8.3m超大井筒钻井井壁设计

现Ａｐｒｉｌ．２０１２　代矿业　总第５１６期　Ｍ０ＲＤＥＮ　ＭＩＮＩＮＧ　２０１２年４月第４期　８．３　ｍ超大井筒钻井井壁设计　吴双白　（煤炭工业合肥设计研究院）　摘　要　张集煤矿（西区）西进风井为净直径８．３　ｍ超大井筒，穿厚表土采用钻井法凿井，是　目前国内外钻井法钻井直径最大的立井井筒。介绍了该井壁在设计、施工方面的特点及成果。　关键词钻井法凿井超大井筒　井壁设计　淮南矿业集团张集煤矿位于安徽省淮南市凤台　县城西约２０　ｋｍ处。由于生产的需要，在西区新增　进风井、回风井２个井筒。其中进风井设计净直径　８．３　ｍ、回风井设计净直径为７．２　ｍ，穿过表土冲积　层厚分别为４０１．２　ｍ和４０２．６　ｍ，均采用钻井法施　工，其钻井直径分别为１０．８　ｍ和９．６　ｍ，钻井深度　分别为４６０．０　ｍ和４４０．０　ｍ。　西进风井井筒２００６年５月２６日由中煤特殊凿　井（集团）有限责任公司使用ＡＳ－９／５００大钻井开　钻，２００８年３月１６日整个钻井井筒竣工，经过４　ａ　复杂受力条件的考验，到目前井筒无任何异常现象，　井壁无漏水，施工质量优良。该井筒是目前我国采　用钻井法施工，表土层超过４００　ｍ，井筒净径最大的　立井井筒，创造了钻井法施工超大井筒的全国新记　录。并分别获得煤炭工业建设工程质量监督总站认　定的２００９年度煤炭行业优质工程和２０１０年度安徽　省科学技术二等奖。　１　工程概况　该井筒水文地质条件复杂，第四系一第三系松　散层厚度大，其中黏土层多且厚度大，约占５０．５％，　可塑性和粘结性强，钻进中极易发生膨胀缩径、卡钻　和泥包钻头；其次砂层约占３３．８％。地层较稳定，　总体趋势是北厚南薄，表土层主要为黏土、砂层和少　量砾石层，见表１。从上至下可划分３个含水层　（组）和３个隔水层（组）。　２设计简况　进风井井筒设计净直径８．３　ｍ，钻井荒径为　１Ｏ．８　ｍ。根据井筒检查孔资料，在满足有关规程、　规范要求的基础上，确定钻井深度为４６０．０　ｍ。该　井筒采用两种井壁结构形式，井深２５７．６ｍ以上　吴双白（１９５７一），男，室主任，高级工程师，国家注册采矿工程　师，２３００４１安徽省合肥市阜阳北路３５５号。　８２　表１　井筒穿过的地层岩土参数　采用高强钢筋混凝土井壁结构，井深２５７．６～４５６．６　ｍ采用双层钢板高强混凝土复合井壁结构，井筒内　径采用变断面，外直径保持９．９　ｍ不变。由于受龙　门吊２００　ｔ限制，每节井壁节高控制在３．１—４．０　ｍ。　井壁底节高３．４　ｍ，采用削球厚壳钢筋混凝土结构。　钢筋混凝土强度等级：井壁底（锅底）采用Ｃ７０，其余　为Ｃ３０～Ｃ６０；钢板混凝土复合井壁Ｃ６０一Ｃ７０，其钢　板厚度ｌ０～２０　ｍｍ，材质为Ｑ３４５钢。预制井壁共　１３９节，其中：混凝土井壁７３节；钢板复合井壁６５　节；井壁底钢筋混凝土井壁１节。井壁总重量为　２５　８８６．４　ｔ。　３井壁结构设计原则　３．１水平荷载（地压）　依照文献［１］，表土段井壁设计荷载：　＝　０．０１２Ｈ．基岩风化带，按表土段最大压力控制。完　整基岩段按　Ｐ０：０．０１０Ｈ，　式中，Ｐ。为均匀荷载，ＭＰａ；Ｈ为计算截面距地面深　度，ｍ。　３．２计算原则　本次设计严格按现行规范执行，考虑了井壁环　向及竖向的强度、刚度和稳定性，并分别按轴心受压　和偏心受压进行了计算，考虑了均匀地压和不均匀　地压及施工临时荷载的作用。钢筋混凝土结构的井　壁按厚壁筒公式计算，双层钢板混凝土复合结构的　吴双白：８．３　ｍ超大井筒钻井井壁设计　２０１２年４月第４期　井壁，由于实际的钢板与混凝土的弹性模数比（简　称弹模比ｎ）较难准确选取，故先用德国Ｈ・林克方　井口，并放人井内。由于受龙门吊２００　ｔ及ＡＳ－９／　５００大钻井提吊能力３００　ｔ的影响，井壁底只能设计　法估算井壁厚度，再按组合厚壁筒公式验算强　度…，以确保井壁的安全可靠度。　３．３混凝土强度提高系数　由于该井筒穿过的冲积层较厚，尤其井简直径特　别大，对井壁整体受力十分不利。井筒浅部设计优先　考虑采用高强钢筋混凝土井壁，其深部采用双层钢板　成高强钢筋混凝土厚壳削球结构，使用了高强Ｃ７０　混凝土，总厚度仅６５０　ｍｍ，成功地承受了２５　８８６ｔ井　壁悬浮下沉荷载考验。由于支承环与削球交界处几　何形体的急剧变化，比较容易引起应力集中。试验　了高强Ｃ８０混凝土应用于该井壁底中，解决混凝土　井壁底强度和在其在下沉过程中井壁底内需充填混　混凝土复合井壁。两种井壁都具有很高的承载能力，　凝土的要求，从而保证井壁底在漂浮下沉过程中的　由于钢板井壁与混凝土的复合作用，使得中间混凝土　层完全处于三向受力状态，其抗压强度将得到较大幅　度提高，从而大大提高复合井壁结构的承载能力，可　抵御较大的地压作用。施工时不需模板、钢筋，便于　施工，是深厚表土钻井井壁的理想支护结构。在计算　井壁强度时，考虑了混凝土强度提高系数，根据安徽　理工大学井壁结构模型的试验结果　及文献［３］第　５．２．８条规定，钢筋混凝土井壁强度提高系数取１．２。　钢板混凝土复合井壁强度提高系数取１．４，使得设计　的井壁即安全可靠，又经济合理。　４主要特点　４．１减薄井壁厚度　井筒支护是保证钻凿成功的重要环节，由于受　钻机能力、空间尺寸和悬浮下沉井壁安装工艺的限　制，井壁结构选择和厚度控制就显得更加突出，甚至　关系到钻井法凿井实施的可能性。通过对高强钻井　井壁设计方法及井壁结构进行优化，张集西进风井　井壁最大厚度仅８００　ｍｍ，较薄，其壁厚与净径之比　为０．０９６　４，以此值计算，张集西进风井井壁厚度较　先期施工表土厚度大致接近的谢桥西风井、祁东回　风井和潘三西风井分别减薄了１０．２％、２２．６％和　５５．６％，见表２。　表２　４种井简的技术参数比较　井筒　表土　支护　井壁　井筒名称　净径　深度　深度　厚度　厚径比　ｍ　ｍ　，ｍ　，ｍ　张集煤矿西进风井８．３　４Ｏ１．２　４６２．ｏ　ｏ．８Ｏ　ｏ．０９６４　谢桥煤矿西风井　７．ｏ　４０５．５　４６４．５　ｏ．７０　０．１００　祁东煤矿回风井　５．５　３７５．９　５２２．０　０．６５　０．１１８２　竖三燮　亘垦　：　竺　：　！：　：！　：　由于井壁厚度减薄，使钻井直径减小，从而可以　使用ＡＳ－９／５００大钻井施工，节省了大量的工程费用　和建井工期，大大降低材料消耗。　４．２井壁底防沉技术　井壁底是悬浮下沉井壁的重要组成部分，在钻　井井壁设计中至关重要，必须有足够的强度，同时能　漂浮在泥浆上。首先将地面预制好的井壁底提运到　安全，并在井壁底支承环位置埋设了４根３６ａ号工　字钢防沉梁。　４．３预埋壁后注浆检查管　设计考虑井壁底上方３５　ｍ范围内预埋了９层　壁后注浆检查管，每层均布８个，上下层错开４５。布　置。检查管采用Ｄ７６　ｍｍ×５　ｍｍ无缝钢管，其内充　填Ｍ１５水泥砂浆，端头配管堵。当壁后充填结束，　需对壁后充填质量进行检查，符合《煤矿安全规程》　及有关规范要求后，方可破井壁底向下施工。该井　壁底采用了预裂控制爆破新技术，减少了爆破对上　部井壁的影响。　４．４钻井改造　根据井筒的地层赋存特征，以及井筒的设计深　度和钻井直径，选用ＡＳ－９／５００型竖井钻机，并对该　钻机加装了悬臂梁以适应井口的工作需要，选用Ｂｓ　Ⅱ系列的ＸＣ型长齿滚刀及ＸＺ型中长齿滚刀。为　更大程度地满足岩屑冲洗量，采用３台阿特拉斯科　普柯ＧＲ２００型固定式螺杆压缩机，其中１台备用，　极大地提高了钻井效率。井口安装１台与ＡＳ－９／　５００型钻机配套的轨距１２　ｍ起吊重量２００　ｔ的龙门　吊，满足钻具系统及井壁的吊运。　４．５钻进方案　根据ＡＳ－９／５００钻机的能力结构特点，结合其他　矿山的钻井经验，进风井采用一次超前分级扩孔的　施工工艺，超前钻进６４．０　ｒｆｌ，第一级扩孔钻进　．１　ｍ，第二级扩孔钻进　９．０　ｍ，第三级扩孔钻进　１０．８　ｍ。　４．６接头型式　上下井壁之间采用单板式法兰盘连接，考虑到　连接井壁的法兰盘之间不可避免的存在一定的间　隙，设计时对节间注浆管进行了改进，完善了节间注　浆材料、工艺，尽可能消除井壁节间空隙，使得井壁　法兰盘的受力和传力得到改善。每节井壁下部预留　４根节间注浆管，在井壁对接好采用１孔注浆其余３　个孔冒浆。采用新型高强微膨胀节间注浆材料，提　８３　总第５１６期　现代矿业　２０１２年４月第４期　高了井壁结构竖向受力性能和抗渗性。　６结语　５主要新技术成果　（１）根据井壁底结构模型试验和数值分析结　果，获得了应力、应变分布规律，创新了深井钻井井　壁底结构设计方法，并通过了工程检验。　（２）研制了钻井井壁用Ｃ８０高强高性能泵送混　凝土配比，并首次应用于工程实践。　（３）首次采用智能监测方法，对超大直径钻井　井壁施工全过程进行了内、外力监测，创新了大直径　在深厚表土层井筒采用钻井法施工，不但技术　上可行，而且经济合理。张集煤矿西进风井净径　８．３　ｍ超大直径深厚冲积层钻井法凿井的成功，为　大直径深表土不稳定含水地层采用钻井法施工提供　了宝贵经验，对提高我国钻井法凿井技术具有指导　意义。　参考文献　钻井井筒施工新技术，创造了钻井法施工井筒净直　径最大８．３　ｍ国内、外新纪录。　（４）提出的深井钻井井壁底结构设计新方法，　对常规方法设计的井壁底结构进行了优化，减少混　［１］　张荣立，何国纬，李铎．采矿工程设计手册［Ｍ］．北京：煤炭　工业出版社．２００２．　［２］　孙文若．钢板混凝土井壁强度的试验研究［Ｊ］．淮南矿业学院　学报，１９８５，１２（３）：２５－４０．　［３］　中华人民共和国建设部．ＧＢ　５００１０－－２００２　混凝土结构设计　规范［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２００２．　凝土浇灌量达４３％，为后面的破井壁底工作创造了　有利条件，加快了建井速度。　（收稿日期２０１２－０２－２０）　・记者在线・　澳通过矿产资源租赁税法案中国钢铁行业受负面影响　堪培拉时间２０１２年３月１９日深夜，经过激烈辩　论后，澳大利亚参议院以３８票对３２票的微弱多数通　过了ＭＲＲＴ（矿产资源租赁税）法律草案。业界分析　认为，这意味着２０１２年７月１日开征该税已无悬念，　此次资源税法案对中国钢铁行业影响较为负面。　据了解，根据最新通过的《矿产资源租赁税　２０１１》法律草案，澳大利亚联邦政府将向年利润超　过７　５００万澳元的煤和铁矿石企业征收矿产资源租　赁税，税率为应税利润的３０％。据估算，将有约３２０　家本地矿产企业进入征税范围，他们将在未来３　ａ　内为澳大利亚联邦政府贡献大约１０８亿澳元的税　赋。澳大利亚政府表示，将把这些收入用于充实养　老金、对其他经济部门减税以及扶持中小企业等。　来自澳官方统计数据显示，２０１Ｏ—２０１　１财政年　度，澳大利亚矿产公司总利润高达９２１亿澳元。据　此粗略计算，澳大利亚联邦政府通过此税将“拿去”　矿业利润的４％左右。但根据ＭＲＲＴ的征税原理，　超额利润率特别高的大公司如力拓、必和必拓等增　加的税负较多，获得社会平均利润的公司和年利润　７　５００万澳元以下的小公司不增加税负。　多位业内人士指出，这一新增的资源税，将对澳　洲当地和赴澳投资的企业都产生不小的影响。早在　澳大利亚２０１　１年宣布有意征收资源税的计划后，宝　钢、鞍钢、中钢等在澳大利亚有资源投资的公司就已　８４　经预计会对公司的投资项目成本产生影响。　交银国际的一份报告认为，澳洲矿业巨头将可　能利用这次资源税上调，支撑铁矿石价格于高位运　行，由于中国进口铁矿石量的４０％多来自于澳洲，　此次资源税法案对中国钢铁行业影响较为负面。　根据澳大利亚财政部的统计，２００９－－２０１０财　年，中国对澳大利亚投资申请总额为１６３亿澳元，而　中国对澳的投资又以矿业勘探、开发为主，占中国对　澳投资总额的７５％左右。　也有分析人士认为，矿产资源租赁税对于中国　在澳企业的影响分为贸易和投资两个方面。就铁矿　石和煤炭贸易而言，中国是澳大利亚最大的铁矿石　出口市场，澳大利亚是世界上最大的煤炭出口国。　矿产资源租赁税无疑将推高澳大利亚矿业企业的成　本。但考虑到目前矿企利润率仍有较大空间，加之　中国调控经济发展速度，而且过去几年来矿山扩充　的产能将逐步释放，矿产税虽然导致成本的增加，但　它对煤和铁矿石的价格能产生多大影响，还需要进　步观察。　一同时值得关注的是，在推出矿业税之后，澳大利　亚政府还将推出碳税，这两项税赋都将推高生产成　本，导致预计投资的收益率下降，这将是今后中资企　业在决策投资时不得不考虑的因素。