m，深98m的井筒。1871年德国工程师霍尔格曼(Honigmann)研制了超前孔直径2m，经11次扩孔达到7.65m，可钻深512m分级扩孔的旋转钻机，至上世纪中叶，在西欧钻了40余个井筒，最大钻进直径7.53m，深度422m，该钻机的基本形式和工艺沿用至今。20世纪70年代德国生产的L-35，L40型钻机均属此类（图5）。

前苏联从20世纪30年代开始为矿井建设研制大直径钻机，至50年代先后研制了分级扩孔钻机、环形取心钻机，和涡轮钻机。各种钻机先后施工井筒100多个。
美国1910年开始研究钻井法凿井，美国钻井界认为，当钻井直径＜3.6m时，钻井法具有最佳经济效益。因而在小直径硬岩钻井设备和技术方面处于领先地位。1980年为煤矿和铀矿建设需要，休斯公司在70年代生产CSD-820钻机的基础上，经过改型、扩大钻机能力，研制了CSD-300型钻机（图6），设计最大钻井直径6.096m，最大钻井深度609.6m。1981年10月在澳大利亚西部的阿格纽镍矿岩层中，钻成一个直径4.267m，深663m的风井。罗宾斯（Robbins）公司研制的RM系列反井钻机也很成功。

国外钻井法凿井用于施工类似我国地层条件的井筒不多，比较典型的有，德国钻机在荷兰施工的煤矿，钻井直径7.65m，深512m。
二、稳步发展的我国钻井法凿井技术
我国研究钻井法凿井技术从上个世纪50年代末开始，根据当时的条件，在学习国外资料和借鉴国内相关行业经验的基础上,进行了设备配套和原理性试验。1969年在淮北矿区朔里南风井成功地钻凿了第一个直径4.3m，成井直径3.5m，深90m的井筒，由于它技术新颖，优点突出，一些地区在很短的时间内相继配套了四台性能类似的钻机，并先后完成20个井筒的施工。虽然这些井筒的平均钻井直径仅5.1m，平均深度141m，在钻进速度及效率方面，还远不能满足煤矿竖井建设的需要。但通过这些钻机的工程实践，比较完整地总结出了具有我国特色的大直径井筒的钻井工艺，为70年代陆续进行ND