毛 玉 坤

(中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075)

1 鉆探技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

鉆探技術(shù)是一種常用的野外勘察手段，它通過(guò)機(jī)械設(shè)備自地表向下進(jìn)行鉆進(jìn)，采取巖土芯樣獲取地下實(shí)物資料，驗(yàn)證地下信息推斷與解釋?zhuān)罱K獲得可靠的地質(zhì)資料，為各類(lèi)工程設(shè)計(jì)提供真實(shí)、準(zhǔn)確的地質(zhì)參數(shù)。

鉆探技術(shù)的雛形可以追溯到秦代的鉆鑿鹽井、汲取鹵水、熬煮成鹽以供民食用的記載，據(jù)史書(shū)記載到了唐代，僅四川一地就有鹽井六百多口，明清時(shí)期更是得到了極大的發(fā)展，當(dāng)時(shí)多采用簡(jiǎn)便易行的沖擊鉆進(jìn)方法[1]?，F(xiàn)代我國(guó)采用的鉆探技術(shù)是由歐美發(fā)達(dá)國(guó)家傳入的。新中國(guó)成立以后我國(guó)致力于發(fā)展自有設(shè)備、不斷研究和提高鉆探工藝水平，雖說(shuō)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但比起國(guó)外先進(jìn)水平仍處于探索和發(fā)展之中。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)通過(guò)國(guó)家重大科學(xué)工程項(xiàng)目“中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程”5 158 m“科鉆一井”的實(shí)施，取得了一系列鉆探技術(shù)成果，形成了一整套新型的、具有國(guó)際先進(jìn)水平的硬巖深井科學(xué)鉆探技術(shù)體系，包括硬巖深井取芯鉆進(jìn)技術(shù)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)技術(shù)、泥漿技術(shù)和井斜控制技術(shù)[2]。

2 煤礦采空區(qū)治理施工中常用的鉆探技術(shù)

眾所周知，我國(guó)是世界上煤炭資源儲(chǔ)量第三大國(guó)，也是世界上煤炭開(kāi)采量和出口量最多的國(guó)家。那么，如此大規(guī)模、長(zhǎng)期的開(kāi)采，勢(shì)必在地下形成煤礦采空區(qū)，從而誘發(fā)地表沉陷，產(chǎn)生連續(xù)或非連續(xù)性變形，并由此帶來(lái)一系列環(huán)境巖土工程問(wèn)題，如平地積水、道路裂縫、房屋倒塌、耕地減少、農(nóng)田減產(chǎn)等，給礦區(qū)工程建設(shè)造成極大隱患。為了確保工程建設(shè)安全，一般在采空段應(yīng)采用鉆孔注漿、礫料充填等手段予以處治[3]。鉆孔注漿的前提條件就是鉆探成孔，通過(guò)對(duì)以往的煤礦采空區(qū)治理工程施工工藝總結(jié)，施工中常用的鉆探手段及方法主要有：沖擊鉆探、回轉(zhuǎn)鉆探以及沖擊回轉(zhuǎn)相結(jié)合的鉆探方法等。

2.1 沖擊鉆探方法

沖擊鉆進(jìn)是利用沖擊錐運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能產(chǎn)生沖擊作用，破碎巖層實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的一種鉆探方法。其工作原理：一般利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)或卷?yè)P(yáng)機(jī)提升懸吊在鋼絲繩下端的鉆具至一定高度，然后在重力作用下下落，對(duì)井底產(chǎn)生沖擊破碎巖石。鉆進(jìn)效率決定于鉆具重量、沖程和沖次。沖擊鉆進(jìn)一般分為：手動(dòng)沖擊鉆進(jìn)和機(jī)械沖擊鉆進(jìn)兩種，其中機(jī)械沖擊鉆進(jìn)可進(jìn)一步分為：液動(dòng)和氣動(dòng)兩種。

2.2 回轉(zhuǎn)鉆探方法

回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)利用鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器或孔底動(dòng)力機(jī)具轉(zhuǎn)動(dòng)鉆頭來(lái)破碎孔底巖石的鉆進(jìn)方法。回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)的工作原理：地面動(dòng)力回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)器，帶動(dòng)穿過(guò)回轉(zhuǎn)器的主動(dòng)鉆桿以及與主動(dòng)鉆桿連接的鉆桿柱和孔底的鉆頭一起旋轉(zhuǎn)破碎巖石，巖屑隨循環(huán)的沖洗介質(zhì)返至地面?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)一般分為：手動(dòng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和機(jī)械回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)兩種。根據(jù)不同的鉆頭類(lèi)型，機(jī)械式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)又可分為：硬質(zhì)合金鉆進(jìn)、金剛石鉆進(jìn)和無(wú)芯鉆進(jìn)等。當(dāng)鉆頭呈環(huán)狀端面時(shí)，孔底中心未經(jīng)破碎的巖石圓柱(巖芯)隨著鉆頭的推進(jìn)而進(jìn)入巖芯管，根據(jù)孔內(nèi)巖芯管長(zhǎng)度計(jì)算鉆進(jìn)進(jìn)尺，通過(guò)投入卡料、提動(dòng)鉆具或其他取芯方法，將巖芯卡斷，從孔底提至地表，這種鉆進(jìn)方法和過(guò)程稱(chēng)巖芯鉆進(jìn)(硬質(zhì)合金鉆進(jìn)和金剛石鉆進(jìn))；當(dāng)鉆頭以全部圓形底面破碎孔底巖石時(shí)，孔內(nèi)無(wú)巖芯，稱(chēng)為全面鉆進(jìn)(無(wú)芯鉆進(jìn))。

2.3 沖擊回轉(zhuǎn)鉆探方法

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)利用專(zhuān)門(mén)的沖擊器和鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器共同驅(qū)動(dòng)鉆頭破碎孔底巖石的鉆進(jìn)方法。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的工作原理：采用的鉆具是在一般回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆具的巖心管或鉆頭之上連接一個(gè)沖擊器，鉆進(jìn)過(guò)程中地表鉆機(jī)通過(guò)鉆桿柱帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)并作用于鉆頭一定的軸向壓力，同時(shí)鉆進(jìn)用的水泵(或空氣壓縮機(jī))經(jīng)地表管路系統(tǒng)和鉆桿柱內(nèi)孔將高壓液流(或壓縮空氣)送入沖擊器，使其工作，向鉆頭施加一定頻率的沖擊動(dòng)載，孔底巖石在沖擊和回轉(zhuǎn)聯(lián)合作用下被破碎。從沖擊器中排出的液體(或空氣)經(jīng)鉆頭到達(dá)孔底后向地表返回，并攜帶出巖粉，鉆孔不斷加深。因?yàn)榭椎讕r石是受軸向靜壓力、縱向沖擊動(dòng)載和回轉(zhuǎn)切削的共同作用，故破碎效率高。沖擊器是沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的關(guān)鍵器具，其結(jié)構(gòu)性能影響沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的特性與效果。本項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)多采用氣動(dòng)式?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，常稱(chēng)潛孔錘鉆進(jìn)。

上述各種鉆探技術(shù)的發(fā)展演變及對(duì)于采空區(qū)治理施工的適用性，歸納總結(jié)于表1。

表1 各類(lèi)鉆探技術(shù)在煤礦采空區(qū)治理施工中的適用性表

3 不同鉆進(jìn)技術(shù)在工程實(shí)例中的應(yīng)用與評(píng)價(jià)

3.1 工程實(shí)例簡(jiǎn)介

烏魯木齊繞城高速公路(東線)工程是國(guó)家高速公路網(wǎng)重要組成部分，同時(shí)也是新疆2010年—2020年公路網(wǎng)規(guī)劃提出的“三橫兩縱兩環(huán)八通道”網(wǎng)絡(luò)中“環(huán)一”的重要組成部分，它的建成可以極大改善烏魯木齊現(xiàn)有交通和環(huán)境質(zhì)量。項(xiàng)目全線采用雙向六車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬度33.5 m[4]。在路線途徑之處存在多處煤礦采空區(qū)，且所經(jīng)煤礦采空區(qū)基本為急傾斜煤層(傾角大于55°)采空區(qū)，擬建線路從煤礦預(yù)留安全煤柱上通過(guò)，仍有大部分處于采空移動(dòng)區(qū)和變形區(qū)，需要通過(guò)鉆孔注漿加固的方法對(duì)路基及其兩側(cè)有影響的區(qū)域進(jìn)行加固治理。在本項(xiàng)目采空區(qū)治理施工過(guò)程中，采用的主要鉆探工藝為：回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)和沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)兩種。

以本項(xiàng)目采空區(qū)治理工程DCKQ-2標(biāo)段為例，該標(biāo)段采空區(qū)治理樁號(hào)K21+220～K21+880，長(zhǎng)度660 m。設(shè)計(jì)主要工作量如下：設(shè)計(jì)鉆孔1 039孔，總進(jìn)尺79 428 m，水泥粉煤灰漿液注漿量97 538 m3，注漿預(yù)填砂礫骨料4 238 m3，采煤井洞砂礫土回填9 500 m3，鋼筋混凝土地梁格柵長(zhǎng)度660 m。

3.2 不同鉆探工藝在施工中的適用性及其優(yōu)缺點(diǎn)

筆者有幸參與了烏魯木齊繞城高速公路(東線)工程采空區(qū)治理項(xiàng)目的施工，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，選取地質(zhì)條件類(lèi)似的Z65-8孔和Z66-5孔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)沖擊回轉(zhuǎn)式和回轉(zhuǎn)式試驗(yàn)比較，鉆孔孔深為50 m，擬從上述兩種鉆進(jìn)方式的工作效率、能耗、地層適應(yīng)性及注漿適用性幾個(gè)方面進(jìn)行比較。

1)工作效率。

由于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和沖擊式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的施工工藝不同，回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)采用清水循環(huán)液，將底部巖粉返出孔口，該方式鉆進(jìn)速度慢、效率低、鉆頭損耗較大；沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命長(zhǎng)、有利于預(yù)防鉆孔偏斜。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在完成相同50 m深鉆孔時(shí)，Z66-5孔采用回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)的機(jī)械(XY-4型地質(zhì)鉆機(jī))鉆孔成孔時(shí)間約為8 h，而Z65-8孔采用沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)的機(jī)械(150B潛孔錘)鉆孔成孔時(shí)間約為1 h，從而可以看出沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)較回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)的工作效率高。

2)油耗。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在完成相同50 m鉆孔時(shí)，Z66-5孔采用回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)的機(jī)械(XY-4型地質(zhì)鉆機(jī))鉆孔成孔油耗約40 L，而Z65-8孔采用沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)的機(jī)械(150B潛孔錘)鉆孔成孔油耗約60 L，從而可以看出沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)較回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)的油耗高。

3)地層適用性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)對(duì)地層的適用性高，對(duì)于上部第四系、基巖、冒落帶及采煤空洞都可以鉆進(jìn)；相反，沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)主要靠從沖擊器中排出的空氣經(jīng)鉆頭到達(dá)孔底后向地表返回，并攜帶出巖粉，使得鉆孔不斷加深，如遇基巖破碎或采煤空洞時(shí)鉆進(jìn)過(guò)程中孔底漏風(fēng)，使得巖粉無(wú)法返出地面，鉆進(jìn)速度將明顯變緩，效率明顯降低。因此，沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)在采空區(qū)鉆孔施工中具有較明顯的局限性。

4)注漿適用性。

回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)采用清水作為清洗液，循環(huán)返漿的工藝，將研磨的巖粉從孔底返出地面，孔底沉渣較少，基巖裂隙不會(huì)因?yàn)閹r粉過(guò)多堵塞注漿通道，有利于注漿工程的實(shí)施；相反，沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)主要依靠空壓機(jī)產(chǎn)生的氣流將孔下巖粉返出地面，在此過(guò)程中巖粉有可能填滿裂隙，阻斷漿液流通通道，從而進(jìn)一步影響注漿質(zhì)量。

表2 兩種鉆進(jìn)方式比較一覽表

如表2所示，回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)和沖擊回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)在工作效率、施工成本、地層適用性及注漿適用性中各有所長(zhǎng)。眾所周知，采空區(qū)治理施工中的重中之重就是注漿，注漿效果的好壞直接影響工程質(zhì)量。因此，本文筆者認(rèn)為在同等條件下選用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)更有利于提高注漿施工的質(zhì)量，確保所治理的工程區(qū)滿足建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)鉆探技術(shù)在我國(guó)有著悠久的歷史，從古老的鹽井開(kāi)始直至今日，鉆探技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。這是一筆巨大的財(cái)富，是國(guó)外鉆探技術(shù)所無(wú)法取代的。

2)通過(guò)工程實(shí)例，采用對(duì)比分析的方法，歸納總結(jié)了回轉(zhuǎn)式鉆探和沖擊回轉(zhuǎn)式鉆探在煤礦采空區(qū)治理施工中的優(yōu)劣性，為設(shè)計(jì)單位在未來(lái)采空區(qū)處治設(shè)計(jì)中能夠更好的選擇鉆探工藝提供了理論基礎(chǔ)依據(jù)。

3)如何在滿足采空區(qū)注漿質(zhì)量要求的前提下，通過(guò)改進(jìn)鉆探工藝、鉆頭、循環(huán)液等手段進(jìn)一步提高鉆探效率，使其適應(yīng)于高速發(fā)展的工程建設(shè)，并取得較好的工程、經(jīng)濟(jì)、安全效果仍值得廣大巖土工作者深思。

[1] 李遠(yuǎn)龍,賈一凡,史小萌.中國(guó)鉆探技術(shù)發(fā)展綜述[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2010(1):117.

[2] 冉恒謙,張金昌,謝文衛(wèi),等.地質(zhì)鉆探技術(shù)與應(yīng)用研究[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2011,11(85):1806-1821.

[3] JTG/T D31—03—2011，采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工細(xì)則[S].

[4] 江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司.烏魯木齊繞城高速公路(東線)采空區(qū)專(zhuān)題設(shè)計(jì)報(bào)告[R].2011.