反井钻机施工大直径风井工程结构稳定性评价方法研究

杨木林，程守业，宋亚新，高 峰，王永峰，谷群涛

(1.神华包头能源有限责任公司 李家壕煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.煤炭科学研究总院 建井研究分院，北京 100013；3.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；4.煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京 100013)

在煤矿建设和生产过程中，井下、地面有大量的竖井建设需求，例如运输井、通风井、瓦斯管道井、煤仓、溜煤眼、联络通道、取水孔、泄水孔、管缆孔等[1]。由于施工条件的限制，或者从提高工作效率、降低成本的角度出发，往往优先选择反井钻井工艺进行施工[2]。反井工艺主要流程如下：首先，从上部巷道钻进一个小直径的导向孔与下部巷道相连，导孔贯通后，在下水平换装扩孔钻头，由下向上进行扩孔作业[3，4]。

在大量的煤矿竖井建设项目中，通风井具有直径大、深度深的特点，通风井是大直径反井钻井技术最普遍的应用方向之一，其工程数量占煤矿大直径反井工程总数量的绝大多数[5-7]。除井筒直径外，地层岩性是另一项影响反井扩孔过程井帮围岩稳定性的关键因素，尤其以软岩地层和破碎带的影响最为显著，在施工组织规划时必须予以重视[8-12]。

煤矿竖井的反井钻井施工过程中，大多数重大安全事故是由竖井结构的不稳定性引起的[13-16]。本文以李家壕煤矿回风暗立井工程作为大直径竖井井筒穿越不利地层的反井钻井应用典型案例，对反井钻井施工中可能导致竖井结构失稳的关键性科学问题进行分析讨论，提出了一种基于强度折减法的围岩失稳工程判断方法，并通过实际施工过程中的井帮围岩状态验证了该方法的有效性。

1 工程概况

李家壕煤矿位于鄂尔多斯市东胜区东南，地处鄂尔多斯黄土高原的东北部，一般海拔标高为1500～1430 m，井田范围内存在季节性沟谷，无常年地表径流。李家壕煤矿为低瓦斯矿井，平均地温梯度为2.25℃/100 m，属正常地温区，无高温异常，不影响井下采掘。水文地质类型为第二类第一型裂隙充水为主的简单型，矿井正常涌水量为120 m3/h，最大涌水量为180 m3/h。

李家壕煤矿井田内地层由老至新发育有6层：三叠系上统延长组(T3y)、侏罗系中下统延安组(J1-2y)、侏罗系中统(J2)、白垩系下统志丹群(K1zh)和第三系(N2)、第四系(Q)，总体为一向南西倾斜的单斜构造，地层产状平缓，倾向220°～260°，地层倾角小于5°。井田构造属简单类型，井田内未发现断层，亦无岩浆岩侵入。

李家壕煤矿回风暗立井工程采用反井钻井法施工，设计井筒长度77 m，直径6 m，井筒连接5-1煤层回风石门与3-1煤层回风石门，作为5-1煤层开采的回风通道。井筒井口位于3-1煤层临时车场联络巷，埋深220 m，海拔标高1189 m，井底落底于5-1煤层底板，如图1所示，埋深297 m，海拔标高1112 m。

图1 回风暗立井设计(mm)Fig.1 Design of concealed vertical shaft for air return

反井钻井施工前，对拟钻进区域施工井检孔，实施现场原位地质勘查，井筒穿越地层情况见表1。根据井检孔勘察资料，井筒段共计穿越8条岩层，其中多数岩层为软弱岩层，为第三类第二型层状岩类工程地质条件中等型岩层，工程地质条件较差。据井筒下水平5-1煤层开拓巷道现场反馈，位于暗立井下水平巷道的煤层顶底板泥岩岩层(即表1中“编号8”对应地层)具有遇水软化特性，与该地层岩性相同的砂质泥岩地层在拟建井筒中存在厚达21.5 m的穿越段(即表1中“编号6”对应地层)，目前尚无有效手段预判其稳定性。本文即针对该问题开展专项研究工作，以期提出大直径反井过程中的井帮局部失稳风险定量评价方法。

表1 井筒穿越地层情况Table 1 Situation of wellbore crossing strata

2 基于强度折减法的井帮稳定性评价方法

围岩的不稳定性是大直径立井发生结构失稳的主要影响因素之一[9]。在反井扩孔过程中，岩渣从掘进面不断掉落到竖井底部，不能为人员进入井筒支护围岩提供合适的工作条件[10]。大直径立井需要依靠围岩自身的自稳能力在几天到几十天的时间内保持竖井结构的稳定，为扩孔施工和后续支护作业的展开提供充足的时间窗口[11]。在此期间，井帮围岩完全暴露在外，并且会受到地面应力、淋水和风化的影响，导致井筒结构存在系统性失稳风险。本节将使用强度折减法来确定一种井筒结构稳定性的评价方法。针对李家壕煤矿回风暗立井工程真实地质条件，以埋深为400 m、直径为5 m条件下的竖井围岩状态作为极限自稳定状态的先验，通过有限差分强度折减得到该状态下围岩的安全系数k0，将其作为衡量围岩是否能够保持结构自稳的定量评价指标。

2.1 强度折减法

强度折减法主要是将岩体强度指数的内聚力c和内摩擦角φ同时除以折减系数k，以获得一组新的c′和φ′值，这些值将作为新的材料参数用于数值计算。当围岩刚好达到临界破坏状态时，对应的k值为围岩的稳定系数，其计算公式为：

c′=c/k

(1)

φ′=arctan(tan(φ/k))

(2)

为了避免数值的盲目性，首先根据岩体的实际强度参数进行数值模拟，然后根据观察到的围岩破坏均匀地增大或减小k，直到围岩变形为止。在该状态下围岩接近临界破坏，执行局部精细值以确保围岩安全系数的准确性。

2.2 回风暗立井反井施工模型

使用Abaqus建立有限元网格，网格类型为四节点四面体单元，并将网格导入到FLAC3D中进行开挖模拟，反井施工模型如图2所示。模型尺寸为50 m×50 m×100 m，反井钻井开挖区为直径5 m的圆柱体。模型的单元数为164970，节点数为88170。对开挖区围岩进行位移监测，如图3所示，共设置8对监测点，基于对称性，可仅分析一侧的位移变化情况。反井钻井区域为图3中A点与H点中间的圆柱形区域，按照井检孔地质分层资料被划分成11个区段，每个区段长6 m。

图2 反井施工模型Fig.2 Construction model of raise boring

图3 监测点分布Fig.3 Distribution of monitoring points

初始稳定状态的围岩物理力学指标依据《铁路隧道设计规范》按最不利围岩稳定的参数组合选取，其中强度参数和模量参数取最低值，重度和泊松比取最高值，故数值计算中Ⅰ级围岩密度ρ取2500 kg/m3，弹性模量E取33 GPa，泊松比μ取0.2，内摩擦角φ取60°，粘聚力c取2.1 MPa。数值模拟过程中，根据强度折减系数，逐渐降低初始状态围岩的c、φ值，以讨论。

2.3 数值模拟过程

数值模拟过程可分为5个步骤：

1)设置边界条件，模型四周设置沿边界面的法向位移约束，底部设置三个方向上的位移约束，进行初始地应力平衡。

2)地应力平衡后，在模型顶部边界上施加垂直于边界的压应力，大小为400×25000=10 MPa，用以模拟400 m埋深下的围岩应力状态。

3)将反井扩孔的起始点处的“巷道”区域的土体挖去，再次进行地应力平衡。

4)对反井扩孔开挖区段自下而上沿点A→点H的开挖顺序依次进行11次开挖。

5)控制围岩的其他参数不变，根据强度折减系数，改变c、φ值，重复上述4个步骤。

2.4 计算结果与分析

利用强度折减法的思想计算出不同折减系数下围岩的变形状态，并统计井壁关键点在各强度折减系数下的位移值。

在埋深为400 m、直径为5 m、Ⅰ级围岩条件下，开挖结束后强度折减系数与关键点位移(Y方向)的关系如图4所示。由图4可知，关键点位移基本呈现出同步增长的趋势，当强度折减系数k<2.5时位移值增长缓慢，表明围岩处于弹性变形阶段，当强度折减系数k>2.5时位移值迅速增长，说明部分围岩单元已进入无限发展的塑性流动阶段。

图4 围岩强度折减系数与关键点位移值关系Fig.4 Relationship between strength reduction coefficient of surrounding rock and key point displacement values

围岩塑性区发展情况如图5所示，分别取开挖48 m时，各强度折减系数下过B点的水平剖面进行对比。由图5可知，当强度折减系数k<2.75时，随着k增大，塑性区面积急剧增大；当强度折减系数k>2.75时，塑性区面积不随k的增大而增大，这是由于边界效应，模型选取的范围有限。当强度折减系数k<2.75时，塑性区的形状近似圆形；当强度折减系数k>2.75时，由于边界效应，导致塑性区形状类似“十”字形。

图5 围岩塑性区分布变化Fig.5 Variation of plastic zone distribution in the surrounding rock

使用颜色提取的方法，获得每个图形中的塑性区的面积，然后通过比例转换获得塑性区域的面积，如图6所示。当强度折减系数k小于2.5时，塑性区的面积近似线性增加。 当强度折减系数k大于2.5时，塑性区的面积随k的增加呈指数增加。

图6 围岩强度折减系数与塑性区面积变化关系Fig.6 Relationship between strength reduction coefficient of surrounding rock and development of plastic zone area

综上所述，可标定围岩的稳定系数k0为2.5，这意味着围岩的强度可以承受二次应力破坏并保持稳定。当围岩稳定系数大于k0时，围岩便可以稳定下来。小于k0时，应采取适当的支护措施与围岩共同承受二次应力破坏，否则存在井帮局部失稳风险。

3 配套处理措施

为预防空帮问题给井帮围岩稳定带来的潜在危害，需对围岩稳定性评价为“存在井帮围岩局部失稳垮落风险”的井筒段实施围岩封闭作业，提前控制破碎、开裂、小块掉落等井帮大面积空帮破坏。

为实现这一目的，提出了配套工程解决方案，对井帮实施随钻喷浆临时支护作业，即：在反井扩孔阶段，完成一个井段的扩刷后，暂停扩孔作业，利用钻机底座上的插板将反井钻杆和扩孔钻头固定。在空心的反井钻杆内下放多层钻杆，最下部为多层支护喷头，喷嘴随着钻杆做旋转和提升复合运动螺旋上升。利用高压设备以一定的压力把支护浆液迅速喷射至井帮围岩面。浆液迅速固化，进而形成支护体，以改善井壁围岩条件，起到止水与封闭围岩的作用。待扩孔作业完成后，人员经吊盘进入井筒，实施挂网锚喷等永久支护施工。

临时随钻支护工艺可在井筒开挖后快速形成薄壁衬砌结构，控制空帮破坏先兆，提高井帮围岩的临时自稳能力，为扩孔作业的顺利完成提供了时间窗口，有效解决了实际反井工程的核心需求。

4 工程验证

结合工程实际，李家壕煤矿回风暗立井穿越一段厚达21.5 m的砂质泥岩地层，且该泥岩具有显著的遇水软化性。针对现场获取的泥岩试样，根据《岩石物理力学性质试验规程》(DZT 0276.20—2015)，开展了泥岩常规三轴压缩强度试验，根据试验数据，按照式(3)、式(4)确定了岩样内聚力。

式中，C为内聚力，MPa；φ为内摩擦角，(°)；m为试验测定强度包络线直线段斜率；b为试验测定强度包络线直线段在Y轴上的截距。

分别测定了砂质泥岩天然状态和遇水软化后的岩石力学参数：天然状态下泥岩内聚力为1.27 MPa，遇水软化后的泥岩内聚力为0.47 MPa，按此计算，天然状态下强度折减系数k为1.65，低于稳定系数k0，井帮可保持稳定，而遇水软化后强度折减系数k升高至4.46，显著高于稳定系数k0，该段井帮围岩存在失稳风险。基于此，判定大直径反井钻机扩孔穿越该段地层时，若出现淋水、涌水现象，则存在井帮围岩局部失稳垮落风险。

研究团队持续跟进了李家壕煤矿回风暗立井反井钻井工程的完整施工过程。在调研中发现，当反井扩孔穿越具有遇水软化特性的砂质泥岩地层时，反井扩孔钻进过程中井筒内部出现明显的淋水、涌水现象，因此判定对该砂质泥岩地层井帮围岩的自稳能力具有显著削弱作用。根据前述提出的评估方法，预判井帮围岩将出现不同程度的破坏。由于反井扩孔阶段岩渣持续掉落，人员无法进入井筒，因此研究团队采用了位于井筒下水平巷道观察岩渣的方式，通过对岩渣的异常状态的观察来判断井筒内部是否出现了局部失稳现象。在持续观测中，主要发现以下异常状态：

1)反井扩孔钻进过程中，下水平出渣量显著增大。反井扩孔钻进时，布置在扩孔钻头体上的滚刀系统对破岩面进行滚压破岩，在钻压和转速保持稳定条件下，下水平出渣量应保持稳定。在调查中发现，井筒内部淋水条件下，反井扩孔在穿越具有遇水软化特性的砂质泥岩地层的过程中，下水平出渣量显著增大，超过其它地层出渣量的20%。增加的出渣量为井帮围岩发生失稳、破坏后掉落形成，该现象说明井帮围岩在发生局部失稳破坏。

2)下水平岩渣中出现大型岩块。反井钻井法采用镶齿滚刀对破岩面进行滚压破岩，刀齿多采用楔形齿或球形齿，其破岩过程形成的岩屑一般较为细密，以片状、粒状为主，直径一般不超过50 mm。在调查中发现，反井扩孔在穿越具有遇水软化特性的砂质泥岩地层时，下水平岩渣中出现直径超过300 mm的大型岩块，为井帮围岩遇水软化效应诱发局部崩塌所形成。反井扩孔过程中井帮围岩裸露，严重片帮将对井筒稳定性造成威胁，该现象进一步证实井帮围岩确实发生了局部失稳破坏。

在发现局部失稳异常后，即采用临时随钻支护工艺实施井帮围岩封闭旋喷作业。旋喷作业过程中，喷浆管转速为2 r/min，喷浆口至井帮围岩距离为1 m。

扩孔结束后，井帮支护作业自井口至井底由上而下进行，为研究团队对井筒破坏情况的实地勘察创造了有利条件。研究团队搭乘井帮支护吊盘进入井筒内部，对井帮围岩进行了细致的调查。调查发现，在穿越遇水软化特性的砂质泥岩地层井筒段，反井井帮出现了严重空帮。空帮形成于反井扩挖过程中，该地层井帮围岩受淋水影响发生遇水软化，诱发局部失稳，进而在井帮位置形成空洞。该发现明确证实了扩孔过程中软弱地层井筒段发生了局部失稳，验证了本文提出的基于强度折减法的井帮围岩稳定性评价方法的有效性。

实地调查经临时随钻支护工艺处理后的井筒段，发现井帮围岩封闭效果良好。临时衬砌层平均厚度达到3 cm，临时支护段未再次发现空帮破坏现象，证明了该处理措施的工程实用性。

5 结 论

以李家壕煤矿回风暗立井工程为案例，深入分析了煤矿井田采用反井钻井法施工大直径井筒时影响井筒结构稳定性的关键因素。对于围岩稳定问题，反井扩孔过程中围岩的自稳能力是保证井筒稳定的关键。本文采用强度折减法，提出了一种井帮围岩稳定性定量评价方法，通过数值模拟确定围岩极限自稳状态的强度折减系数k0，并以此作为围岩的稳定系数。当围岩稳定系数大于k0时，认为围岩能够保持自稳，当小于k0时，则存在局部失稳风险。为解决工程实际问题，提出了预防空帮失稳的工程处理措施，在扩孔阶段实施随钻临时支护作业，实现围岩的快速封闭。通过对实际工程反井扩孔过程的持续监测及后评估，验证了本文所提出井帮围岩稳定性定量评价方法及工程处理措施的有效性。