大直徑救援井安全透巷技術(shù)研究

劉明軍，郝世俊，鄭玉柱，白 剛，李 鵬，李必智

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

0 引 言

隨著采煤深度、強度的增加，沖擊地壓、礦井突水、煤與瓦斯突出等災害嚴重威脅煤礦安全高效開采，一旦發(fā)生重大災害事故，會導致井筒、巷道破壞，人員被困井下。 目前，利用井下疏通巷道救援仍是主要的救援方式，但被困人員距離安全出口較遠時，短時間內(nèi)難以形成井下救援通道，利用地面鉆孔進行應急救援就成為挽救生命的最有效手段。

地面救援的關(guān)鍵是安全、迅速地提升被困人員到地面，需要救援井井徑大、優(yōu)快鉆進、精確中靶，同時控制巷道頂板的完整性以及防止地層水、泥漿涌入巷道，不能造成被困人員傷害［1－2］。 近年來，國內(nèi)外利用地面鉆孔營救被困人員取得較大成功，學者針對礦山大直徑井成孔工藝與裝備進行大量的研究［3－7］，但針對透巷過程中大量泥漿涌入巷道問題以及鉆進對圍巖應力、應變及擾動破壞范圍問題，沒有進行系統(tǒng)研究。 在救援井施工以前，應分析巷道圍巖移動變形、應力分布及塑性區(qū)分布規(guī)律，同時根據(jù)地層條件、含水層情況、救援井深度等，分析救援井透巷過程中圍巖應力、應變及擾動破壞范圍，從而確定最優(yōu)的鉆進參數(shù)及安全透巷距離，保證透巷鉆進時潛孔錘及鉆具對圍巖的擾動最小，達到保護巷道頂部圍巖完整性的目的。 利用空氣潛孔錘鉆進工藝可避免大量泥漿涌入巷道，同時不受季節(jié)及溫度限制；施工周期短，廣泛應用于礦區(qū)充填孔、瓦斯抽采孔、大直徑強排水孔、送料孔等［8－15］。 目前主要采用空氣正循環(huán)鉆進工藝，具有高效碎巖優(yōu)點。 空氣反循環(huán)鉆進工藝具有空氣正循環(huán)鉆進工藝優(yōu)點外，還具有對井壁擾動小，鉆進速度快、排渣徹底，對上返流體氣量要求不大，既能滿足安全高效透巷也能夠降低施工成本。

為縮短透巷井段安全距離，保護巷道頂板完整性，防止大量泥漿涌入巷道，增加技術(shù)套管下入深度，有效封隔含水層及井壁不穩(wěn)定地層，保證救生艙在救援井下放、提升順利。 以山西某煤礦實施救援井為背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場應用等研究方式，對大直徑救援井透巷段的安全距離、鉆進參數(shù)及工藝進行研究，是對救援井施工工藝的進一步優(yōu)化和完善。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

山西某煤礦實施的救援井鉆遇地層依次為第四系：巖性為黏性土，底部含砂卵石層；二疊系上石盒子組：巖性主要為灰白、淺綠色砂巖，雜色斑塊泥巖、砂質(zhì)泥巖等；二疊系下石盒子組：巖性主要為灰白、淺灰色砂巖，灰色、淺灰色泥巖；二疊系山西組：巖性主要為灰－灰黑色砂、泥巖互層，為重要的含地煤層，主采煤層為3 號煤層，煤厚5.04 ～7.16 m， 平均6.0 m，煤層傾角0°～8°，平均3°，為近水平煤層，平均埋深295 m；煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度13 m，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理不發(fā)育，如圖1 所示。 表土及砂卵層涌水量為7 m3／h，下石盒子組、山西組中細砂巖涌水量為2.5 m3／h。

圖1 地層柱狀及物理力學參數(shù)Fig.1 Stratum column and parameters of physical and mechanical

1.2 救援井井身結(jié)構(gòu)

為安全順利下放和提升救生艙，根據(jù)救生艙的規(guī)格尺寸要求，救援井完井直徑≥580 mm；綜合考慮覆蓋層厚度、巖層結(jié)構(gòu)、含水性以及煤層埋深等因素，救援井一般設計為三開或四開的孔身結(jié)構(gòu)，開孔直徑可達1 200 mm 以上，下入護孔管。

1）一開覆蓋層施工：鉆孔直徑1 200 mm，下入直徑920 mm×12 mm 螺旋鋼管，固井，水泥返至地面。

2）二開巖層段施工：鉆孔直徑850 mm，下入直徑630 mm×15 mm 螺旋鋼管，固井，水泥返至上層套管底部以上至少10 m 處。

3）三開透巷段施工：鉆孔直徑580 mm，裸眼完井。

救援井井身結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 救援井井身結(jié)構(gòu)Fig.2 Shaft structure of rescue well

2 透巷過程對巷道頂板穩(wěn)定性影響

2.1 數(shù)值模擬方法

由于數(shù)值模擬具有周期短、成本低、計算結(jié)果相對精確等優(yōu)點，被大量應用在巖土工程、采礦工程及地質(zhì)工程等領(lǐng)域［16－19］。 FLAC3D是一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值模擬計算分析方法，具有強大的前后處理功能，能夠很好地模擬工程地質(zhì)材料在達到強度極限或屈服極限時所發(fā)生的變形破壞或塑性流動的非線性動力學行為［20－21］。 選擇FLAC3D中的Mohr－Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型，以較好地反應巖體的剪切及拉張破壞特性。 Mohr－Coulomb 屈服準則判別表達式為：

2.2 數(shù)值計算模型

2.2.1 模型尺寸及巖層劃分

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)和硐室、鉆孔位置關(guān)系建立三維地質(zhì)模型，硐室的布置簡化為巷道開挖過程。 按以下方式建立坐標系：巷道開挖方向為x軸，垂直于巷道開挖的方向為y軸，豎直方向為z軸，向上為正。 模型沿x軸方向長200 m，y軸方向長100 m，z軸方向高310 m。

結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)資料，按照巖性特征將模型地層簡化劃分為11 層，從上到下依次為表土、黏土及卵石層厚38 m、泥巖及砂質(zhì)泥巖層厚25 m、細粒砂巖層厚36 m、砂質(zhì)泥巖層厚54 m、細砂巖、粉砂巖層厚43 m、砂質(zhì)泥巖層厚33 m、中、細砂巖互層厚23 m、基本頂砂質(zhì)泥巖和粉砂巖層厚30 m、直接頂砂質(zhì)泥巖層厚13 m、3 號煤層厚6 m、直接底和基本底砂質(zhì)泥巖層厚9 m，其中煤層頂板巖層厚295 m，底板巖層厚9 m。

2.2.2 巷道開挖及支護方式

在模型底部煤層中沿底開挖一條長100 m×寬5 m×高3 m 的巷道，并采用錨桿（索）網(wǎng)支護，避難硐室布置在巷道中部，具體支護參數(shù)見表1。 從地面往下施工大直徑救援鉆孔，鉆孔直徑580 mm，鉆孔投影位置落在硐室中部。

表1 巷道開挖支護方式及參數(shù)Table 1 Supporting methods and parameters of roadway excavation

2.2.3 數(shù)值計算物理力學參數(shù)

在Mohr－Coulomb 模型中，需要定義煤巖層的物理力學參數(shù)主要有彈性體積模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性剪切模量和抗拉強度等，在賦參數(shù)時采取了各煤巖層各向同性且屬性均勻的簡化措施。 根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料及巖石力學試驗結(jié)果，研究區(qū)煤巖層的巖體物理力學參數(shù)如圖1 中所示，其中數(shù)值模擬計算用到的體積模量（K）和剪切模量（G）可以根據(jù)彈性模量（E）和泊松比（μ），通過以下公式計算得到：

建立的數(shù)值計算模型網(wǎng)格如圖3 所示。

圖3 鉆孔安全透巷三維數(shù)值計算模型Fig.3 3D numerical calculation model of safety tunneling drilling

2.2.4 模型邊界條件的確定

模型位移邊界條件為：左右邊界約束水平位移為0；前后邊界約束水平位移為0；模型底部限制水平和垂直位移均為0；模型頂部邊界為自由面。

擬定模型應力邊界條件為：沿x方向（左右兩側(cè)）施加邊界地應力17.2 MPa。

2.3 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

2.3.1 巷道開挖頂板覆巖擾動分析

通過鉆孔與巷道投影點剖面塑性區(qū)分布范圍、位移分布云圖來分析覆巖變形規(guī)律，具體如圖4 所示。 分析可得，巷道開挖100 m 后，頂板塑性區(qū)高度達到9.59 m，左幫塑性區(qū)寬度達11.54 m，右?guī)退苄詤^(qū)寬度達11.50 m；頂板最大下沉量為15.9 cm，距離巷道頂板高度越大，下沉量越小，巷道頂板15 m 以上巖層受擾動很小，下沉量幾乎為0。

圖4 巷道開挖后覆巖破壞變形情況Fig.4 Failure deformation of overburden after roadway excavation

2.3.2 鉆孔鉆進過程圍巖擾動分析

鉆孔鉆進前地層巖石處于應力平衡狀態(tài)，鉆進后破壞了地層原有應力狀態(tài)，引起鉆孔周圍巖石的應力重新分布，會導致孔壁失穩(wěn)，同時鉆井液進入地層會引起孔隙壓力增高，加劇了孔壁破壞。 巷道開挖結(jié)束后進行大直徑救援鉆孔鉆進過程模擬，每次鉆進距離15 m，分別提取鉆進至270 m 和285 m 時鉆孔與巷道投影剖面塑性區(qū)分布圖、鉆孔圍巖位移云圖，如圖5、圖6 所示，分析鉆進過程對圍巖的擾動情況。

圖5 鉆進至270 m 地層擾動變形（距巷道頂界28 m）Fig.5 Disturbed deformation of strata drilled to 270 m （28 m from roadway top boundary）

圖6 鉆進至285 m 地層擾動變形（距巷道頂界13 m）Fig.6 Disturbed deformation of strata drilled to 285 m （13 m from roadway top boundary）

分析可得，鉆進至270 m 時，鉆孔兩側(cè)地層受到擾動，最大水平位移為89.2 mm，垂直方向位移很小，約為4.2 mm，鉆頭前端地層塑性區(qū)影響高度為4.52 m、寬度為1.7 m，此時距離巷道頂界28 m，除去巷道頂板的塑性區(qū)高度9.59 m，兩者之間仍有13.9 m 的未擾動巖層；繼續(xù)鉆進至285 m 時，此時距離巷道頂界13 m，鉆孔兩側(cè)地層最大水平位移達到90.5 mm，垂直方向位移仍然較小，鉆頭前端地層塑性區(qū)高度達4.6 m、寬度達1.82 m，該塑性區(qū)范圍已經(jīng)與巷道頂板的塑性區(qū)影響范圍疊加。 由此判斷此段地層裂隙連通，不利于安全透巷鉆進。

通過對鉆進過程每一步的塑性區(qū)范圍及地層位移數(shù)值提取統(tǒng)計，并繪制隨鉆進距離變化的曲線，如圖7 所示。 可以看出，鉆進過程圍巖的垂直位移變化極小，基本在5 mm 以內(nèi)，而水平位移隨著鉆進深度增加逐漸增大，最大可達90 mm。 鉆孔前端塑性區(qū)寬度受鉆進深度影響不大，基本保持在1.5 ～2.0 m，塑性區(qū)高度隨鉆進深度增加呈增大趨勢，尤其在巖層強度低或黏聚力小的地層，塑性破壞比較明顯，最大高度可達到4.6 m。

圖7 鉆進過程地層塑性破壞及位移變化Fig.7 Formation plastic failure and displacement change during drilling

2.4 安全透巷距離分析

透巷井段距離越短，透巷速度越快，越不容易發(fā)生涌水、易坍塌、縮徑等情況，救生艙快速通過能力越好。 但為了防止地層水和鉆井液沿鉆孔突然進入巷道，需預留一定厚度巖層，以保障鉆孔安裝套管、固井過程中的孔底安全。 根據(jù)上述模擬結(jié)果分析，隨著鉆進深度的增加，巷道頂界與鉆孔底部的完整巖層厚度逐漸減小，應將鉆進至270 m 時的塑性區(qū)高度4.52 m 與巷道頂板塑性區(qū)高度之和作為臨界安全透巷距離，即為14.1 m。 同時考慮到鉆孔底部巖層存在原生裂隙、局部構(gòu)造及鉆井液壓力的影響，應在臨界透巷距離基礎上加上5 m 厚的安全巖柱，故最佳安全透巷距離為19.1 m。

3 安全透巷關(guān)鍵技術(shù)

大直徑救援井在透巷過程中要保證井壁及巷道頂板的穩(wěn)定性，從而保證被困人員的安全，因此研究透巷過程鉆井工藝對巖屑及鉆井液潰入、頂板穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化技術(shù)套管下放深度，井眼軌跡控制，最終實現(xiàn)空氣潛孔錘反循環(huán)安全透巷鉆進。

3.1 技術(shù)套管下深優(yōu)化

技術(shù)套管主要起封隔上部易塌、易漏、高壓等不穩(wěn)定地層，起保護井身的作用，同時保證順利實施下部地層鉆進，最終實現(xiàn)救生艙的順利下放與提升。

通過數(shù)值模擬透巷過程對巷道頂板穩(wěn)定性的研究得出最優(yōu)透巷距離，該距離既能保證頂板穩(wěn)定，同時也要保證三開裸眼段盡量短，減小裸露井段坍塌風險。 二開下入?630 mm×15 mm 技術(shù)套管，下入深度至安全透巷井段上部，利用內(nèi)插法固井。

3.2 鉆具系統(tǒng)優(yōu)選

利用潛孔錘反循環(huán)鉆進工藝實現(xiàn)安全高效透巷，利用集束式反循環(huán)潛孔錘作為井下動力鉆具擴孔用，規(guī)格為?311 mm 擴至?580 mm 井徑。 為了保證透巷過程中，井底巖渣屑較少進入巷道內(nèi)，對空氣潛孔錘反循環(huán)鉆進工藝鉆具組合進行優(yōu)化，滿足安全高效透巷要求。

鉆具組合配套優(yōu)選原則：①提供鉆壓的同時，能夠滿足糾偏防斜能力，保證井眼軌跡垂直度；②所選用的鉆具流體通道具有低損耗防卡堵效果，提高供風效率，降低中心通道堵塞風險，保證井底返渣順暢。 利用剛性連接的雙壁鉆桿作為注氣與排渣的通道，所需空氣量小，配套空壓機數(shù)量少；能夠及時將破碎的巖屑攜離孔底，減少了孔底重復破碎、孔底干凈。

根據(jù)救援井井身結(jié)構(gòu)，采用集束式反循環(huán)潛孔錘進行擴孔鉆進，前期先導孔?311 mm 施工完畢，利用3 個?203.2 mm 常規(guī)正循環(huán)沖擊器與?215.9 mm 潛孔錘鉆頭均布在同一圓周面上組合而成集速式潛孔錘（圖8）進行沖擊鉆進。 該潛孔錘具體規(guī)格參數(shù)，見表2。

表2 ?580／311 mm 集束式反循環(huán)潛孔錘主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of ?580／311 mm cluster type reverse circulation DTH hammer

圖8 集束式潛孔錘Fig.8 Cluster DTH hammer

3.3 空氣潛孔錘循環(huán)介質(zhì)優(yōu)選

空氣潛孔錘鉆進鉆遇不穩(wěn)定地層易坍塌造成井下安全事故，主要原因就是循環(huán)介質(zhì)無法起到護壁作用，因此在透巷過程中，根據(jù)地層條件優(yōu)選循環(huán)介質(zhì)。

利用霧化液作為循環(huán)介質(zhì)，具有乳化地層促使流態(tài)呈霧狀穩(wěn)態(tài)流、增強空氣流氣舉能力、穩(wěn)定井壁、降摩扭的作用。 主要用于在含少量地層水或含砂巖地層，一般要求地層出水量低于10 m3／h。 利用泡沫作為循環(huán)介質(zhì)，相較于霧化液鉆進和空氣鉆進工藝，在傳統(tǒng)的泡沫鉆井液配方中加入KCL 抑制劑，避免井壁坍塌，提高井壁穩(wěn)定性；鉆遇漏失地層，由于氣泡的存在，氣泡內(nèi)外壓差作用，地層裂隙中物質(zhì)流動阻力增大，能夠有效預防地層裂隙漏失。 因此泡沫鉆井液不僅具有高效碎巖、地層適用性較好、護壁效果更好、不易發(fā)生井內(nèi)事故，而且泡沫成本較低，利用泡沫鉆進工藝大幅降低鉆進成本。

3.4 空氣潛孔錘防斜技術(shù)

為確保救援井與巷道順利對接，以及救生艙順利下入巷道，要求透巷井段的狗腿度小于20° ／100 m。 透巷過程中，影響井眼軌跡因素主要有地層因素、鉆具因素和人為操作因素。

1）地層因素主要鉆遇硬、脆、碎、層理傾斜等復雜地層導致鉆具沖擊做功時受力不均，無法實現(xiàn)軸向集中做功，潛孔錘鉆頭在地層中鉆進時受力狀態(tài)如圖9 所示，沖錘沖擊力F1作用在鉆頭上，鉆頭將沖擊力傳遞給地層，實現(xiàn)沖擊破碎。 與此同時，地層反作用力f作用在鉆頭上實現(xiàn)力的平衡，當?shù)貙优c鉆頭垂直時，沖擊力F1＝f；當鉆頭與地層存在夾角時，反作用力f分解為垂直地層作用力f1和平行于地層的摩擦力f2（f＝f1＋f2），此時f1與鉆頭軸向存在夾角，導致鉆頭軌跡偏離，通過鐘擺鉆具組合和鉆壓控制井眼軌跡垂直度。

圖9 鉆頭在地層中鉆進時受力狀態(tài)Fig.9 Stress state of drill bit when drilling in formation

2）鉆具因素。 采取防偏糾偏塔式鉆具組合能夠有效控制井眼軌跡垂直度，同時鉆具選擇與井眼井徑間隙較大，導致鉆頭在井底傾斜井眼軌跡偏離設計軌道。

3）人為操作因素。 鉆進參數(shù)控制不規(guī)范導致井眼軌跡垂直度不夠。 鉆進過程中，在保證鉆進效率的同時，應控制鉆壓，較大鉆壓會使鉆柱受力扭曲，導致底部鉆頭傾斜影響軌跡垂直度，特別是鉆遇地層存在傾角時，鉆壓較大極易導致鉆頭順層滑動，井眼軌跡偏離，根據(jù)經(jīng)驗鉆壓一般控制在30 ～50 kN。

綜上所述，根據(jù)不同的井型井徑，選擇合理的鉆具組合，并做好區(qū)域地質(zhì)資料收集分析工作，根據(jù)地層情況制定適合的鉆進參數(shù)，能夠有效的控制井眼軌跡垂直度。

4 現(xiàn)場應用與效果

依托山西某煤礦地面救援井現(xiàn)場施工，結(jié)合礦井地質(zhì)報告，研究透巷井段安全快速透巷、涌入巷道的液體體積大幅減少，巷道頂板穩(wěn)定，井內(nèi)安全可靠，滿足救援井的相關(guān)質(zhì)量要求。

4.1 救援井透巷井段施工

依據(jù)礦區(qū)勘探資料、頂板巖石物理力學資料、礦區(qū)上三帶發(fā)育情況等，二開鉆進至井深267 m，下入?630 mm 技術(shù)套管，下深260 m，全井段固井。 考慮到巷道開挖對原有地層擾動破壞，防止鉆井液涌入巷道，為了保證安全距離，預留透巷井段長度28 m。透巷段施工，首先采用?311 mm 空氣潛孔錘反循環(huán)鉆進，然后采用?580／311 mm 集束式潛孔錘鉆頭下排渣法霧化鉆進擴孔。 鉆具組合為：?580／311 mm擴孔用集束式反循環(huán)潛孔錘＋?178／113 mm 雙壁鉆桿＋保護接頭＋氣盒子。

導向孔采用?311 mm 空氣潛孔錘反循環(huán)鉆進，注氣量為35 m3／min，轉(zhuǎn)速35 r／min，注氣壓力1.1 ～1.2 MPa，機械鉆速1.88 ～6.0 m／h，平均機械鉆速3.14 m／h，導向孔與巷道貫通后，采用?580／311 mm集束式潛孔錘鉆頭下排渣法霧化鉆進擴孔，注氣量為35 m3／min，轉(zhuǎn)速35 r／min，注氣壓力0.9 ～1.1 MPa，鉆壓控制在30～50 kN，機械鉆速3.16～5.0 m／h，平均機械鉆速3.9 m／h。

4.2 應用效果

救援井實施井眼軌跡控制精確、中靶位置可靠穩(wěn)定、進入巷道水量符合設計要求。 最終完成一口井深295 m 救援井，井徑?580 mm，井底偏斜距離0.35 m，巷道頂板部圍巖完整，透巷瞬間進入巷道的孔內(nèi)殘余水量為2.8 m3。 導向孔采用?311 mm 空氣潛孔錘鉆進，平均機械鉆速3.9 m／h，?580／311 mm 集束式潛孔錘反循環(huán)鉆進平均機械鉆速3.4 m／h。 在井內(nèi)多次進行了救生艙的上提下放試驗，并且進行了救生艙載人入井上提下放試驗，工作安全穩(wěn)定，順利完成救援試驗任務。

5 結(jié) 論

1）建立了鉆進過程數(shù)值模型，揭示了鉆進過程中巷道頂板受力狀態(tài)及變形機理，確定最佳安全透巷距離。 分析表明：山西某礦救援井安全透巷距離為19.1 m。 以此分析為基礎，增加技術(shù)套管下入深度，有效封隔含水層及井壁不穩(wěn)定地層，確保救生艙在救援井下放、提升順利。

2）巷道和鉆孔圍巖巖體破壞的主要方式包括剪切破壞和拉伸破壞，且以剪切破壞為主，地層巖石黏聚力越小，圍巖塑性破壞區(qū)寬度越大。

3）地面大直徑救援鉆孔鉆進過程中，鉆孔破壞了地層原有應力平衡，造成周圍地層產(chǎn)生移動變形和塑性破壞區(qū)，且以鉆孔中心呈對稱分布，塑性破壞區(qū)高度隨鉆進深度增加呈增大趨勢，圍巖的垂直位移變化很小。

4）采用雙壁鉆桿空氣反循環(huán)鉆進工藝，利用泡沫作為循環(huán)介質(zhì)可有效解決透巷瞬間大量地層水、泥漿涌入巷道的問題，同時不受季節(jié)及溫度限制，對井壁擾動較小，鉆進速度快、排渣徹底，有利于保護巷道頂部圍巖完整性。

5）研究成果是對地面大直徑救援井施工工藝的優(yōu)化，也可以推廣應用到其他大直徑井的施工中，縮短施工周期、節(jié)約成本。