摘要：国投新集能源股份有限公司杨村煤矿地质条件复杂，下第三系红层埋藏较深，风化带既深且长，地层裂隙发育，钻进难度很大，自2008年11份开工至今已完成冻结造孔工程量的90%，期间共发生大小孔内事故十余起，本文通过对这些事故的分析及总结，采取有效的预防措施，为今后工程施工提供保障，确保工程质量。
关键词:冻结造孔工程；孔内事故；事故处理
0前言
国投新集能源股份有限公司杨村煤矿位于安徽省淮南市凤台县境内，井筒位于矿井工业广场内，该矿设计生产能力为500万吨/年，立井开拓。副井井筒净直径7.5米、深度1001.9米，设计冻结深度725米终止在砂质泥岩中，因地质条件复杂采用普通法施工难以通过，为加快矿井建设速度，采用冻结法施工。
1工程水文地质概况
杨村煤矿位于淮南煤田的西部，淮南复向斜中的次级褶曲陈桥背斜的南翼西段,总体为一不完整向斜构造,南翼被F1断层切断。该矿井地质条件较为复杂，表土层深厚，副井为536.65米，主要为砂层，含有4组流砂含水层，煤系地层砂岩裂隙水是矿井直接水源，区内砂岩裂隙发育，富水性较强。副井地层结构表见表1-1、1-2：
表1-1 杨村矿副井地层结构表
| 地层 单位 | 层序 号 | 累深 (ｍ) | 层厚 (ｍ) | 岩石 名称 |
|
地层 单位 | 层序 号 | 累深 (ｍ) | 层厚 (ｍ) | 岩石 名称 |
| 第 四 系 Q
|
1 | 10.00 | 10.00 | 覆盖土 | 第 四 系 Q | 40 | 302.40 | 4.90 | 粉砂 | |
| 2 | 15.58 | 5.58 | 细砂 | 41 | 308.40 | 6.00 | 细砂 | |||
| 3 | 18.30 | 2.72 |
砂质粘土
|
42 | 309.35 | 0.95 | 砂质粘土 | |||
| 4 | 20.20 | 1.90 | 细砂 | 43 | 320.00 | 10.65 | 细砂 | |||
| 5 | 32.80 | 12.60 | 中砂 | 44 | 325.45 | 5.45 | 砂质粘土 | |||
| 6 | 43.20 | 10.40 | 砂质粘土 | 45 | 327.30 | 1.85 | 粉砂 | |||
| 7 | 47.55 | 4.35 | 细砂 | 46 | 334.80 | 7.50 | 砂质粘土 | |||
| 8 | 59.10 | 11.55 | 砂质粘土 | 47 | 340.95 | 6.15 | 粉砂 | |||
| 9 | 65.00 | 5.90 |
粗砂
|
48 | 351.40 | 10.45 | 砂质粘土 | |||
| 10 | 67.60 | 2.60 | 粉砂 | 49 | 356.10 | 4.70 | 粉砂 | |||
| 11 | 72.65 | 5.05 | 细 砂 | 50 | 357.85 | 1.75 | 砂质粘土 | |||
| 12 | 81.55 | 8.90 | 砂质粘土 | 51 | 362.65 | 4.80 | 细砂 | |||
| 13 | 85.30 | 3.75 | 中 砂 | 52 | 363.45 | 0.80 | 粘土 | |||
| 14 | 96.85 | 11.55 |
砂质粘土
|
53 | 373.75 | 10.30 | 细砂 | |||
| 15 | 110.05 | 13.20 | 中 砂 | 54 | 375.75 | 2.00 | 粘土 | |||
| 16 | 110.65 | 0.60 | 砂质粘土 | 55 | 378.20 | 2.45 | 粉砂 | |||
| 17 | 121.50 | 10.85 |
中 砂
|
56 | 398.90 | 20.70 | 砂质粘土 | |||
| 18 | 136.35 | 14.85 |
粉砂
|
57 | 402.75 | 3.85 | 细砂 | |||
| 19 | 137.85 | 1.50 | 砂质粘土 | 58 | 407.30 | 4.55 | 粉砂 | |||
| 20 | 147.95 | 10.10 |
细砂
|
59 | 445.35 | 38.05 | 砂质粘土 | |||
| 21 | 149.55 | 1.60 |
砂质粘土
|
60 | 453.75 | 8.40 | 细砂 | |||
| 22 | 153.80 | 4.25 |
粉砂
|
61 | 454.65 | 0.90 | 砂质粘土 | |||
| 23 | 157.40 | 3.60 | 砂质粘土 | 62 | 495.55 | 40.90 | 细砂 | |||
| 24 | 179.20 | 21.80 |
细砂
|
63 | 496.90 | 1.35 | 粘土 | |||
| 25 | 179.95 | 0.75 | 粘土 | 64 | 514.80 | 17.90 | 细砂 | |||
| 26 | 199.80 | 19.85 | 细砂 | 65 | 515.75 | 0.95 | 砂质粘土 | |||
| 27 | 202.25 | 2.45 | 砂质粘土 | 66 | 523.05 | 7.30 | 细砂 | |||
| 28 | 217.50 | 15.25 | 细砂 | 67 | 530.55 | 7.50 | 砾石 | |||
| 29 | 219.70 | 2.20 | 砂质粘土 | 68 | 532.45 | 1.90 | 砂质粘土 | |||
| 30 | 232.35 | 12.65 | 细砂 | 69 | 536.65 | 4.20 | 细砂 | |||
| 31 | 238.85 | 6.50 | 砂质粘土 | 第 三 系 N | 70 | 539.20 | 2.55 |
砂质泥岩
|
||
| 32 | 245.80 | 6.95 | 粉砂 | 71 | 550.25 | 11.05 | 细砂岩 | |||
| 33 | 248.20 | 2.40 | 砂质粘土 | 72 | 551.75 | 1.50 | 砂质泥岩 | |||
| 34 | 264.35 | 16.15 | 粉砂 | 73 | 553.20 | 1.45 | 细砂岩 | |||
| 35 | 273.20 | 8.85 | 砂质粘土 | 74 | 553.85 | 0.65 | 砂质泥岩 | |||
| 36 | 285.05 | 11.85 | 细 砂 | 75 | 556.90 | 3.05 |
细砂岩
|
|||
| 37 | 286.75 | 1.70 | 砂质粘土 | 76 | 557.95 | 1.05 | 砂质泥岩 | |||
| 38 | 293.95 | 7.20 | 粉 砂 | 77 | 568.70 | 10.75 | 细砂岩 | |||
| 39 | 297.50 | 3.55 | 砂质粘土 | 78 | 570.55 | 1.85 | 砂质泥岩 |
续表1-2 杨村矿副井地层结构表
| 地层 单位 | 层序 号 | 累深 (ｍ) | 层厚 (ｍ) | 岩石 名称 |
|
地层 单位 | 层序 号 | 累深 (ｍ) | 层厚 (ｍ) | 岩石 名称 |
| 第 三 系
N
|
79 | 592.70 | 22.15 | 细砂岩 | 92 | 670.00 | 2.50 |
细砂岩
|
||
| 80 | 604.00 | 11.30 | 砂质泥岩 | 93 | 671.00 | 1.00 | 泥岩 | |||
| 81 | 614.30 | 10.30 |
细砂岩
|
94 | 674.80 | 3.80 | 细砂岩 | |||
| 82 | 615.35 | 1.05 | 砂质泥岩 | 95 | 681.05 | 6.25 | 细砂岩 | |||
| 83 | 616.20 | 0.85 | 细砂岩 | 二 叠 系 P | 96 | 682.40 | 1.35 |
泥岩
|
||
| 84 | 628.05 | 11.85 | 粉砂岩 | 97 | 685.45 | 3.05 | 粉砂岩 | |||
| 85 | 629.40 | 1.35 | 砂质泥岩 | 98 | 702.85 | 17.40 | 砂质泥岩 | |||
| 86 | 640.65 | 11.25 |
细砂岩
|
99 | 712.45 | 9.60 | 细砂岩 | |||
| 87 | 641.70 | 1.05 | 泥岩 | 100 | 714.05 | 1.60 | 砂质泥岩 | |||
| 88 | 649.15 | 7.45 | 细砂岩 | 101 | 715.25 | 1.20 | 细砂岩 | |||
| 89 | 651.25 | 2.10 |
砂质泥岩
|
102 | 718.40 | 3.15 | 砂质泥岩 | |||
| 90 | 661.25 | 10.00 |
细砂岩
|
103 | 721.45 | 3.05 | 细砂岩 | |||
| 91 | 667.50 | 6.25 | 砂质泥岩 | 104 | 732.10 | 10.65 | 砂质泥岩 |
2地质不良因素分析
从工程地质资料中了解副井基岩段下第三系红层和二叠系中各存在工程地质不良的层段：
l 下第三系红层的工程地质不良层段
副井基岩段中下第三系红层的厚度为144.60m，由细砂岩、含砾砂岩和砂质泥岩互层构成。其中，细砂岩的累计厚度达100.35m，占总厚度的73.7%；含砾砂岩的累计厚度为25.05m，占总厚度的17.3%；砂质泥岩的累计厚度仅为12.75m。
536.65～641.70深度段,该段厚度为105.15m，主要由细砂岩和含砾砂岩组成，这二种岩性层占总厚度的96%。从总体上看，该段基本上属于散体－碎裂结构岩体，岩芯RQD的加权平均值仅为16%左右，而且岩石的抗压强度值比较低，砂岩的加权平均抗压强度仅为25Mpa左右，因此该段属于工程地质性质不良的岩体，事故多发生在此段范围内。在该段中工程地质性质较好的岩层只有埋深为604.00m、厚度为10.30m的细砂岩层。该层的岩芯采取率为100%，RQD值为30%，抗压强度达37.7Mpa，基本上可定为中等稳定的岩体。
l 二叠系地层的工程地质不良层段
副井检查孔揭露二叠系地层的厚度为419.09m。在检查孔揭露二叠系岩层中。砂质泥岩和泥岩的累计厚度占总厚度的63.4%，中、细砂岩占24.6%，粉砂岩和粗砂岩之和仅占12%。
681.05～774.85m深度段，该段厚度为93.80m，由砂质泥岩、细砂岩、中砂岩、泥岩和粗砂岩组成，各岩性层累计厚度占层段总厚度的百分比分别为41.25%、20.25%、18.05%、11.55%和8.90%。从总体上看，该段岩体基本上属于层状碎裂结构，但其中的细砂岩和中砂岩层属于碎裂结构，RQD加权平均值仅为22%左右。除了粗砂岩层外，该段中各岩性层的强度都比较低，单轴抗压强度的加权平均值仅为16.5Mpa～22.7Mpa。因此从总体角度应将该层段划定为工程地质性质不良的岩体。在该段中工程地质性质较好的岩体只有位于732.10深度、厚度为8.30m的粗砂岩层及其下伏的、厚度为4.35的细砂岩层，前者的RQD和抗压强度值分别为50%和61.7Mpa，后者的RQD和抗压强度值分别为90%35.8Mpa。
3施工中的难点
（1）基岩段强风化带埋深685.45m较深，在淮南地区少见，且风化带岩性裂隙发育、多破碎，水蚀淋滤现象明显。
（2）岩层大多岩芯破碎、节理、裂隙滑面发育，挤压揉皱明显，极有可能是小构造的表现。
（3）井筒基岩整体抗压强度不高，经常出现孔壁掉快、泥浆难以护壁等情况给钻进带来困难。
4施工过程中出现的孔内事故（见表4-1）
表4-1钻孔孔内事故明细表：
|
事故编号
|
事故 孔号 |
事故发
生日期 |
事故表现形式 | 事故主要原因 |
事故所处深度(m)
|
| 1 | Z35 |
09.4.6
|
脱扣、卡钻
|
钻具打捞时间过长，红层吸水导致泥浆性能破坏
|
480 |
| 2 | Z35 |
09.5.3
|
卡钻
|
泥浆性能较差，且处于砾岩层，容易塌孔掉快
|
585 |
| 3 | Z16 |
09.7.16
|
钻孔偏斜过大
|
临孔已成孔地层结构产生变化，致使钻孔向软弱地层偏斜
|
636 |
| 4 | Z12 |
09.8.1
|
卡钻
|
岩层岩性较差，钻孔难以护壁
|
590 |
| 5 | Z51 |
09.8.5
|
卡钻
|
前期施工造成地层破坏变软，修钻机钻杆停留一处时间较长
|
490 |
| 6 | W38 |
09.8.9
|
脱扣
|
前期施工造成地层破坏，钻孔泥浆难以护壁、部分钻具存在老化现象
|
611 |
| 7 | W49 |
09.8.19
|
钻孔偏斜过大
与临孔串通
|
W50孔施工完成后长时间未下管使其裸露，无法保持地层平衡
|
641 |
| 8 | Z47 |
09.9.9
|
钻孔偏斜过大
|
地质结构特殊复杂，给钻孔防斜纠偏带来困难
|
675 |
| 9 | Z35 |
09.9.14
|
憋车、脱扣、跑钻
|
前期的多次施工使地层结构遭到破坏
|
647 |
| 10 | W33 |
09.9,16
|
钻孔偏斜过大
|
开孔定位不到位、W32孔已成孔地层结构遭破坏
|
507 |
| 11 | Z8 |
09.10.23
|
钻孔偏斜过大
|
两边临孔均已成孔，地层结构遭到破坏
|
470 |
4.1钻进事故
由于地质结构复杂多变，钻进过程中孔内不断出现事故，表现为孔壁掉块、多次出现卡钻、埋钻、脱扣情况。
4.2偏斜事故
从表4-1中可以看出事故多发生在下第三系红层中的不良层段，且由于多数孔相邻孔均已施工完毕，造成地层结构的破坏，地层强度变低、变软，致使钻孔局部向软弱地层偏斜使得钻孔偏值、偏斜方向极难控制，给钻孔防斜纠偏带来极大困难。
5施工预防措施
根据以上工程地质不良因素及施工难点和在工程中遇到的实际问题，在冻结造孔施工中采取以下措施：
（1）在施工新孔时严格按设计孔位开孔施工，开孔孔位与设计孔位偏差不得超过30 mm，必须保证天轮中心、转盘中心、孔位中心三点一线，并垫实钻机底盘，保证钻机稳固，立轴平稳转动不晃动，从源头保证开孔质量，避免因上述原因造成钻孔偏斜过大，如事故10。
（2）严格控制钻孔偏斜率及钻孔间距，使其符合规范和设计要求。根据工程地层地质情况及临孔施工情况，合理选择测斜频率，加密测斜；在地层结构复杂、岩性不好和临孔已完孔的地层钻进时应选择合理的钻进参数、钻速、钻压及冲洗量也即是轻压慢钻。为检查钻孔偏斜情况及时绘制钻孔实际偏斜方位图，从中了解其偏斜轨迹及走势以指导下一步施工，如事故3、7、8、9、10、11。
（3）在冻结造孔施工中，设置专门泥浆液负责人，将泥浆液比重、含砂率、失水率、胶体率等控制在设计合理范围内，每二小时对钻孔泥浆液性能进行测定，发现问题及时调整，密切注意钻机的施工情况，根据冲积层和基岩段的地层特点调整泥浆指标来保证钻孔护壁效果，防止钻孔坍塌，造成埋钻、卡钻事故，如事故1、2、4、6。
（4）遇到提钻过程中钻机或泥浆泵需维修时，应及时开泵进行泥浆循环，若时间较长隔一段时间用其他钻机提拉钻具使其活动一下，或将钻具拉入套管内。反丝钻具、公锥、母锥等事故处理工具一应俱全，备足解卡器，做好卡钻、埋钻等事故处理的准备，并做好钻机、钻具的维护工作，严禁使用老化的钻具钻进，如事故1、5、6.。
6结束语
引起冻结孔钻进过程中产生孔内事故的因素很多，从以上分析可以看出工程地质条件的复杂以及临孔施工后对地层结构的影响是主要原因，通过对这些事故的处理使我们更全面地掌握了引起事故的各种因素，我们除采取相应的防范措施外，还应提高警惕、加强施工管理力度，为后续工程顺利施工提供有效保障，避免出现类似工程质量事故，以此来加快工程进度，降低工程材料的消耗。