巖芯鉆探設(shè)備在供水水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

李 俊

(安順市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，貴州 安順561000)

0 引 言

由于極端氣候的影響，對(duì)貴州巖溶地區(qū)來(lái)說(shuō)，往往伴隨著地表水的干枯和斷流，從而對(duì)當(dāng)?shù)卮迕袢诵箫嬎斐蓸O大的影響，個(gè)別地方甚至需要運(yùn)水車(chē)進(jìn)行供應(yīng)。為此，貴州省委省政府為解決農(nóng)村人畜飲水安全，加大了對(duì)地下水源勘探及開(kāi)采力度，近幾年在全省范圍內(nèi)實(shí)施或擬實(shí)施的水文勘探井幾千口。如此大批量的實(shí)施勘探孔，設(shè)備數(shù)量的配置是一大難題，同時(shí)貴州多巖溶山區(qū)的特點(diǎn)，部分極需水源地區(qū)的交通條件極差，稍大型的鉆探設(shè)備(水井鉆機(jī))無(wú)法運(yùn)至勘探點(diǎn)，利用小巧、輕便的巖芯鉆探設(shè)備，解決了設(shè)備搬遷的難題，也充實(shí)了勘探設(shè)備，為貴州地下水資源的勘探開(kāi)發(fā)的順利推進(jìn)提供支撐，也拓展了該設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 工程概況

2013年度銅仁地區(qū)地下水資源勘查，是貴州省省政府為解決貴州省1300 萬(wàn)缺水人口的飲水安全而實(shí)施的地下水資源勘查、開(kāi)采工程之一。

本次勘查區(qū)內(nèi)布置勘探孔40個(gè)，其中松桃縣20個(gè)，玉屏縣12個(gè)，思南縣8個(gè)。區(qū)內(nèi)除少數(shù)勘探孔在公路邊的、施工設(shè)備可直達(dá)施工點(diǎn)外，多數(shù)勘探孔的鉆探施工設(shè)備需人工搬運(yùn)，這對(duì)鉆探設(shè)備的選擇提出了新的要求。

1.1 地層情況

勘查區(qū)為峰叢洼地、溶丘洼地地貌，其中松桃縣區(qū)域上部土層厚度2 ～8 m、玉屏區(qū)域上部土層厚度5 ～7 m、思南縣區(qū)域上部土層厚度5 ～10 m，含水層多為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)厚層白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及三疊下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組、夜朗組、二疊下統(tǒng)棲霞—茅口灰?guī)r、白云巖夾泥灰?guī)r，溶孔、溶隙發(fā)育，巖石可鉆性為Ⅵ級(jí)。

1.2 勘探孔鉆孔結(jié)構(gòu)

本次勘探孔為探采結(jié)合孔，以勘探孔的區(qū)域水文條件、富水程度的不同，勘探孔鉆孔結(jié)構(gòu)為:

1)開(kāi)孔孔段:孔徑Φ230 ～Φ325 mm，揭穿表層松散土及強(qiáng)內(nèi)化層進(jìn)入完整基巖≥3.0 m，下Φ219 mm、Φ273 mm普管并水泥固結(jié)止以防地表水浸入。

2)成井段:孔徑Φ172 ～Φ219 mm，深度≥60 m，下Φ219 mm、Φ273 mm濾管。

3)終孔孔段:孔徑φ150 mm，深度150 ～200 m。

2 鉆進(jìn)方法與參數(shù)

在勘查區(qū)內(nèi)，根據(jù)巖石的機(jī)械物理性質(zhì)，采用的鉆進(jìn)方法主要有2 種:①硬質(zhì)合金鉆進(jìn);②空氣潛孔錘鉆進(jìn)。

2.1 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)

在交通條件差的、鉆孔直徑相對(duì)較小且水源較充足勘探井，以及第四紀(jì)地層和要求全部取心的鉆孔，采用硬質(zhì)合金鉆進(jìn)［1］。

根據(jù)地層情況、巖石可鉆性級(jí)別及孔徑合理選取，同時(shí)開(kāi)孔鉆進(jìn)要輕壓、慢轉(zhuǎn)，溶蝕、裂隙發(fā)育地層鉆進(jìn)，為防孔斜，鉆壓應(yīng)控制在正常地層的70%～80%。

一般基巖巖層鉆進(jìn)、孔徑的鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 一般基巖巖層硬質(zhì)合金鉆進(jìn)參數(shù)

2.2 空氣潛孔錘鉆進(jìn)

在交通條件好的、鉆孔直徑相對(duì)較大和缺水地段的勘探井，以及水文地質(zhì)情況已清楚的勘探孔，在鉆穿第四系并下井口管固井后，下伏基巖鉆進(jìn)為加快鉆進(jìn)速度，采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)。根據(jù)勘查區(qū)巖層性、鉆孔結(jié)構(gòu)所選用的鉆頭規(guī)格及采用的鉆直外徑(Φ89);同時(shí)其攜巖屑所需的上返風(fēng)速(≥15 m3/min)。表2 為空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)參數(shù)表。

表2 空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)參數(shù)

3 復(fù)雜地層鉆進(jìn)與護(hù)壁

3.1 鉆進(jìn)工藝措施

在鉆進(jìn)的時(shí)候，遇溶、裂隙，孔內(nèi)涌水大、掉塊等，采取泡沫空氣潛孔錘鉆進(jìn)、空氣潛孔錘反環(huán)循鉆進(jìn)鉆進(jìn)方法，縮短成孔時(shí)間，成孔后及時(shí)下管(濾水管)護(hù)壁［2］。

3.2 優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁措施

在溶孔、溶蝕、裂隙發(fā)育孔壁掉塊、垮塌的不穩(wěn)定巖石地層，采用優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁措施，由于上述地層通常為含水層，對(duì)護(hù)壁的泥漿要求其恢復(fù)性能不低于80%。

4 濾水管加工與下管

本勘查區(qū)勘井為探采結(jié)合井，采用經(jīng)久耐用的無(wú)縫鋼管作濾水管。井管的內(nèi)徑根據(jù)預(yù)計(jì)出水量、抽水設(shè)備的規(guī)格等確定。

4.1 濾水管的技術(shù)參數(shù)及加工

濾管長(zhǎng)度為含水層厚度，常為成井段－固井段+0.3 ～2.0 m。其孔隙率為20% ～30%，濾水管眼加工參數(shù)組考慮眼徑、孔縱間距、孔橫間距幾個(gè)方面。不同管徑的濾水管的各管眼參數(shù)的孔隙率見(jiàn)表3，依據(jù)含水層的具體情況加工。孔隙率計(jì)算公式:T= d2×h/40 ×D。井管連接:采用絲扣或電焊連接，井管連接成管柱后，軸心線應(yīng)一致。

表3 孔隙率計(jì)算

4.2 下管方法

濾水管的下法，根據(jù)升降機(jī)的提升能力、管總重量進(jìn)行選擇。其主要有2 種形式:

1)懸吊下管法:在升降機(jī)的提升能力大于井管總重，采用夾板夾信管端，利用升降機(jī)起吊下入孔內(nèi)。

2)浮托下管法:在升降機(jī)的提升能力小于(略大于)井管總重時(shí)，為減輕下管時(shí)設(shè)備的負(fù)荷，改善管柱本身的受力狀態(tài)，采用浮托下管法。采用在井管的實(shí)管部分加浮板或浮力塞，使孔內(nèi)液體不進(jìn)入管內(nèi)，使井管產(chǎn)生浮力而減輕管柱重量。此法對(duì)含水層淺的孔不太適應(yīng)［3］。

4.3 下管前的準(zhǔn)備和基本要求

在進(jìn)行下關(guān)的時(shí)候，首先要對(duì)孔深進(jìn)行校正，確定好過(guò)濾管長(zhǎng)度、安裝位置以及下管深度;其次要依據(jù)下關(guān)的先后順序，將每一根井管進(jìn)行編號(hào)、排列、丈量、試扣，從而確保過(guò)濾管安裝位置和下管深度的精確性。在對(duì)與井管進(jìn)行檢查的時(shí)候，不達(dá)到質(zhì)量要求的井管不得下入孔內(nèi)，同時(shí)，對(duì)于下管工具和設(shè)備，不符合安全要求者不準(zhǔn)使用。

4.4 下管工藝和操作要求

在進(jìn)行下關(guān)的時(shí)候，主要針對(duì)兩種不同的井管進(jìn)行操作:

1)電焊連接的井管，其下管的時(shí)候兩端應(yīng)車(chē)平，并將一端倒角，焊接時(shí)，管口內(nèi)外壁要對(duì)平、焊正、焊牢，必要時(shí)應(yīng)采用拉力筋加固。

2)螺紋連接的井管，在絲扣出要涂油，連接螺紋時(shí)候要上滿擰緊，如果螺紋配合不好，絲扣上歪或絲扣損壞時(shí)，不可以勉強(qiáng)緊扣，要卸開(kāi)重上或更換。

5 洗 井

洗井是為了清除在鉆進(jìn)過(guò)程中孔內(nèi)巖屑和泥漿對(duì)含水層的封閉，同時(shí)抽出裂隙中的泥土、粉砂、細(xì)砂以疏通含水層，使其達(dá)到應(yīng)有的出水量和提高探井的使用壽命。洗井主要依據(jù)本勘查區(qū)含水層的結(jié)構(gòu)、地下水頭壓力、井管材質(zhì)、孔身結(jié)構(gòu)、井管類型，然后采用活塞洗井法、液態(tài)二氧化碳洗井法、空壓機(jī)震蕩洗井法［4］。

5.1 活塞洗井法

活塞洗井采用3 種形式實(shí)現(xiàn):①鉆桿提拉、下壓的方法;②鋼繩提拉活塞法(提拉速度0.5 ～1 m/s);③抽拉洗井法(在提拉活塞的同時(shí)，用空壓機(jī)通過(guò)鉆桿向孔內(nèi)送風(fēng)抽水)。在使用活塞洗井法的時(shí)候，活塞的膠皮外徑要和井管內(nèi)徑呈現(xiàn)出一致的狀態(tài)，在洗井的時(shí)候要進(jìn)行定時(shí)檢查。對(duì)于受到磨損的膠皮，需要及時(shí)的進(jìn)行更換。

5.2 液態(tài)二氧化碳洗井法

液態(tài)二氧化碳洗井法主要向孔內(nèi)灌入液態(tài)二氧化，液體在孔內(nèi)遇水吸熱汽化，產(chǎn)生氣體壓力，向含水層的孔隙或裂隙深部沖擊地下水，并推動(dòng)孔內(nèi)水柱上升，形成井噴;井噴的同時(shí)，孔內(nèi)水位降低而形成瞬時(shí)負(fù)壓，在地層壓力作用下，地下水?dāng)y帶大量細(xì)顆粒巖屑和裂隙充填物及孔壁破碎物涌入孔內(nèi)，并隨著井噴后期排出孔外，疏通了水流通道。二氧化碳用量:淺孔10 ～20 瓶，中深孔20 ～30 瓶。

5.3 空壓機(jī)震蕩洗井法

空壓機(jī)震蕩洗井法通過(guò)空壓機(jī)時(shí)而送風(fēng)、時(shí)而停風(fēng)使得孔內(nèi)水位發(fā)生劇烈振蕩，以加速對(duì)孔壁泥皮的破壞。風(fēng)管混合器應(yīng)直接下入至過(guò)濾管中部，并專人控制送風(fēng)閥門(mén)，將風(fēng)壓蹩至設(shè)備額定最高值時(shí)，突然開(kāi)放送風(fēng)閥門(mén)，使壓縮空氣以最大的速度和壓力在過(guò)濾管部位進(jìn)行有效的震蕩洗井，每隔一定時(shí)間蹩壓一次，至洗好為止。

6 結(jié) 語(yǔ)

總而言之，在供水水文地質(zhì)勘查、勘探中運(yùn)用巖芯鉆探設(shè)備，可以有效地解決設(shè)備搬遷難題，也解決了勘探設(shè)備不足的問(wèn)題，同時(shí)拓展了鉆探設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域。

［1］唐創(chuàng)瑞. 淺議巖心鉆探工程中的繩索取心工藝［J］. 民營(yíng)科技，2010(07):8－11．

［2］張經(jīng)業(yè). 淺談礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用效果［J］. 科技信息，2010(31):15－17.

［3］冉憲榮. 關(guān)于現(xiàn)代煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)的探討［J］. 黑龍江科技信息，2008(05):32－34.

［4］孫勝利，楊定超. 探地雷達(dá)在煤礦巷道掘進(jìn)探測(cè)巖溶中的應(yīng)用［J］. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2010(03):22－25.