许疃煤矿北风井冻结造孔工程施工组织设计.docx

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许疃煤矿北风井冻结造孔工程施工组织设计

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许疃煤矿北风井冻结造孔工程

施

工

组

织

设

计

中煤第三建设（集团）有限责任公司

钻井工程处

二0一三年九月二十二日

二工程概况-5-

1矿井概况-5-

2地质特征-5-

2.1地层-5-

2.2风氧化带-6-

3水文地质特征-6-

3.1含、隔水层（组、段）划分-6-

3.2地下水补给、径流、排泄条件及水力联系-8-

4钻孔工作量-8-

5主要技术要求-8-

5.1冻结孔质量控制要求-8-

5.2冻结钻孔设计-9-

三施工部署-10-

1施工供水、供电-10-

1.1供水-10-

1.2供电-10-

2大临工程-10-

3钻场平面布置-10-

四施工技术方案-11-

1设备机具选型-11-

1.1钻塔的选型-11-

1.2钻机的选型-11-

1.3泥浆泵选型-11-

1.4钻具选配-12-

1.5纠偏钻具-12-

1.6废浆排放系统-13-

1.7测斜仪器与定向仪器-13-

2钻场施工及泥浆系统-13-

2.1钻场基础-13-

2.2泥浆系统-13-

五施工技术措施-17-

1钻孔施工技术措施-17-

1.1开钻前准备-17-

1.2开孔-17-

1.3钻进-17-

1.4钻孔防斜、测斜与纠斜-18-

2造孔质量要求与保证措施-20-

2.1质量要求-20-

3下管措施-20-

3.1下管流程-20-

3.2试压-21-

4保证措施-21-

六拟投入的主要施工机械设备表-22-

七施工进度-23-

1组织建设-25-

2职工培训-25-

3施工管理组织机构-26-

4劳动力组织安排-27-

八施工总平面图-28-

九文明施工措施-28-

十冬、雨季施工措施-30-

十一临时供配电设计及安全用电措施-32-

1编制依据-32-

2供配电方式-32-

3主要负荷统计、计算-32-

4施工电源容量的选择-32-

5配电线路-34-

5.1低压配电线路-34-

5.2配电系统-35-

5.3配电柜的安装-35-

5.4接地装置-35-

6安全用电技术措施-35-

6.1接地与防雷-35-

6.2电气设备设置-35-

6.3漏电保护器设置-36-

6.4电气设备的安装-36-

6.5电气设备防护的控制措施-37-

6.6安全用电-37-

6.7防护措施-38-

一编制依据

⑴许疃煤矿北风井检查孔综合柱状图；

⑵中煤第三建设（集团）有限责任公司冻结工程处《曹家滩煤矿进、回风立井冻结造孔工程、许疃煤矿北风井冻结造孔工程、巴拉素矿井中央回风立井冻结造孔工程招标邀请函、招（议）标文件》；

⑶《煤矿井巷工程质量检验评定标准》（MT5009－94）；

⑷《煤矿井巷工程质量验收规范》（GB）；

⑸《煤矿井巷工程施工规范》（GB）；

⑹《煤矿井巷工程质量验收规范》（GB）等有关规程规范。

⑺《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ；

二工程概况

1矿井概况

许疃煤矿位于位于安徽省濉溪县与蒙城县的交界处，在许疃镇东南，行政区划属于蒙城县。

距宿州市西南约37km、距蒙城县东北约28km，交通较为便利。

2地质特征

2.1地层

北风井检查孔揭露地层自上而下有：

第四系、新近系、二叠系下石盒子组和山西组。

其中松散层底界为348.2m。

2.1.1第四系（Q）

该系厚度为92.30m，可分为，为全新统和更新统。

主要由灰黄色细砂、粘土质砂及粘土组成，砂层结构松散，连续性较好，含水性丰富；粘土具可塑性及粘结性，膨胀较性大。

表2-1检查孔地层统计一览表

地层

深度（m）

厚度（m）

第四、新近系（Q+N）

第四系（Q）

92.30

92.30

新近系（N）

348.20

255.90

二叠系（P）

下石盒子（P1x）

371.90

23.70

山西组（P1s）

481.40

109.50

石炭系（C）

太原组（C3t）

501.00

19.60

2.1.2新近系（N）

新近系，即上第三系，厚度为255.90m。

本段粘土厚度较大，上部粘土可塑性较好，膨胀性大。

2.1.3二叠系（P）

检查孔揭露二叠系段348.20～481.40m，厚度133.20m，,为二叠系下石盒子组下部及山西组地层。

岩性主要以浅灰色灰色细砂岩为主，其余为灰色、深灰色粉砂岩和浅灰色泥岩。

2.1.4石炭系（C）

检查孔底端未穿过三灰底板，所揭露的石炭系层段埋深为481.40～501.00m，总厚19.60m，均为石炭系太原组地层。

该系所揭露的岩层岩性主要浅灰色局部灰色灰岩为主，夹深灰色、灰色粉砂岩和泥岩及薄煤层。

2.2风氧化带

根据检查孔资料显示，钻探揭露松散层底界为348.2m，基岩段强风化带底界352.87m，厚度4.67米；弱风化带底界365.45m，厚度12.58米。

表2-2检查孔风氧化带深度一览表

强风氧化带

弱风氧化带

合计

底界深度（m）

垂厚（m）

底界深度（m）

垂厚（m）

352.87

4.67

365.45

12.58

17.25

3水文地质特征

3.1含、隔水层（组、段）划分

3.1.1新生界松散层含、隔水层（组、段）划分

检查孔穿过新生界松散层厚度为348.20m。

层自上而下可划分为四个含水层（组）和三个隔水层（组）。

表2-3新生界松散层含、隔水层（组、段）划分情况一览表

地层

底板深度（m）

厚度（m）

含、隔水层有效岩性

系

统

代号

含、隔水层名称

简称

厚度（m）

百分比（%）

第

四

系

（Q）

全新统

Q4

第一含水层（组）

一含

30.95

30.95

17.50

56.54

更新统

Q1～3

第一隔水层（组）

一隔

51.55

20.60

20.60

100

第二含水层（组）

二含

92.30

40.75

8.05

19.75

新

近

系

（N）

上新统

N2

第二隔水层（组）

二隔

106.40

14.10

14.10

100

第三含水层（组）

三含

190.00

83.60

47.15

56.40

中新统

N1

第三隔水层（组）

三隔

337.95

147.95

131.65

88.98

第四含水层（组）

四含

348.20

10.25

9.65

94.15

⑴第一含水层（组）

检查孔该含水层（组）底板埋深为30.95m，总厚30.95m，主要由灰黄色、浅黄色细砂、粘土质砂组成，下部发育，富水性中等～强。

⑵第一隔水层（组）

埋深30.95～51.55m，总厚20.60m，全层为粘土层，具可塑性及粘结性，膨胀较性大，隔水性能较好，能起到一定的隔水作用。

⑶第二含水层（组）

埋深51.55～92.30m，总厚40.75m，其中含水类砂层4层，总厚8.05m，占总厚度19.75%。

该含水层（组）含砂层4层，为该含水层（组）的主要含水域，富水性较强。

⑷第二隔水层（组）

埋深92.30～106.40m，总厚14.10m隔水类粘土层。

但当下部为较厚的砂层时，可将具有弱透水性，从而构成二、三含水层之间的越流补给。

⑸第三含水层（组）

埋深106.40～190.00m，总厚83.60m，其中含水类砂层占总厚度56.40%。

该含水层（组）分布稳定，砂层结构以块状为主，局部松散，富水性较强。

⑹第三隔水层（组）

埋深190.00～337.95m，总厚147.95m，该层（组）分布稳定，厚度大，粘土类质纯，致密，可塑性好，膨胀性大，隔水性良好，是区域及矿井内重要的隔水层（组）。

由于该隔水层（组）的存在，使其以上各含水层（地下水、地表水、大气降水）与其下的煤系水失去水力联系。

⑺第四含水层（组）

埋深337.95～348.20m，总厚10.25m。

渗透性较差，补给条件差，一般富水性较弱，与上覆第一、第二、第三含水层（组）则无直接水力联系。

3.1.2二叠系含、隔水层（段）

新主井和北风井二叠系含水层以储存量为主，岩层中泥岩、粉砂岩视为隔水层。

3.2地下水补给、径流、排泄条件及水力联系

3.2.1新生界松散层含水层（段）地下水

第一含水层（组）上部属潜水，下部属弱承压水。

第一、二、三含水层（组），以区域层间径流补给为主。

由于第三隔水层（组）的存在，使第一、第二、第三含水层（组）与第四含水层（组）及煤系水失去水力联系。

第四含水层（组）直接覆盖在煤系地层上，在自然条件下，水平径流条件差，区域补给微弱，处于滞缓状态，其补给量不大。

根据《许疃煤矿北风井检查孔地下水流向与流速测试报告》，许疃煤矿东风井130m以浅地下水流向为S41°E，流速为1.84md。

3.2.2二叠系煤系砂岩裂隙含水层（段）地下水

二叠系下石盒子组与山西组砂岩裂隙含水层（段）局部裂隙稍发育，渗透性弱，以储存为主。

垂向上各含水层（段）之间都有相应的隔水层，正常情况下无直接水力联系。

4钻孔工作量

北风井钻孔共计33239m，5台套钻机，钻井工程处承接其中2台钻机。

5主要技术要求

5.1冻结孔质量控制要求

⑴钻孔靶域半径：

防片帮孔≤0.5m，主排孔、辅助孔：

0~300m≤0.6m，300~410m≤0.7m。

⑵径向内偏值：

防片帮孔≤0.4m，主排孔、辅助孔≤0.5m。

⑶主排孔最大终孔间距：

0~200m≤1.9m，200~360m≤2.2m，360~410m≤3.2m。

5.2冻结钻孔设计

钻孔布置参数见表1

表2-4钻孔布置参数表

序号

项目名称

东风井

1

井筒净直径（m）

6.5

2

最大荒径（m）

10.356

3

表土层的厚度（m）

348.2

4

冻结深度（m）

410

5

主

排

孔

布置圈径（m）

19.5

开孔间距（m）

1.224

孔数（个）

2525

孔深（m）

360410

6

辅

助

孔

布置圈径（m）

15.2

开孔间距（m）

1.905

孔数（个）

25

孔深（m）

360

7

防

片

帮

孔

布置圈径（m）

11.8

开孔间距（m）

2.824

孔数（个）

13

孔深（m）

250

8

测温孔（m个）

2501、3601、4102

9

水文孔（m个）

231、941、1921

10

冻结孔工程量（m）

31500

11

钻孔总工程量（m）

33239

12

钻孔工期（d）

68

三施工部署

1施工供水、供电

1.1供水

甲方引水送至钻场。

1.2供电

风井井盘2台（套）钻机和泥浆泵的用电约为555KW。

其中：

TSJ—2000钻机：

2台×110KW台=220KW

TBW—85050型泥浆泵：

3台×90KW台=270KW

泥浆净化系统：

22KW+3KW=25KW

电焊机：

20KW

生活区：

20KW

2大临工程

打钻工程的临时建筑，考虑到打钻工期较短及用途的不同，要求布局合理，统一规划。

现场办公室、测斜房、配电室、仓库等均用活动板房。

3钻场平面布置

钻场布置原则以甲方要求为准。

具体布置时，钻场边缘距离泥浆池应留有足够长的回浆槽。

根据施工需要，在泥浆泵房后面围护好排放废浆的地方。

严禁乱排废浆，达到环保要求，保护施工现场整洁。

四施工技术方案

1设备机具选型

本工程选用以下设备

1.1钻塔的选型

钻塔是冻结孔施工的重要设备之一，对钻塔的要求是：

即要有足够的承载力，以承担钻具提升负荷，又要有足够的高度，以便缩短冻结管的下放时间。

在承载力方面，应不小于30t；在高度上，一般应满足下放单根冻结管18m的需要；经分析对比，该工程选择27m人字钻塔，其参数见表2-5。

TSJ型竖井钻机主机外形尺寸：

钻机平台长×宽：

5800×5200（mm）

高：

27000mm

1.2钻机的选型

用于冻结孔施工的钻机，要求具有提升功率大、转速高、大扭矩、速比宽的特点。

我们选用石家庄矿井机械厂生产的TSJ型。

TSJ型钻机的性能，完全满足该工程的施工需要，钻机参数见表4-1。

表4-1钻机参数表

名称

型号

钻进深度（m）

转盘直径（mm）

转盘转速（正反）（rmin）

提升能力（kn）

转盘扭矩（kn-m）

TSJ

1350

435

48、69、110、190

80

18

1.3泥浆泵选型

泥浆泵用于输送钻进过程的冲洗液，以保证在快速钻进条件下的孔底清洁，避免重复破碎。

在钻孔孔壁与钻具之间的环状间隙一定的情况下，要保证冲洗液具有高的上返流速，就必须提高泵量。

另外，泥浆泵作为井下动力钻具的动力源，也必须具有足够的流量和较高的压力。

综合考虑，所选用的泥浆必须满足冲洗液上返流速0.50m秒，经计算，上返流速达到0.5m秒时所需泵量为650Lmin，因随着钻孔深度加深和钻具加长，泥浆液在输送过程中会有一定量的泄漏，因此，泵量的取值应再乘以系数1.1，即：

715Lmin。

根据以上条件，风井拟选用TBW—85050型泥浆泵。

该型号的泥浆泵性能完全满足该工程的施工需要，其性能参数见表4-2。

表4-2泥浆泵参数表

技术参数

型号

公称流量（Lmin）

公称压力（Mpa）

配用动力（kw）

TBW—85050

850

5

90

1.4钻具选配

钻杆：

钻杆是将地面钻机的动力传给地下钻头的主要部件之一。

所用钻杆必须满足两项要求：

一是传递足够的扭矩，二是满足陀螺仪和陀螺定向仪测斜及定向的需要。

本工程采用采用美国休斯公司的φ89mm钻杆。

钻铤：

钻铤是实现孔底加压、预防孔斜，保证钻具工作的稳定和垂直的重要部件，以减少孔斜发生。

本工程拟选用φ165mm钻铤。

钻头：

新地层钻进选用MP型钢牙轮钻头，基岩钻进选用XMP型球齿钻头。

1.5纠偏钻具

为了满足冻结孔各深度段孔间距的要求，在冻结孔的施工中，必须要有有效的定向、纠偏手段，否则，冻结孔将无法保证质量。

因此，纠偏技术、纠偏机具显得尤为重要。

为提高纠偏效率，本工程选用邹城市东远石油机械有限公司生产的5LZ120螺杆钻具作为纠偏钻具，螺杆钻参数见表4-3。

表4-3螺杆钻具参数表

型号

马达流量（ls）

钻头转速（rmin）

输出扭矩（N.m）

输出功率（Kw）

马达压降（Mp）

5LZ120

16—30

95—180

3200

35—65

2.4

纠偏钻具配合：

108×108mm主动钻杆→φ89mm钻杆→稳定器→弯接头→螺杆钻具→φ190mm牙轮钻头。

1.6废浆排放系统

风井井盘布置一台TBW—85050型泥浆泵及一条排浆管路构成排浆系统。

1.7测斜仪器与定向仪器

根据冻结工程质量要求，本工程选用北京建井研究所生产的JDT—6A型陀螺测斜仪，定向仪选用陀螺定向仪。

陀螺测斜仪性能参数，见表4-4。

表4-4陀螺测斜仪参数表

型号

测量范围

精度误差

陀螺漂移

测量方式

静漂

动漂

JDT—6A

0～6º

≤±3'

12ºh

15ºh

连续测量

2钻场施工及泥浆系统

2.1钻场基础

为保证钻塔整体稳定性，扩大承截面积。

拟设计采用C30砼结构基础，整个钻场水平误差不超过±5mm。

砼下方的基础必须用三七土夯实压好，砼厚度为300mm。

2.2泥浆系统

2.2.1泥浆站

每个井筒均统一设立泥浆站。

泥浆池集中一起，池及沟均采用砖砌。

泥浆槽沟长度不少于50米。

由于每台钻机在同一时间内穿过的地层性质不同，因而对泥浆的要求也不相同，因此，每台钻机除新浆池、清水池、泥浆搅拌机共用外，应具有各自独立的泥浆系统，以免相互影响。

2.2.2泥浆选择

使用性能适宜的泥浆对于冻结孔的施工是至关重要的。

施工中它不仅起到携带岩粉和护壁作用，而且其性能变化会对钻进效率和钻孔偏斜产生较大的影响。

反映泥浆性能的最主要的指标有三个：

一是粘度，二是含砂量，三是失水量。

粘度过低，护壁效果差，易造成砂层坍塌；且会因大颗粒钻屑长时间携带不上来，在孔底累积，而造成孔斜和孔内事故。

粘度过高，会明显影响钻进效率。

泥浆中含砂量较高时，会加快泥浆泵有关部件的磨损，增加修泵时间，影响总体效率。

泥浆失水量过大时，会加剧膨胀层段的钻孔缩径现象，造成施工上的困难。

因而，施工中要采用优质低固相化学泥浆，且加强对泥浆性能的测试，一旦发现泥浆性能变差时，应立即进行调整，在基岩段的钻进过程中，要切实做好泥浆的管理工作，以确保施工安全和冻结管的顺利下放。

根据本地区地层，选用无公害的泥浆处理剂，调配不同性能的化学泥浆，保护好孔壁。

将根据初期施工找到适应本矿井的泥浆组合，达到安全、优质、高效的目的。

⑴PHP—HPAN泥浆

该泥浆具有粘度低、失水量小、流变性好和护壁能力强等特点，而且可有效地控制泥浆中的固相含量。

表4-5PHP-HPAN泥浆的配方与性能表

地层

泥浆配方（Kgm3）

泥浆性能指标

密度

粘度（s）

失水量ml30min

含砂量（%）

PH值

胶体率（%）

表土层

水+膨润土+Na2CO3+HPAN+PHP=1000+30+2+3（110浓度）+4~6（1%浓度）

1.02～1.04

18～20

≤10

<4

8～9

≥97

基岩

水+膨润土+Na2CO3+HPAN+PHP=1000+50+3+5（10%浓度）+5~10（1%浓度）

1.03～1.05

20～23

≤10

<4

8～9

≥98

注：

使用螺杆钻具钻进施工时，泥浆含砂量应≤1%。

⑵C-PAN-KHm泥浆

这是由聚丙烯腈钙盐与腐植酸钾相配合组成的泥浆，有一定的抗钙污染能力，具有泥浆性能稳定、失水量小、流变性好的特点。

表4-6C-PAN-KHm泥浆的配方与性能表

泥浆配方（Kgm3）

泥浆性能指标

密度

粘度（s）

失水量ml30min

含砂量（%）

PH值

胶体率（%）

水+膨润土+Na2CO3+C-PAN+KHm=1000+60+3.6+1+1

1.03～1.04

20～23

≤12

≤4

8～9

≥98

（3）泥浆材料

使用的各种泥浆材料均要求有产品合格证书或出厂检验报告。

膨润土：

200目、造浆率≥12m3T；

HPAN（聚丙烯腈）：

粉剂，分子量10~20万。

作用增粘、降失水；

C-PAN（聚丙烯腈钙盐）：

粉剂，降失水剂，抗盐能力强；

PHP（水解聚丙烯酰胺）：

粉剂，分子量300~500万，水解度30%，选择性絮凝剂；

KHm（腐植酸钾）：

粉剂，防塌剂，抑制泥、页岩的水化膨胀；

Na2CO3（纯碱）：

粉状，对粘土进行改型，调节泥浆PH值。

⑷泥浆配制程序

将HPAN、PHP分别按10%和1%在各自的容器内浸泡、搅拌溶解后待用。

配制泥浆可用水力喷射搅拌法和机械搅拌法。

配制程序：

先在泥浆池中放入清水，按比例加入纯碱，然后徐徐加入膨润土粉，搅拌均匀进行预水化，配成原浆。

使用时再分别加入稀释好的HPAN（或C-PAN）搅拌15分钟，加入稀释好的PHP（或KHm）再搅拌15分钟，搅拌均匀后，进行性能测试，符合使用要求后，再放入泥浆池内施工使用。

（5）泥浆管理

泥浆的净化

泥浆循环系统中，循环槽断面尺寸高500mm，宽400mm，长度≥50米，坡度在1100左右，及时清除沉淀池中的泥砂等杂物。

泥浆的日常维护管理

①钻机现场配备泥浆测定仪器。

主要有粘度计、比重计、失水量测定仪、含砂量测筒、PH值试纸等。

②项目部现场设泥浆管理技术人员，指导、检查、管理各钻机的泥浆使用。

各钻机由机长负责，班长配合调泥浆和管理，做到勤测定指标并记录在原始班报上。

③正常情况下，每班测定泥浆指标。

根据钻进地层情况，合理调整泥浆性能。

④起下钻时要常清理循环槽内的沉砂。

保持循环槽周围清洁卫生、场地平坦，泥浆池内无杂物。

⑤发现泥浆性能有突然变化时，要分析、查找原因，制订处理方案。

⑥现场应备锯末、棉籽壳等堵漏材料，钻进中如孔内发生漏失，应尽快制订堵漏措施。

废泥浆处理

为了加强环保意识，最大限度的减少污染，废泥浆集中排入指定的废浆池中。

五施工技术措施

1钻孔施工技术措施

1.1开钻前准备

1.1.1开钻准备工作很多，其中主要有设备的安装及检验、技术交底及复核、设备检修和维护、各种钻具及材料的准备等。

1.1.2开钻前要对钻机认真找正，安装稳固、校正，使转盘中心、钻孔中心和游动滑车提升中心重合，确保开孔垂直度。

开孔前要制备一定数量的优质泥浆。

1.1.3开钻前，项目部应组织有关人员对钻探设备、材料、砼基础、滑动底盘、钻塔安装、电气设备安装、泥浆池、钻场安全设施与防护以及钻具的质量、数量进行验收，验收完毕后方可开工。

1.2开孔

开孔是保证钻孔垂直度的关健。

为确保开孔的垂直度，开孔钻进过程中应以轻压、慢转、大泵量为宜。

一般控制在转速48～69rmin，钻压500kg，泵量500～800Lmin左右。

1.3钻进

1.3.1钻孔结构的选择

按冻结方提供的冻结管规格要求，依据管径大小和我队近年冻结孔的施工经验，选择孔径为φ190mm一钻到底的方式。

以保证顺利下放冻结管材和水文孔、测温孔管材。

1.3.2钻进参数的采用

采用合理的钻进参数不仅能保持钻进的高效率，而且能效地减少钻孔偏斜。

在该工程施工中，我们将采用表5-1中的钻进参数。

表5-1钻进参数表

岩性

钻头类型

钻头直径（mm）

钻压（KN）

转速（rmin）

泵量（Lmin）

软、中软

粘土、砂

MP

190

35～44

69～110

600～850

中

泥岩、粉砂岩、砂岩

XMP4

190

40～50

48～69

600～850

钻进中要精心操作，根据进尺速度和钻孔柱状图准确判层，换层钻进时要合理使用压力，软变硬时，降低钻压，待钻进0.5m后再恢复到该地层应使用的正常压力；当硬变软时，适当减小压力，降低转速。

钻进时给压均匀。

并根据地层情况合理掌握钻压、转速和泵量。

砂层中转速快给进，粘土层中转速慢给进，防止快进时泥包钻头；基岩应高钻压低转速。

控制孔底钻压为钻铤在孔内总重量的75—80%，采用悬吊钻进。

下钻接近孔底时，要慢放