地源熱泵系統(tǒng)鉆孔施工遇巖溶問題的解決措施★

任永林,鄒 行,林華穎,趙 磊,張世帆

(1.貴州綠能星新能源開發(fā)有限公司，貴州 貴陽 550000； 2.貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局地質(zhì)礦勘察院，貴州 貴陽 550005； 3.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

開發(fā)利用淺層地?zé)豳Y源有利于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境、對于未來能源的供應(yīng)以及節(jié)能減排有巨大的潛力[1-2]。地埋管地源熱泵技術(shù)作為目前開發(fā)淺層地?zé)豳Y源的主流方式，在國內(nèi)北方地區(qū)得到了大力推廣。對于南方巖溶地區(qū)，由于地區(qū)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，地下溶洞裂隙眾多，初期鉆孔投資成本較大、鉆孔難度較高，使得很多房地產(chǎn)開發(fā)商望而止步，因此該技術(shù)在南方巖溶地區(qū)發(fā)展比較緩慢。

為解決相應(yīng)問題，該文基于百里杜鵑施工現(xiàn)場物探巖溶數(shù)據(jù)，探討分析了在實際鉆孔施工過程中遇巖溶問題的解決措施，具有一定的工程借鑒意義。

1 工程概況

1.1 交通位置

工區(qū)位于百里杜鵑管委會西北約2 km處，地理坐標106°24′57.69″E，27°48′10.08″N。行政區(qū)劃屬于百里杜鵑管委會直管，北部有杭瑞高速，西部有黔大高速，南部有都江高速穿過。工區(qū)前是花海大道，交通情況便利。

1.2 地形地貌

畢節(jié)市百里杜鵑景區(qū)地處黔西高原向黔中山丘陵過渡的斜坡地帶，屬于高原中山丘陵地貌類型。境內(nèi)地表尚保持著較原始的剝夷面狀態(tài)，丘崗起伏，綿延成片，山體相對高差約500 m。境內(nèi)基巖主要為碳酸鹽巖，其分布面積約占70%。主要分布著下二疊統(tǒng)含燧石灰?guī)r、寒武系中上統(tǒng)白云巖。

1.3 工區(qū)地層

工區(qū)地層自上而下為第四系素填土，第四系坡殘積紅黏土，二疊系陽新統(tǒng)棲霞—茅口組，其巖性主要是底部薄至中厚層灰?guī)r夾有機質(zhì)黏土巖，下部灰層灰?guī)r夾燧石灰?guī)r及泥質(zhì)條帶灰?guī)r；上部厚～巨厚層生物屑泥晶灰?guī)r夾燧石灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r。

2 設(shè)計參數(shù)

本項目地點位于百里杜鵑花海大道，本項目為新建人民醫(yī)院提供集中供暖系統(tǒng)，冬季提供3 118.4 kW熱負荷，夏季提供2 168.8 kW冷負荷，改善室內(nèi)溫度為18 ℃～24 ℃。主要建設(shè)內(nèi)容包括：冷熱源地埋孔施工44 549 m，地源熱泵機房一個300 m2。本項目主要由地埋管系統(tǒng)、主機系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)施工圖設(shè)計，各系統(tǒng)主要工作如下。

2.1 地埋管系統(tǒng)

設(shè)計總延米數(shù)46 153 m。計算井深160 m～200 m，得出地下?lián)Q熱井?dāng)?shù)量為220口～250口。在施工過程中因地質(zhì)條件的復(fù)雜性，部分鉆孔可能無法下足200 m地埋管，故考慮一定的鉆孔富余量來保證達到地埋管設(shè)計總延米數(shù)要求，本項目設(shè)計地下?lián)Q熱井314口，根據(jù)實際現(xiàn)場情況選取位置施工。鉆孔布置共分為A，B，C，D，E五個大區(qū)，每個區(qū)對應(yīng)一組分集水器，分集水器管道連接至主機房。

2.2 主機系統(tǒng)

該項目設(shè)計兩套系統(tǒng)，分生活熱水系統(tǒng)和供暖制冷系統(tǒng)，地源熱泵主機房內(nèi)設(shè)螺桿式地源熱泵機組3臺，單機制熱量1 312.8 kW；地源側(cè)、負荷側(cè)配置變頻水泵各3臺，以及附屬水處理設(shè)備、集分水器、管道、閥門、配電、自動化控制等系統(tǒng)供應(yīng)醫(yī)院采暖制冷；設(shè)置2臺渦旋式地源熱泵機組，單臺制熱量170 kW，供應(yīng)醫(yī)院生活熱水使用[3]。

3 巖溶物探

為了揭示該工區(qū)巖溶裂隙發(fā)育情況，現(xiàn)場采用瞬變電磁法勘查，以各地質(zhì)體的電性差異為勘探對象及解釋依據(jù)，目標體與圍巖物性差異的大小直接影響物探勘查成果及精度。

3.1 物探原理

地面瞬變電磁法(TEM)測量，它是以接地導(dǎo)線或不接地回線通過脈沖電流作為場源，以激勵探測目的物感生二次電流，在脈沖間隙測量二次場隨時間變化的響應(yīng)。其數(shù)學(xué)物理基礎(chǔ)是基于導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的激勵磁場激發(fā)下引起的渦流場問題，通過地球物理方法間接解決地質(zhì)問題[4]。

完整的基巖導(dǎo)電性比較差，電阻率比較高，當(dāng)基巖比較破碎時或有巖溶時，在巖溶、破碎帶中因含有地下水，呈現(xiàn)出強的導(dǎo)電性，相對于視電阻率較高的圍巖而言，在電性上表現(xiàn)為相對低電阻率區(qū)域，這些物性差異為在工作區(qū)采用瞬變電磁法(TEM)勘探提供了良好的地球物理前提，從而我們可以依據(jù)低阻特征和其發(fā)育深度有效地獲取地下構(gòu)造、巖溶的發(fā)育情況從而達到工作的目的。

3.2 區(qū)內(nèi)測網(wǎng)布置

測區(qū)范圍目前情況較復(fù)雜，主要是目前醫(yī)院主體結(jié)構(gòu)基本完成，場地中各類施工材料較多，特別是對測量結(jié)果有影響的鋼材較多，靠近居民區(qū)，建筑物和各種設(shè)施分布，影響測量布線工作，根據(jù)該測區(qū)特殊環(huán)境，測線從不同方向布設(shè)，線距不等，測點距10 m進行測網(wǎng)布設(shè)。

3.3 測點巖溶分析

區(qū)內(nèi)共布置9條側(cè)面，結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)，推斷各剖面巖溶構(gòu)造發(fā)育情況，文中僅分析1號線3個異常以及2號線2個異常。

1)1號線異常分析。

如圖1所示，1號剖面瞬變電磁測量(TEM)視電阻率斷面圖整條剖面上出現(xiàn)1個高阻異常(1號異常)和2個低阻異常(2號異常、3號異常)，其中1號異常出現(xiàn)在剖面的10號點～20號點之間，深度約80 m～180 m之間，異常形態(tài)呈圈閉的橢圓狀，2號異常電阻率高于1 047 Ω·m，根據(jù)異常解釋原則并且結(jié)合該區(qū)的地質(zhì)情況，推測1號異常由不充泥不充水巖溶引起；2號異常出現(xiàn)在60號點～70號點之間，深度上從約50 m處向深部延伸，從小號點向大號點傾斜，2號異常將兩側(cè)的相對高阻錯斷，為高低阻的分界面，根據(jù)異常解釋原則并結(jié)合該區(qū)的地質(zhì)情況，推測2號異常為破碎引起。3號異常出現(xiàn)在120號點～130號點之間，深度上從約50 m處向深部延伸，從大號點向小號點傾斜，3號異常將兩側(cè)的相對高阻錯斷，為高低阻的分界面，根據(jù)異常解釋原則并結(jié)合該區(qū)的地質(zhì)情況，推測2號異常為破碎引起。

2)2號線異常分析。

如圖2所示，2號剖面瞬變電磁測量(TEM)視電阻率斷面圖表明，整條剖面上出現(xiàn)1個高阻異常(4號異常)和1個低阻異常(5號異常)，其中4號異常出現(xiàn)在剖面的25號點～30號點之間，深度上深約100 m～170 m，異常形態(tài)呈圈閉的橢圓狀，4號異常電阻率高于1 047 Ω·m，根據(jù)異常解釋原則并結(jié)合該區(qū)的地質(zhì)情況，推測4號異常由不充泥不充水巖溶引起；5號異常出現(xiàn)在40號點～55號點之間，深度上從約30 m處向深部延伸，從小號點向大號點傾斜，5號異常將兩側(cè)的相對高阻錯斷，為高低阻的分界面，根據(jù)異常解釋原則并且結(jié)合該區(qū)的地質(zhì)情況，推測5號異常為破碎引起[5]。

3)異常總結(jié)。

分析此次物探總計發(fā)現(xiàn)物探異常11個，1線一號剖面3個異常，其中1號異常為巖溶內(nèi)不充泥或不充水引起；2號異常為破碎引起；3號異常為破碎引起；2號剖面2個異常，其中4號巖溶內(nèi)不充泥或不充水引起異常；5號異常為破碎引起；3號剖面1個異常，6號異常為破碎引起；4號剖面1個異常，7號異常為破碎引起；5號剖面1個異常，8號異常為巖溶充水或充泥引起；7號異常為破碎引起；6號剖面2個異常，9號異常和10號異常為巖溶充水或充泥引起；7號剖面1個異常，11號異常巖溶充水或充泥引起。8號線、9號線無異常[6]。

4)異常分類。

將物探獲得異常進行分類，并將相鄰測線可能由于地下連通而造成的異常連接，獲得兩個可能對后期淺層地溫能開發(fā)造成影響的巖溶發(fā)育區(qū)及破碎帶區(qū)域。其中第一個巖溶發(fā)育區(qū)在1線的剖面10號～20號點及2號剖面25號～30號點之間，推測平面不封閉的橢圓狀，埋深在70 m～180 m之間，巖溶內(nèi)部不充泥不充水。第二個巖溶發(fā)育區(qū)位于5號剖面0號～30號點及6號剖面0號～110號點之間，埋深小于10 m以下，巖溶內(nèi)部充泥或充水。第一個破碎帶，位于1號剖面60號～70號點及2號剖面40號～55號點之間；第二個破碎帶位于1號破碎帶120號～130號點之間，可能向北部延伸；同時第一個和第二個異常深部較為破碎。第三個破碎帶位于4號剖面15號～25號點，可能向東部發(fā)育。第四個異常位于3號剖面40號～65號點之間，可能向西部發(fā)育。

基于上述地質(zhì)特征，可判斷工區(qū)地下巖溶和破碎帶的發(fā)育。

4 鉆孔施工

4.1 鉆孔施工工藝

本工程選用4臺履帶式地源熱泵專用鉆機，配備4臺29 m3空壓機，采用潛孔錘干鉆成孔。潛孔錘成孔工藝是常規(guī)回轉(zhuǎn)取芯鉆進速度的3倍～5倍。根據(jù)現(xiàn)場情況(電力、地層情況)的不同還可采用不同的鉆進工藝，直到達到設(shè)計要求孔深。

4.2 鉆孔施工難點

本例現(xiàn)場鉆孔過程中，遭遇巖溶裂隙，溶洞裂隙碎石常常導(dǎo)致鉆孔堵塞，從而增加施工難度，鉆孔難以成型。遭遇過不同程度的溶洞，石灰?guī)r等地質(zhì)情況，多數(shù)物探刨面均出現(xiàn)了測點異常，充水、充泥巖溶在區(qū)內(nèi)比較發(fā)育，導(dǎo)致鉆孔的施工難度較大。

4.3 鉆孔遇巖溶解決措施

結(jié)合物探數(shù)據(jù)，在深入認識該區(qū)巖溶發(fā)育的基礎(chǔ)上，本次鉆孔過程中針對鉆孔遇巖溶問題提出如下解決措施：

1)若溶洞位置較淺，溶洞位置距地面不超過20 m，則可以下和孔徑相符的鋼制套管，將溶洞進行隔離，鉆孔完成后可將套管拔出。若溶洞位置距地面超過20 m，那么下套管難度增大，同時套管下好后難以拔出。

2)若鉆孔過程遇到溶洞，沖洗液流失較為嚴重，鉆孔將無法繼續(xù)施工，此時應(yīng)根據(jù)此孔溶洞的大小采用永久性鋼管保護孔壁，才能繼續(xù)施工，否則該孔難以成型。

3)由于該項目場地下有發(fā)育程度不同的溶洞，施工過程中不可避免出現(xiàn)廢孔，造成地埋管總長度不夠，因此設(shè)計了其他地方進行補孔，以滿足總管長延米數(shù)。

4)提管后應(yīng)當(dāng)馬上下管，避免泥漿沉降堵孔、引起下管深度不夠、無法下管。

5)地源側(cè)水平管平面圖應(yīng)該結(jié)合施工實際鉆孔布置進行調(diào)整。

5 結(jié)論

針對鉆孔過巖溶構(gòu)造等問題，本文主要提出如下結(jié)論：

1)地下?lián)Q熱工區(qū)鉆孔施工前，應(yīng)當(dāng)做好前期物探工作，深入認識區(qū)內(nèi)巖溶構(gòu)造情況。

2)巖溶深度距地面深度不超過20 m時，應(yīng)下套管將溶洞隔離，待鉆孔實施完成后將套管拔出。

3)鉆孔過程中遭遇溶洞時，若溶洞斷面較大，應(yīng)基于溶洞大小下永久性套管保護孔壁。

4)提管后應(yīng)當(dāng)及時下管，避免泥漿沉降堵孔，導(dǎo)致鉆孔深度不滿足要求。

5)施工過程中難免遇到廢孔，此時應(yīng)當(dāng)在其他地方設(shè)孔進行彌補，不然會導(dǎo)致總設(shè)計管長不滿足要求，使得設(shè)計負荷出現(xiàn)偏差。

6)孔壁不穩(wěn)定但貫穿溶洞高度較小時可采用投黏土的方式進行護壁。

7)孔壁穩(wěn)定時應(yīng)采用降壓鉆進的方法在溶洞底部緩緩磨出小孔至0.5 m左右，再恢復(fù)正常鉆井。