陳希林
在豎井勘察孔項(xiàng)目招投標(biāo)或洽談合同之前,施工單位的項(xiàng)目經(jīng)理或技術(shù)負(fù)責(zé)人須到新建豎井?dāng)M建場地進(jìn)行實(shí)地踏勘,充分搜集了解礦山已揭露的巖土層資料,詳細(xì)察看場地地形地貌及交通運(yùn)輸條件,考慮機(jī)坪如何修筑,水電來源,場地機(jī)械設(shè)備材料怎樣布置,包括施工人員住所都要進(jìn)行終合考慮,所有這些都要做到心中有數(shù),做出詳細(xì)明確的豎井勘察孔施工方案,為下步鉆孔具體實(shí)施提供可靠的依據(jù)和指導(dǎo)。
根據(jù)有關(guān)規(guī)范和委托任務(wù)書的要求,實(shí)施豎井工程勘察孔主要采用鉆探方法查明豎井?dāng)M建場地的巖土層結(jié)構(gòu),各巖土層物理力學(xué)性質(zhì),以及工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,并對豎井掘進(jìn)所遇含水層的涌水量進(jìn)行預(yù)測等,對這些條件進(jìn)行終合評價(jià)并提交詳細(xì)的勘察報(bào)告。
(1)依據(jù)豎井工程勘察任務(wù)書,一般要求終孔直徑≮¢91mm(也有的要求可≮¢75mm),過濾松散巖層,抽水濾器直徑≮¢127mm,終孔深度大于豎井深度3m~5m。
(2)巖心采樣率要求:全孔取心,土層及基巖巖芯采樣率要>80%,重點(diǎn)標(biāo)記的巖層要保證巖心采樣率>85%,砂層,破碎帶、軟弱夾層及溶洞中,巖心采樣率>65%,采用物探測井法測定層位。
(3)每鉆進(jìn)20m測斜一次,測出鉆孔的傾角、方位角、鉆孔斜率,鉆孔偏斜率<1.5%。
(4)每班記錄好鉆探原始記錄、每班測量動(dòng)水位、終孔測量靜止水位、測量水溫度、按要求分層做抽水試驗(yàn)、包括執(zhí)行巖心鉆探的六大技術(shù)指標(biāo)要求等。
(5)對主要含水層進(jìn)行分層抽水試驗(yàn),不得使用泥漿,抽水試驗(yàn)前須需進(jìn)行洗井等。
(6)在鉆孔中應(yīng)同時(shí)配合進(jìn)行工程物探和原位測試,并應(yīng)符合下列要求: 豎井勘察孔內(nèi)應(yīng)全孔進(jìn)行聲波測試,孔內(nèi)豎向測點(diǎn)間距不宜大于5m,在巖溶地區(qū)的工程,宜采用鉆孔電磁波法探查巖溶分布和規(guī)模,在高地應(yīng)力地區(qū)應(yīng)進(jìn)行地應(yīng)力測試,對全孔應(yīng)進(jìn)行孔內(nèi)溫度測量。
(7)采用M10水泥漿封孔,設(shè)永久性標(biāo)志。
(1)按機(jī)械碎巖方式分有回轉(zhuǎn)鉆探、沖擊鉆探、沖擊回轉(zhuǎn)鉆探等;按碎巖工具或磨料分有鋼粒鉆探、硬質(zhì)合金鉆探、金剛石鉆探、復(fù)合片鉆探、牙輪鉆頭鉆探等;按獲取巖心的方式分有提鉆取心、繩索取心、反循環(huán)連續(xù)取心取樣等。
(2)地質(zhì)巖心鉆探采用的主要鉆探方法有硬質(zhì)合金鉆探、金剛石鉆探(含繩索取心鉆探)、復(fù)合片鉆探、沖擊回轉(zhuǎn)鉆探、定向鉆探、反循環(huán)取心取樣鉆探等。
(3)確定鉆探方法的基本原則:應(yīng)滿足地質(zhì)要求和任務(wù)書(合同)確定的施工目的;在適應(yīng)鉆進(jìn)地層特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,優(yōu)先采用先進(jìn)的鉆探方法;以高效、低耗、安全、環(huán)保為目標(biāo),保證鉆探質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度,爭取好的經(jīng)濟(jì)和社會效益,適應(yīng)施工區(qū)域的自然地理?xiàng)l件。
(4)鉆探方法的選擇:主要依據(jù)巖層特點(diǎn),巖石硬度、研磨性及完整程度,結(jié)合口徑、鉆孔深度等,選定鉆探方法。豎井勘察孔適宜采用多級口徑金剛石或PDC復(fù)合片鉆進(jìn),繩索取心技術(shù)工藝。
包括鉆定孔位→平整場地與修筑機(jī)坪→安裝鉆探設(shè)備及附屬設(shè)備→臨時(shí)設(shè)施建造→安裝驗(yàn)收→開孔前的準(zhǔn)備工作→開孔及下孔口管→換徑→鉆進(jìn)→巖礦心整理和保管→其他工作(下套管、校正孔深、簡易水文觀測、鉆孔彎曲測量)→終孔起拔套管→封孔→廢漿處理和場地環(huán)境恢復(fù)→鉆孔驗(yàn)收→拆遷。
施工鉆孔時(shí),要充分考慮場地巖土層條件、鉆孔深度、終孔直徑、鉆進(jìn)方法、護(hù)孔措施和設(shè)備情況,合理選擇開孔直徑、換徑次數(shù)與深度、套管程序等。
一般豎井勘察孔設(shè)計(jì)孔深大多為300m~1000m左右的深孔,依據(jù)地層的復(fù)雜程度,開孔口徑可選取Φ200mm、Φ170mm、Φ150mm單管金剛石或PDC復(fù)合片鉆頭開孔,隔離上部易坍塌層后,換徑鉆進(jìn)到微風(fēng)化巖石,再換徑為Φ130mm金剛石鉆頭或PDC復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)至120m左右;下Φ127mm套管或?yàn)V水管,做抽水試驗(yàn),以下?lián)Q徑S114mm金剛石繩索取心鉆進(jìn),鉆進(jìn)到200m以上,地層越復(fù)雜越需鉆進(jìn)至更深,然后再換徑S95mm金剛石繩索取心鉆進(jìn),如勘察任務(wù)書要求Φ91口徑終孔則鉆進(jìn)至終孔,如允許Φ75mm口徑終孔,則下步可換徑S76mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)直至終孔。
應(yīng)根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)深度、巖土層條件、鉆進(jìn)方法以及鉆孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等,合理地選擇鉆探設(shè)備,應(yīng)盡量選擇電動(dòng)機(jī)動(dòng)力機(jī)。推薦使用地勘單位擁有并廣泛使用的性能可靠穩(wěn)定的立軸鉆機(jī)如XY-4、XY-42、XY-44、XY-5、XY-6系列鉆機(jī);有條件的單位也可使用進(jìn)口或國產(chǎn)的合適的全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī),這種機(jī)型更輕便鉆進(jìn)效率更高,但對于復(fù)雜地層施工也不是很適用,比較適用于完整地層鉆進(jìn)。泥漿泵的選擇淺孔可選BW-150泵,深孔宜選BW-250、BW-320泵;鉆塔宜采用HCX13.5米、HCX18米四角塔;打撈繩索絞車宜選JS1000型以上;測斜儀最好選擇可隨鉆測斜的陀螺儀,這種儀器精度高且不受磁場影響,但是價(jià)格昂貴成本較高,其次也可選用電子讀數(shù)羅盤測斜儀或普通羅盤測斜儀,也可滿足鉆孔測斜要求;抽水試驗(yàn)可選用不銹鋼深井潛水泵,根據(jù)流量的大小選2臺~3臺大約流量為3t/h~15t/h深井泵備用,當(dāng)然也可采用空壓機(jī)進(jìn)行抽水試驗(yàn);測量水位水溫的儀器最好使用測繩帶刻度電子報(bào)警測水位儀器。
(1)開挖泥漿池長寬均為2.5m,深2.0m,要求開挖方正,并設(shè)立標(biāo)尺,挖長寬深均1.5m的沉淀池,設(shè)立總長15m以上循環(huán)槽。
(2)開孔鉆進(jìn)使用普通鈉基泥漿鉆孔,換徑后使用乳化液沖洗液,巖層輕微破碎,漏失較輕地層使用PHP做沖洗液及護(hù)壁,只漏不坍地層,為節(jié)約皂化液及PHP,可在鉆桿上涂抹二硫化鉬潤滑脂潤滑鉆具,不同巖性的地層,對沖洗液性能配置要求:巖石較完整,鉆孔不漏失,用乳狀皂化液洗孔;對輕微漏失、坍掉和縮徑的鉆孔,采用無固相作沖洗液,即PHP+皂化液洗孔潤滑;嚴(yán)重漏失,但不坍塌巖層,采用清水加潤滑劑如葵脂酸鈉溶解作沖洗液,鉆桿涂抹二硫化鉬潤滑脂減阻鉆進(jìn);遇到坍塌縮徑垮孔的水敏地層時(shí),可選用PHP+水玻璃無固相沖洗液或低固相泥漿+植物膠SD-2+纖維素(CMC)+腐植酸鉀(KHm)等鉀基類防塌性能好得泥漿,具體配方需采取巖樣進(jìn)行浸泡試驗(yàn)確定;在使用PHP做沖洗液時(shí),PHP必須實(shí)施水解,以保證沖洗液質(zhì)量,且達(dá)到護(hù)壁、潤滑又能起到冷卻鉆頭的作用。
(1)大口徑普通金剛石鉆具級配要合理,繩索取心鉆桿材質(zhì)必須是45MnMoB或XJY850,鉆桿鉆具需調(diào)質(zhì)熱處理表面硬化,更換接頭時(shí)絲扣要涂抹環(huán)氧樹脂膠擰緊。
(2)金剛石鉆頭的選擇,要根據(jù)巖石的硬度及研磨性,選擇相適應(yīng)金剛石顆粒大小及胎體硬度,繩索鉆頭外徑宜加大1~2mm,如¢75鉆頭加大至¢76mm,擴(kuò)孔器¢76.5mm,可以適當(dāng)加大鉆桿柱與井壁的環(huán)狀間隙,有利于沖洗液循環(huán)與巖粉排除。巖石堅(jiān)硬“打滑”地層鉆進(jìn),可采用“投砂”方法研磨鉆頭使金剛石胎體出刃,以提高鉆進(jìn)效率,但應(yīng)注意控制“投砂”量,并選擇胎體硬度適應(yīng)性較強(qiáng)的鉆頭;盡量選擇高品級或進(jìn)口金剛石高胎體長壽命金剛石鉆頭,減少提大鉆的次數(shù),提高小時(shí)效率,縮短過期,提高經(jīng)濟(jì)效益。
(3)每班都要檢查鉆具性能是否良好,水路是否暢通,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決方,防止發(fā)生事故。
(4)擰卸鉆桿時(shí)要涂抹絲扣油以保護(hù)接頭絲扣,深孔提大鉆后下鉆桿時(shí)應(yīng)先纏生膠帶,然后再擰緊鉆桿防止接頭部位沖洗液泄露,以杜絕燒鉆事故發(fā)生。
(5)各種設(shè)備的儀表要齊全,靈敏度要高,發(fā)現(xiàn)失靈的儀表一定要及時(shí)更換。
(6)鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生巖心堵塞,必須立即打撈,防止由于巖心堵塞、給進(jìn)壓力增大,鉆頭異常磨損并發(fā)生燒鉆事故。
(7)發(fā)生燒鉆時(shí),應(yīng)立即將鉆具用立軸提離孔底300mm~500mm再停止立軸回轉(zhuǎn),不得先關(guān)離合器再提鉆,避免造成嚴(yán)重的燒鉆事故。
(8)巖心采取率:鉆探過程中全孔取心,要求在破碎帶及溶洞中不應(yīng)小于65%,在基巖和粘性土中應(yīng)不低于80%,多年來的經(jīng)驗(yàn)證明采用繩索取心鉆進(jìn)工藝,一般全孔巖心采取率可達(dá)95%以上,完全可以滿足并超過技術(shù)要求的指標(biāo);巖心必須洗凈后按上下順序排列在巖心箱內(nèi),不得顛倒、混淆,并對巖心進(jìn)行編號。
(9)每鉆進(jìn)20m測斜一次,測定傾角、方位角,計(jì)算出鉆孔偏斜率,全孔偏斜率控制在1.5%以內(nèi),若發(fā)生偏斜率超標(biāo),應(yīng)進(jìn)行及時(shí)糾偏。
(10)封孔:鉆進(jìn)結(jié)束后,要沖洗清除井壁及孔底巖粉,做完抽水試驗(yàn),物探電測井、聲波測井等全部工作后,拔出全部套管,采用不低于M10的水泥漿嚴(yán)密封孔,并在孔口埋石設(shè)永久性標(biāo)志,寫明孔深、開孔、終孔日期。
(11)巖心保管:巖心要保管好,不得丟失,拍攝全部巖心照片,待檢查驗(yàn)收后放入指定巖心庫移交給甲方。
根據(jù)現(xiàn)場踏勘和已有的地質(zhì)資料,場地的含水層一般主要有巖溶裂隙含水層和深部斷層承壓水。根據(jù)場地水文地質(zhì)條件和委托任務(wù)書要求,一般需進(jìn)行2次~3次分層抽水試驗(yàn),具體依據(jù)豎井地質(zhì)勘察任務(wù)書及有關(guān)規(guī)范執(zhí)行。
豎井勘察孔設(shè)計(jì)是90°垂直孔,偏斜率指標(biāo)<1.5%,相當(dāng)于0.86°/100m,比《巖心鉆探規(guī)程》要求的直孔2°/100m更為嚴(yán)格,是豎井勘察鉆孔成功與否的關(guān)鍵性指標(biāo),一旦超差輕則導(dǎo)致驗(yàn)收不合格,重則可能導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢,將造成極為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,所以鉆孔的防斜與糾斜就顯得極為重要,也是本文探究的主要技術(shù)之一。
(1)地層原因:巖石的不同種類,如沉積巖、變質(zhì)巖、巖漿巖表現(xiàn)出不同的各向異性,在巖石的各個(gè)方向上表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度、硬度,同一類巖石因產(chǎn)狀、傾角、硬度、軟硬互層以及與鉆頭接觸的夾角不同也會產(chǎn)生不同的偏斜力,這些都會對鉆孔的偏斜產(chǎn)生一定的影響,同一類巖石在不同的地點(diǎn)對鉆孔也可能有不同的偏斜效果,這需要熟悉地層并摸索掌握其中的規(guī)律。
(2)鉆壓過大原因:鉆進(jìn)過程中給鉆具施加的鉆壓過大,很容易引起鉆孔偏斜,鉆桿柱在重力的作用下,可以分解為兩個(gè)分力,一個(gè)分力可以促使鉆桿不斷向下,另一個(gè)分力可以促使鉆具緊靠孔壁一側(cè)偏離鉆孔中心。
(3)鉆機(jī)安裝和鉆具組合的特性原因:鉆機(jī)安裝和開孔:如果鉆機(jī)安裝底座不水平,機(jī)桿不垂直,天車、立軸、孔口三點(diǎn)不在一條線,開孔就可能出現(xiàn)偏斜;鉆桿柱直徑與鉆孔口徑級差過大級配不合理,鉆進(jìn)過程中也很容易導(dǎo)致孔斜。
防止鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)孔斜過大是重中之重,務(wù)必采取一切有效措施保直防斜,主要措施如下:
(1)鉆機(jī)立軸(導(dǎo)管)不能曠動(dòng),滑道鎖緊,機(jī)桿要直,鉆進(jìn)時(shí)機(jī)上余尺盡量小于3m,堅(jiān)持使用下卡盤,防止機(jī)桿振動(dòng)不平穩(wěn),使用輕巧的高速水接頭,保持機(jī)桿上部不擺動(dòng)。
(2)首先修筑機(jī)坪時(shí)要保證地基堅(jiān)實(shí)平整,必要時(shí)機(jī)坪打一層15cm鋼筋砼,或者在鉆塔四角位置打砼墩以防地基下沉,鉆孔位置打1m×1m×1m砼墩以防開孔后井口塌陷導(dǎo)致井口管歪斜,安裝時(shí)保證鉆塔底座周正水平,確保鉆塔荷載最大時(shí)底座不會出現(xiàn)不均勻下沉。
(3)把好開孔關(guān):鉆機(jī)安裝要周正水平,機(jī)桿要校直,機(jī)桿要對中上下卡盤中心,要用經(jīng)緯儀或激光水平儀90°交叉垂直校正立軸與機(jī)桿,確保機(jī)桿與開孔鉆具處于90°垂直狀態(tài),經(jīng)項(xiàng)目部地質(zhì)人員機(jī)臺共同驗(yàn)收合格后方開孔鉆進(jìn),開孔鉆具要逐級加長,保持鉆具剛直具備良好的導(dǎo)正性。
(4)開孔完畢下好孔口套管后,孔口管要固定牢固,逐級換徑過程中,一定要使用導(dǎo)正鉆具,粗徑鉆具上部要加導(dǎo)正器,使用剛性好的長粗徑鉆具鉆進(jìn),以保證開孔和換徑過程中鉆孔的垂直度。
(5)機(jī)臺配備一套羅盤測斜儀或陀螺儀,每鉆進(jìn)20m測一次斜,保證鉆孔偏斜率不超1.5%,如發(fā)現(xiàn)偏斜率超過,必須停止鉆進(jìn),找出原因,采取相應(yīng)的糾斜措施。
(1)在上部井段鉆進(jìn)中,要輕壓慢轉(zhuǎn),控制井斜,防止偏磨。嚴(yán)格控制孔壁環(huán)狀間隙,以減小偏斜角,有效的控制鉆孔彎曲,必須做到:使用剛性好,長而直的巖心管。不要頻繁更換鉆進(jìn)方法,以免造成孔壁間隙不均勻。
(2)減小鉆桿撓曲度,減小粗徑鉆具的偏斜力,提高鉆具的穩(wěn)定性,鉆壓、轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在規(guī)程范圍內(nèi),過大的鉆壓和過高的轉(zhuǎn)速都會使鉆桿撓曲增大。大直徑孔段使用扶正器以扶正穩(wěn)定鉆具。
(3)普通金剛石鉆進(jìn)使用剛性好的鉆具,對易斜孔段使用加長鉆具和增加擴(kuò)孔器數(shù)量的方法,提高鉆具剛性和直徑,增加鉆具穩(wěn)定性;采用繩索取心鉆進(jìn)工藝,減小環(huán)狀間隙,繩索取心鉆進(jìn)是屬于滿眼鉆進(jìn),環(huán)狀間隙小級配合理,有利于鉆桿和鉆具的穩(wěn)定,不容易產(chǎn)生孔斜。
(4)合理選擇鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù),鉆壓不能過大,不能盲目加壓追求進(jìn)尺,超過100m以后宜減壓鉆進(jìn),鉆壓大小應(yīng)根據(jù)巖石軟硬合理選擇;轉(zhuǎn)速也要比較適中,不要時(shí)快時(shí)慢,盡量保持鉆進(jìn)速度均勻穩(wěn)定;泵量也要適當(dāng),不能過小也不能過大,泵量過大會強(qiáng)烈沖刷孔壁,可能造成井壁間隙過大,容易導(dǎo)致孔斜,繩索取心孕鑲金剛石鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)選擇參考值如下:
¢75口徑鉆頭壓力10KN~12KN,轉(zhuǎn)速400r/min~800r/min,泵量40L/min~70L/min;¢91口徑鉆頭壓力12KN~15KN,轉(zhuǎn)速350r/min~700r/min,泵量60L/min~90L/min;¢110口徑鉆頭壓力14~16KN,轉(zhuǎn)速250~500,泵量90L/min~100L/min;
¢130口徑鉆頭壓力16KN~20KN,轉(zhuǎn)速200r/min~400r/min,泵量100L/min~130L/min;¢150口徑鉆頭壓力18KN~22KN,轉(zhuǎn)速220r/min~300r/min,泵量120L/min~150L/min;¢170口徑鉆頭壓力20KN~24KN,轉(zhuǎn)速80~250r/min,泵量130~180L/min。
(5)在易斜井段鉆進(jìn)時(shí),要嚴(yán)格執(zhí)行定段長測斜的措施,測不成不能繼續(xù)打鉆。如果孔斜超標(biāo),應(yīng)立即采取糾斜措施。
(1)在施工過程中一旦出現(xiàn)鉆孔彎曲出現(xiàn)超標(biāo),要及時(shí)糾斜。因此要配備用于鉆孔糾斜的鉆具,糾斜鉆具可以考慮選用LZ型連續(xù)造斜器。LZ型連續(xù)造斜器結(jié)構(gòu)及使用參見有關(guān)技術(shù)資料。
(2)此種連續(xù)造斜器又稱無楔體連續(xù)造斜器。它利用專門機(jī)構(gòu)產(chǎn)生偏斜力實(shí)現(xiàn)定向造斜。該造斜器是同徑造斜,一次成孔。造斜后孔身呈平滑曲線狀,無“狗腿”急彎。
(3)螺桿馬達(dá)糾斜:螺桿馬達(dá)是地質(zhì)勘探中應(yīng)用很廣泛的糾斜工具,是一種以鉆井液為動(dòng)力,把液體壓力能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的容積式井下動(dòng)力鉆具。國內(nèi)有廠家出售¢91和¢75口徑的螺桿馬達(dá),糾斜效果也很好,可以考慮選擇作為豎井勘察孔糾斜工具,具體結(jié)構(gòu)及操作在此不作詳述。
建立精干高效的施工團(tuán)隊(duì),選用業(yè)務(wù)素質(zhì)高和工作責(zé)任心強(qiáng)的員工,施工之前組織技術(shù)交底,團(tuán)隊(duì)員工都能熟練掌握施工工藝和質(zhì)量控制,明確自己的崗位職責(zé),強(qiáng)化安全質(zhì)量意識,交接班密切配合,整體有序高效運(yùn)轉(zhuǎn)。技術(shù)管理人員須加強(qiáng)現(xiàn)場施工指導(dǎo),每班都要現(xiàn)場全面檢查落實(shí)各項(xiàng)工作,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。地質(zhì)技術(shù)人員要及時(shí)依據(jù)巖層的變化,提示嚴(yán)格采取防斜措施,督促落實(shí)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都能滿足技術(shù)要求,確保鉆探施工安全有序順利進(jìn)行。
豎井工程勘察孔施工具有一定的難度,組建精干高效的項(xiàng)目施工團(tuán)隊(duì),施工之前現(xiàn)場踏勘調(diào)研,拿出切實(shí)可行的施工方案,選用合理高效的鉆探工藝技術(shù)措施,對可能遇到的困難提前做好預(yù)案,安排技術(shù)能力強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)豐富的機(jī)臺人員實(shí)施豎井工程勘察孔施工,同時(shí)強(qiáng)化安全管理力度,在保證施工質(zhì)量同時(shí),力爭做到安全、快速、優(yōu)質(zhì)、高效完成施工任務(wù),方能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。