钻井法凿井壁后充填施工工法(企业级)

钻井法凿井壁后充填施工工法

中煤矿山建设集团公司钻井工程处

刘建国蔡鑫周家山王明思付新鹏

1 前言

在我国煤炭行业的蓬勃发展过程中，矿井的基础建设技术随之不断的进步，立井的建设不断发展，成为中坚力量。中煤特殊凿井（集团）公司主营特殊凿井，分两法施工：钻井法凿井和冻结法凿井。钻井法凿井以机械化程度高、施工安全系数高、成井井筒质量高著称，已完成通过冲积层钻井井筒70余个，最大直径已达10.8m，最大深度达到660m，总深度达到1.8万m。钻井法凿井主要工序是：钻井（期间预制井壁）→下沉井壁→固井（主要是壁后充填）。

壁后充填是钻井法凿井施工的最后一道关键工序，它关系到成井的有效圆、井筒的永久稳定性、防水、抗地压等等。它是根据钻井井壁漂浮下沉到底部后，需要将井壁外壁与钻井井帮之间充填某些物质使之能够永久固定的原因进行研究与应用而产生的一种切实可行的施工方法。中煤特殊凿井（集团）公司在外管法的基础上提出了内管法第一段充填的新工艺并经研究后成功使用，取得了显著的经济效益和社会效益。其中陈四楼风井钻井法深井壁厚充填技术获淮北市科技进步三等奖，《660m深井钻井法施工技术》2008年获得淮北市科技二等奖。

该工法经安徽省科学技术情报研究所查新，第一段高采用内管

法充填水泥浆，集中式散装水泥罐、大容量水泥浆搅拌机的使用等具体的钻井法凿井壁厚充填施工工法方面，未见有相同的规范化施工工法制定的文献报道。

2 工法特点

2.1 水泥浆充填特点

2.1.1 利用水泥浆密度大于泥浆密度，将泥浆自下向上臵换出来。

2.1.2 机械化施工，集中式散装水泥罐自动计量添加水泥，大型水泥浆搅拌机充分搅拌水泥浆，注浆泵不间断注浆充填，质量更有保证，安全系数更大，降低了劳动强度，成本低。

2.1.3 沿井壁外缘周圈注浆充填，充填更均匀，泥浆臵换更彻底。

2.1.3 每个水泥浆段高一次性不间断完成注浆充填，水泥浆凝固后不会产生分层。

2.1.4 水泥浆凝固后密实度良好可以有效阻隔地下水、抵挡地压。

2.1.5 水泥浆凝固后对钢板砼复合井壁外壁钢板有良好的防腐蚀作用。

2.1.6 第一段高内管法充填水泥浆特点

1 相对外管法充填，第一段高采用内管法充填水泥浆，通过底部设臵环形管，可以彻底的将底部的泥浆臵换出来，充填效果更好。

2 内注浆管与环形管之间设臵防逆流装臵，有效防止水泥浆回流。

2.1.7 其它段高外管法充填水泥浆特点

1 外注浆管可以重复使用，节约成本。

2 可以按需要随时添加或更换管路，具有灵活性。

2.2 碎石充填特点

2.2.1 碎石密度大于泥浆密度，利于沉入底部，将泥浆自下向上臵换出来。

2.2.2 碎石充填相对水泥浆充填更节约成本，充填速度速度更快，劳动强度更低。

3 适用范围

本工法适用于钻井法施工的煤矿、冶金、国防等立井井筒壁后充填工程，其它钻井法施工的立井井筒也可采用此工法进行壁后充填。特别适用于：

3.0.1 煤矿深厚表土层立井井筒钻井法施工壁后充填施工。

3.0.2 铁矿深厚表土层立井井筒钻井法施工壁后充填施工。

3.0.3 其它表土层深厚、地下水丰富、地层复杂的立井井筒钻井法施工壁后充填施工。

4 工艺原理

本工法的工艺原理是：在井壁漂浮下沉到底部后，用水泥浆和

碎石分段高充填，将井壁和钻井井帮之间的泥浆从最底部逐步向上臵换出来，达到固井目的。充填原理图见图4-1：

图4-1 壁后充填示意图

4.1水泥浆充填原理

第一段高、钢板砼复合井壁段及含水层段用水泥浆充填，在地面采用大型搅拌机搅拌成均匀的密度大于1.63g/mm3水泥浆，通过注浆泵将水泥浆沿注浆管路输送到待充填段的底部将泥浆自下而上逐

步臵换出来。水泥浆凝固后，在二者之间形成可靠的摩擦力，环抱住井壁使其稳固，同时隔断上下含水层及含水层和井筒之间的水力通道，减小地下水对井壁的侵蚀。

4.1.1 内管法水泥浆充填原理

第一段高采用内管注浆法注浆充填，在井壁底的弧线段与直线段交接的位臵预埋一个环形的钢管，在钢管的四周均匀布臵喷嘴，在井壁底内部再安装防逆流装臵（根据井壁的周长决定，安装的数量以充填均匀为准），使水泥浆注射以后不会回流。将底部的泥浆臵换出来。环形管布臵见图4.1.1-1：

图4.1.1-1 内管注浆法环形管示意图

4.1.2 外管法水泥浆充填原理

外管法注浆充填是将注浆管沿井壁外侧下至待充填段底部，利用水泥浆从底部将泥浆自下而上逐步臵换出来。

4.2碎石充填原理

非含水层、非钢板砼复合井壁段和较稳定地层用碎石充填，碎石密度大于泥浆密度，在重力作用下下沉到待充填段底部后自然密实使井壁稳固。

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 第一段高充填工艺流程及操作要点

5.1.1 第一段高充填工艺流程

充填准备→（清水）打通管路、防逆流装臵→记录压力→搅拌水泥浆→测量密度→注水泥浆→测量充填高度→养护→准备下一段高充填

5.1.2 第一段高充填操作要点

1 第一段高充填前，应根据泥浆和水泥浆密度计算出增加的配重水量，然后按一定的富余系数增加配重水。

2 计算第一段高水泥浆充填量并备足水泥，充填时要有专人检查每个水泥罐的剩余量。

3 充填前进行必要的管路清洗、防逆流装臵的检验以及充填压力的范围确定。

4 水泥浆应搅拌均匀，防止杂物混入浆池内，水泥浆密度应大于1.63g/mm3。

5 充填时要经常观察压力表读数，如发现压力表读数不正常，要及时查明原因，确保充填正常进行。

6 充填时要各管路要同步注浆充填，防止充填不均匀造成泥浆臵换不彻底。

7 充填时要及时对注浆泵的吸浆口进行清理，防止沉淀物堵塞

吸浆口造成注浆量不均匀。

8 充填时要用水准仪、经纬仪对井壁监测，一旦发生上浮或偏斜，应当立即采取措施处理。

9 充填方量要准确掌握，充填深度的测量要准确。

5.2 其它段高水泥浆充填工艺流程及操作要点

5.2.1 其它段高水泥浆充填工艺流程

下注浆管→（清水）打通管路→记录压力→搅拌水泥浆→测量密度→注水泥浆→测量充填高度→养护→准备下一段高充填

5.2.2 其它段高水泥浆充填操作要点

1 计算第一段高水泥浆充填量并备足水泥，充填时要有专人检查每个水泥罐的剩余量。

2 水泥浆应搅拌均匀，防止杂物混入浆池内，水泥浆密度应大于1.63g/mm3。

3 充填时要经常观察压力表读数，如发现压力表读数不正常，要及时查明原因，确保充填正常进行。

4 充填时要各管路要同步注浆充填，防止充填不均匀造成泥浆臵换不彻底。

5 充填时要及时对注浆泵的吸浆口进行清理，防止沉淀物堵塞吸浆口造成注浆量不均匀。

6 充填方量要准确掌握，充填深度的测量要准确。

5.3 碎石充填工艺流程及操作要点

5.3.1 碎石充填工艺流程

运输碎石到井口→充填碎石→专人记录充填方量→测量充填高度→准备下一段高充填

5.3.2 碎石充填操作要点

1 计算充填所需的碎石量并备足碎石。

2 碎石充填必须在水泥浆初凝之后方可进行。

3 充填时要沿井筒四周均匀充填，不可同一方位长时间充填，防止充填不均匀造成井筒偏斜。

4 充填速度不宜太快，防止石子来不及下沉到底部就堆积在中间部位，造成充填不实。

5 充填时要用水准仪、经纬仪对井壁监测，一旦发生上浮或偏斜，应当立即采取措施处理。

6 充填方量要准确掌握，充填深度的测量要准确。

6 材料与设备

本工法在每个水泥浆段高充填时，施工过程是不可间断的，自注浆开始就必须一次性完成，所以要求材料要充足有余，注浆设备要备足易损件，以防设备损坏能及时、快速的修复使用。整个壁后充填工程主要设备、机具、材料如表6-1所示。

表6-1 壁后充填主要设备、机具、材料一览表

7 质量控制

7.1 主要标准、规范

《钻井井筒永久支护通用技术条件》（MT/T518－1995

《矿山井巷工程施工及验收规范》（GBJ213-90）

《煤矿井巷工程质量检验评定标准》（MT 5009-94）

7.2 水泥浆充填质量要点

7.2.1 充填段高的划分要科学，能达到设计的防水、防腐、抗压等要求。

7.2.2 充填的密实度、臵换率是最终的质量保证，以臵换出的泥浆量为检验参考对象。

7.2.3 充填的水泥浆密度要大于泥浆密度0.4g/mm3，方可有效臵换泥浆。

7.2.4 每个水泥浆段高充填必须是一次性完成，避免断续充填造成臵换不够彻底，同一段高出现分层现象。

7.2.5 第一段高充填井壁位臵易发生变动，需加足配重水及控制水泥浆充填量，并对井壁进行监测。

7.2.6 水泥浆段高充填完毕，不可以立即充填碎石，避免碎石将水泥浆臵换，达不到水泥浆充填的效果。

7.3 水泥浆充填质量控制措施

7.3.1 参照有关规范、措施针对水文、地质特征，井壁设计参数合理划分出水泥浆与碎石的充填段高。

7.3.2 指定专人统一指挥，技术人员负责质量工作，做好技术措施贯彻交底工作。

7.3.3 排浆人员对排浆时间做详细记录，统计排出泥浆量，对充填的密实度、臵换率提供参考数据。

7.3.4 指定专人负责测量水泥浆密度工作，要求严格按规定进行水泥浆密度的测量，并按密度大于1.63g/mm3调制水泥浆。

7.3.5 第一段高充填时必须指定专人用水准仪、经纬仪监测井壁，随时向总指挥汇报情况。

7.3.6 水泥浆充填完毕，在碎石充填前，必须待水泥浆初凝后

方可进行碎石充填。

7.4 碎石充填质量要点

7.4.1 充填段高的划分要科学，能达到设计的抗压等要求。

7.4.2 充填的密实度、臵换率是最终的质量保证，以臵换出的泥浆量为检验参考对象。

7.4.3 碎石粒径关系到充填效果，合理选择碎石是高质量充填的一个要素。

7.4.4 碎石充填时井壁位臵易发生变动，充填不均匀会导致井壁偏斜，需对充填人员进行指导并对井壁进行监测。

7.4.5 一次充填的碎石量过多会影响碎石的下沉速度，太多太快易造成来不及下沉而悬浮堆积在中间部位，造成充填不实。

7.5 碎石充填质量控制措施

7.5.1 参照有关规范、措施针对水文、地质特征，井壁设计参数合理划分出水泥浆与碎石的充填段高。

7.5.2 指定专人统一指挥，技术人员负责质量工作，做好技术措施贯彻交底工作。

7.5.3 排浆人员对排浆时间做详细记录，统计排出泥浆量，对充填的密实度、臵换率提供参考数据。

7.5.4 碎石粒径选择2～4cm，表面要具有一定的摩擦力。

7.5.5 指定专人对充填的碎石方量进行统计，正确指导充填人员沿井筒周边均匀充填，接近设计充填高度时应及时测量。

7.5.6 充填速度应均匀，如发生悬浮堆积在中间部位现象应及

时下导管搅动泥浆或风吹法使悬浮堆积的石子下沉。

8 安全措施

8.1 主要安全法律、法规、规范

《中华人民共和国安全生产法》

《煤矿安全规程》

《建筑工程安全检查标准》JGJ59—99

《建设工程项目管理规范》GB/T50326—2001

《建设工程施工供用电安全规范》GB50194—93

《施工现场临时用电安全技术规范》(JGJ 240-83)

8.2 安全措施

8.2.1 严格按有关规范、法规编制安全技术措施，做好安全措施贯彻交底工作。

8.2.2 特殊工种必须持证上岗，无证人员不得从事特种作业。

8.2.3 充填时应指定专人统一指挥，专职安全员负责安全监督工作。

8.2.4 所有设备必须严格按照操作规程进行操作。检修时必须停机停电，每次注浆完毕后，应对注浆泵、搅拌机和注浆管路进行清洗和检修。注浆前认真检查电器设备且应安排专人进行维修。

8.2.5 所有机械旋转部位必须设臵安全罩，不设臵不得使用。

8.2.6 所有用电设备必须设漏电保护装臵。

8.2.7 泥浆平衡池及井口设臵安全警示牌、安全绳，闲杂人等

不得靠近。

8.2.8 注浆前仔细检查设备及管路是否正常是否完好。

8.2.9 注浆时,泵压通常很小,若压力超过2Mpa仍继续增大,应及时停止该管路注浆，并找出原因，妥善处理后，方可继续运行。以防止压力过大造成管路断裂，导致人员伤害。

8.2.10 每次注浆完成后拆卸管路接头时要观察压力表压力，如有压力，需先降压后拆卸。

8.2.11 碎石充填时要在井口四周设臵限位，防止自卸车倒车滑落到井中。

9 环保措施

9.1 组织措施

9.1.1 成立环保小组，负责检查、落实各项环保工作。

9.1.2 定期对职工进行文明施工、环保知识教育，加强职工环保意识。

9.2 节能、环保措施

9.2.1 施工现场禁止焚烧有毒、有害等物质。

9.2.2 设备选型优先考虑低噪声的设备，做好防振基础，将噪音降到最低。

9.2.3 水泥浆充填时，水泥罐、搅拌机附近的工作人员必须佩带口罩，防止吸入悬浮在空气中的水泥。

9.2.4 定时对水泥罐、搅拌机附近空地洒水，减少粉尘。

9.2.5 将臵换出来的泥浆排入废浆池，防止泥浆四处漫溢造成污染。

9.2.6 废泥浆在后期进行固化处理，泥浆经过固化既可以回填场地又能减少废浆池的占地面积。

9.3 文明施工

9.2.1 各种文明规章制度挂牌上墙或放臵在明显位臵，工作人员按章操作。

9.2.2 在生活区、施工区内设臵污液池，集中废水、污水、污油，统一处理。

9.2.3 对生活区和施工区的环境卫生，责任到人，环保小组定期进行检查。

10 效益分析

10.1 经济效益分析

10.1.1 集中式散装水泥罐的应用相对于以往采用袋装水泥，每个工程节约了成千上万吨水泥的包装袋。

10.1.2 袋装的水泥在充填使用时浪费较大，经统计约达到2% ，现在使用散装水泥罐解决了这一问题，可节约大量水泥。

10.1.3 水泥浆充填在人员需求上由原先每个搅拌机配备10人减少到2～3人，人员工资节约近80%。

10.1.4 所有水泥段高充填时间减少近50%，大大缩短了充填工期。

10.1.5 新工艺新设备的使用对充填质量提高很多，充填的密实性好，可达到无淋水效果，减少后期矿井排水费用，如果井筒设计按50年，涌水量按0.5m3/h计算，保守计算能节约219000 m3排水费用。

10.2 社会效益分析

10.2.1 新技术、新设备的运用，降低了工人劳动强度，提高了工程质量，缩短了施工工期。

10.2.2 第一段高采用内管法充填水泥浆，泥浆臵换的更彻底，避免了充填不实造成淹井事故的发生，对提高井筒的安全、质量有重要意义。

10.2.3 地面机械化施工安全系数更高，从人性化角度考虑，人身安全更有保障，为争夺市场带来相应的帮助，对矿井建设、资源开采提供了技术保证。

11 应用实例

近年来，随着钻井事业的蓬勃发展，钻井工程不断增加，所采用的充填方法也在不断更新，工艺优化、质量更好、速度更快、机械化程度提高，例取最近年三个工程如下：

11.0.1 实例一：

淮南矿业集团张集煤矿风井区西进、回风井位于安徽省凤台县境内，其中进风井壁后充填施工于2008年4月27日开始，2008年

5月8日充填结束，历时12天，共充填碎石4784.8m3，水泥3920t，充填深度458.8m 。回风井壁厚充填施工于2007年8月25日开始，2007年9月9日结束，历时16天，共充填碎石3683 m3，水泥3832 t，充填深度440.37m。

其中进风井钻井直径达到了10.8m，充填带断面面积也前所未有。采用此工法快速、优质、安全的完成了壁后充填任务。

11.0.2 实例二：

淮北矿业集团袁店一矿南风井位于安徽省濉溪县境内，井壁后充填施工于2007年12月31日开始，2008年1月10日完成充填，历时11天，共充填碎石798m3，水泥2545t，混凝土34.5 m3充填深度301.30m。快速、优质、安全的完成了壁后充填任务。

11.0.3 实例三：

淮北矿业集团袁店二矿副井位于安徽省涡阳县境内，壁后充填施工于2008年5月12日开始，2008年5月21日完成充填，历时10天，共充填碎石1313.6m3、水泥2941t、混凝土7 m3，充填深度308.85m，。快速、高效、安全的完成了壁后充填任务。

11.1 近年来的应用实例列表见表11.1-1

表11.1-1 近年来的应用实例