潛孔錘鉆井技術在吳集下料孔的應用

吳紅兵，曹雷強

（五礦礦業（邯鄲）礦山工程有限公司，河北 邯鄲 056000）

空氣潛孔錘鉆井以其高效、優質、低耗等顯著孔匯特點，備受業內人士的青睞，國內外已先后在水井、瓦斯排放、通風、下料、礦山救援等行業開展了應用。其工作原理是以壓縮空氣為動力，驅動沖擊器內活塞的高頻往復運動破碎巖石，破碎后的巖石在高壓風的帶動下脫離井底，加之機械回轉，形成圓狀井筒。對潛孔錘鉆進、氣液混合驅動潛孔錘鉆進等各項鉆進規程參數，潛孔錘結構性能參數的理論研究有了較大的突破。吳集下料孔技術要求高（直徑350mm，深度380m，垂直度要求在1%以內），工期短[1]。地勘院曾經在符山礦、西石門礦采用現有的磨盤式自行改裝組合潛孔錘鉆機進行過成功的施工，雖然符山礦、西石門礦下料孔深度較淺（均在地下200m以內），但也為吳集下料孔的施工提供了寶貴經驗。

1 地質概況

吳集下料孔在地下0～80m為松散巖組（IQ4、Q3、Q1+2）上部巖性為粉質粘土及淤泥質粉質粘土，工程地質條件差，中部巖性為粘土、含鐵錳質粘土，結構致密，稍濕～堅硬，以粘粒為主，約占65%以上，粉粒次之，占15%～25%，含砂粒約在15%以下，工程地質條件好；下部巖性以粘土、粉質粘土、砂土層，局部為細砂層、含礫砂土層、粘土、粉質粘土，結構較緊，粘塑性強，干時堅硬，錘擊易碎，以粉粒為主，約占50%～60%，粘粒占20%～30%，含砂粒一般小于10%，孔隙密，透水性極差。而砂土層含砂量約50%，細砂層含粘土約10%～15%，含礫砂土層含礫15%～20%，含砂10%～15%，結構松散，遇水易于流動，易發生坍塌，工程地質條件差甚至極差。地下80m～130m為古老變質巖區風化巖組位于下伏地層巖之下，呈現層狀分布，巖性受下伏地層巖性影響而變化，上部強風化層巖石一般呈碎塊狀和短柱狀，局部呈砂狀或土狀，巖石蝕變強烈；下部為中等～弱風化層，巖石以短柱狀為主，其次為碎塊狀，風化裂隙發育，隨深度增加，風化程度逐漸降低。該帶總體上工程地質穩定性差，巖石RQD值僅為35.40，尤其是強風化巖易于產生不良工程地質現象，對鉆井施工影響較大。

2 鉆井設備的選擇

鉆井設備的選擇應首先滿足安全要求，其次應經濟合理，盡可能利用公司現有的設備，通過對比分析我們選用了spj-400水井鉆機。①動力系統轉盤和泥漿泵及輔助用電共計67千瓦，空壓機采用柴油機驅動。②回轉及提升系統單繩提升能力30千牛滿足施工需要，回轉速度通過改換電機控制在18r/min，確保潛孔錘每次敲擊新鮮面，最大限度減小重復破碎。③井架選用我單位現有的spj-600型號的水井配套井架，完全能夠滿足提升12米的鉆具和套管需要。④空壓機選用壽力1070的型號，排氣量為34 m3/min，額定排氣壓力24.1kg/cm2。⑤泡沫泵選用bw-150型號的泥漿泵，配套動力5.5千瓦。

3 井徑結構及鉆進方法的選擇

對于第四系松散層采用牙輪鉆鉆進，正循環泥漿護壁工藝。其鉆具組合為：φ426mm牙輪鉆頭+φ178mm鉆鋌×4根+φ89mm鉆桿+機上鉆桿。風化帶及基巖采用潛孔錘空氣泡沫鉆井，其鉆具組合為：φ350mm潛孔鉆頭+φ178鉆鋌×4根（或導向鉆具不低于8m）+φ89mm鉆桿+機上鉆桿。井徑結構如下圖（示意）：

圖1 井徑結構圖

4 現場施工當中遇到的情況及解決辦法

（1）第四系松散層采用正循環牙輪鉆鉆進，對我單位屬正常成熟施工工藝，進展順利這里不再贅述。

（2）古老變質巖區風化巖組采用潛孔錘空氣泡沫鉆井，鉆進效率高達10m/小時，進入完整基巖后（約145m處）在成井側面發現一不明管狀金屬物，隨鉆孔加深而增加，（見井下視頻圖像：）繼而引起憋車，致使鉆桿敲擊風化帶，產生掉塊，坍塌鉆進困難強行鉆進至155米后停止鉆進，針對此采取注漿護壁（保護上部掉塊，坍塌層），待水泥凝固利用凝固后水泥和巖石硬度差異產生偏斜通過下部不明管狀金屬物。需漿液體積：

Vg=(R/2)2×л×H

R：鉆孔直徑；H：需充填段高度。

水泥選用標號為425，按0.5:1水灰比配制漿液（為增加水泥的和易性加快凝固速度添加食鹽5%，三乙醇胺3‰）。需水泥量：

Wc=（dcVg）/(1+dcp)

Ww=pWc

Wc：水泥用量，公斤；Ww：水的用量，公斤；р：水灰比；dc：水泥比重通常為3；Vg：欲配漿液體積。

通過一天候凝，順利實現護壁偏斜等施工要求，鉆進恢復正常。護壁后，重新施工。

（3）使用泡沫劑改善作業環境，提高工作效率。本次施工采用bw-150型號的泥漿泵注入泡沫，效果良好，施工現場粉塵濃度降至最低，鉆進過程中排巖屑、潤滑鉆具發揮了極好的作用。所用泡沫劑化學名稱為：炳十二烷硫酸鈉，粉末狀，加水稀釋（用量4‰），隨壓縮空氣注入沖擊器。

5 施工要點及注意事項

①下鉆前應對沖擊器進行地面試驗，確認沖擊器工作正常后方可下鉆。②使用高垂直度鉆桿，減少鉆具單邊磨損。下鉆時速度不能過快，如果遇阻可人力轉動鉆具，不能猛墩鉆頭和沖擊器。③下鉆接近孔底時先開風，慢慢回轉下放鉆具，鉆進正常后，應輕壓鉆壓控制在15千牛。④嚴禁鉆具在不回轉時進行鉆進，否則容易使井眼形成鍵槽，造成回轉阻力增大，扭斷鉆具或造成井斜。⑤鉆進時嚴密監視空氣和巖屑上返情況，遇有坍塌和漏失地層，要及時加注泡沫劑，確保巖屑正常上返，以防埋鉆事故。如遇嚴重坍塌，則應及時采取措施或更換為常規泥漿鉆進工藝。⑥堅硬巖層施工鉆頭外徑應用耐磨焊條點焊，高度不超過合金柱高度，增強鉆頭保徑能力。

6 結語

①施工前認真搜集資料，盡可能對施工地層多了解，針對不同地層選擇不同鉆鑿的方法。②施工籌備對工器具要精心選配，對易損工器具如錘頭，沖擊器等要備足備好。③備足打撈工具，鉆具有多少種規格就應備多少種相應規格的打撈工具，確保事故處理所用工具充足有效。④施工人員要有較強的責任心，進行相關知識技能培訓，嚴格按操作規程施工，熟悉沖擊器組裝、拆卸要領，正確使用、組裝沖擊器、鉆頭。