1、穿越段工程概況

上海地鐵明珠線上體場車站穿越原地鐵一號線上體館站段(以下簡稱穿越段)由上行線隧道和下行線隧道組成,隧道斷面尺寸6.16m×6.38m(高×寬),長22.6m.穿越段與地鐵一號線斜交成79°,方向為由東向西。穿越段東端與明珠線上體場站相連,西端為明珠線區間隧道盾構工作井。

穿越段附近地面絕對標高+4.19m.穿越段結構頂面標高為-10.08m,緊貼地鐵一號線車站底板。穿越段結構底面標高為-15.82m.穿越段所處地層主要為飽和灰色淤泥質粘土和砂質粉土,地下水位與地面接近。穿越段施工采用凍結法加固地層,礦山法開挖的方案。

穿越段工程施工難度及風險均較大,主要原因一是穿越段上方為地鐵車站和城市干道立交橋,周邊有多幢住宅和重要公共建筑;二是穿越段結構緊貼地鐵一號線車站底板,同時開挖范圍內有近4m厚的超細粉砂地層,且地下水水壓較高;三是穿越段需穿透兩道厚0.8m的原地鐵一號線車站結構圍護地下連續墻,開挖跨度較大。

2、凍結施工方案設計

由于穿越段開挖范圍內有近4m厚的超細粉砂層,且地下水水壓較高,施工時很容易發生水砂突出災難性事故。尤其是穿越段上方緊挨原地鐵車站,要求施工引起的原地鐵車站結構沉降要控制在毫米級以內,對施工方案選擇提出了很高的要求。根據以往施工經驗,目前在隧道工程施工中經常采用的降水、注漿、管棚以及頂管等工法在該工程中都難以實施,或存在極大的風險,因而必須尋找一種新的施工方法,以徹底解決堵水、加固和有效控制周圍地層及建筑物變形的難題。

地層凍結法是用人工制冷的方法使含水地層凍結,形成凍土,從而提高地層穩定性和止水性的地層加固方法,適用于飽和砂土、淤泥等各種復雜地層加固。地層凍結法技術可靠,對施工條件要求寬,國際工程界認為它是在其他地層加固方法難以應用時的最終解決方案。

盡管地層凍結法有很多優點,但根據分析,在穿越段工程中應用該項技術還存在一些技術難題。首先是地層凍結時會產生凍脹變形,最大凍脹量可以達到凍土體積的7%以上,而凍土解凍時又會發生收縮融沉,且收縮量可以超過凍脹量,從而使周圍地層出現明顯隆起和沉降現象,引起周圍建筑物移位或產生變形破壞。其次是穿越段工程凍結邊界條件極為復雜,凍結區與地鐵一號線車站底板、圍護地下連續墻等易散熱物體直接接觸,使得接觸面處特別容易出現凍結薄弱區,從而影響凍結維護結構的強度與封水性。第三是在擬開挖隧道周圍施工凍結鉆孔和安裝凍結管難度較大,鉆孔時容易發生水砂突出事故。

下行線隧道與上行線隧道均采用“田”字形斷面的凍結壁形式,凍結設計參數見附表。凍結系統設計最低鹽水溫度為-28~-30℃,維護凍結鹽水溫度為-20℃,單孔鹽水流量為5~7m3/h.每條隧道計算需冷量為470MJ/h,實際裝機制冷量為700MJ/h。

3、凍結施工關鍵技術

3.1水平凍結孔施工技術

(1)采用二次開孔工藝,以防鉆透地下連續墻時大量出泥出水。一次開孔采用金剛石取心鉆在地下連續墻上鉆進300mm深左右,不鉆透連續墻。一次開孔鉆進完畢,下入孔口管并安裝閥門,接著進行二次開孔鉆進,直至鉆透連續墻。連續墻鉆透后,立即退出開孔鉆頭,關閉閥門。

(2)用夯管法下凍結管,夯管和鉆進時安裝類似軸封的孔口止水裝置。對于需要穿透對側地下連續墻的凍結孔,則先用夯管法下套管(套管下至對側連續墻墻面),然后用鉆機在套管中鉆透對側連續墻,再用夯管法下入凍結管。鉆進對側地下連續墻時,鉆頭部位安裝逆止閥和巖心管。

(3)下完凍結管后,對凍結管與孔口管及套管間的間隙和孔口附近地層進行注漿充填。

(4)下泄壓管(濾水管)時,在泄壓管內裝滿三合土,以防夯進泄壓管時出水,影響施工。

(5)確保凍結孔定位準確。凍結管夯進時,預設朝隧道外結構面法向的外偏角為0.5~1°,以防凍結孔太靠近開挖面,影響凍結壁有效厚度。

3.2地層凍脹和融沉控制技術

(1)在凍結壁內未凍土中設泄壓孔,通過放水、排泥來減小凍結壁內的水土壓力和消散作用在地鐵一號線上體館站底板上的凍結附加力。泄壓孔采用Φ140mm以上的鉆孔。泄壓孔濾管不包紗網,以便在凍脹引起地層壓縮時,可從泄壓孔泄水或排除部分土體。施中可根據車站結構及地層變形監測結果和泄壓孔中的水壓變化情況進行泄壓。

(2)在地鐵一號線上體館站底板附近增設凍結孔和加熱孔各1個,加熱孔兼作測溫孔。根據工程監測結果,合理調整凍結孔的供冷量。在特殊情況下,還可通過在加熱孔中循環熱水來迅速提高凍結壁溫度,使凍結壁軟化,從而減小凍脹力。在采取上述措施的同時,還注意控制好上體館站底板附近凍結孔的鹽水流量,使車站底板下邊的溫度處在-5~-10℃之間,實現了在保證凍土強度的情況下,盡量減小車站底板溫度應力的目的。

(3)合理安排凍結順序,減小凍脹引起的地層變形。根據不同位置凍結壁受力分布情況以及不同位置地層的凍脹和強度特性變化,分5步進行凍結。其中一號線上體館站底板下第2、第3個凍結孔晚開凍7d,以便形成緩凍層,減小凍脹力。

(4)在積極凍結過程中,待地鐵一號線車站底板隆起接近警戒值時,立即減少車站底板下1~2m范圍內凍結孔的供冷量,使凍土溫度升高,利用高溫凍土在荷載作用下容易蠕變和應力松弛顯著的特點,迅速減小凍結壁作用在車站底板上的凍脹力,從而達到減小車站底板隆起量的目的。

(5)在靠近上體館車站底板附近凍結壁墻界面上水平布置凍脹變形釋放孔。根據車站底板變形監測情況,必要時可拔出凍脹釋放孔內的鋼管,使土體內的凍脹力得到釋放。

(6)對凍結過程中車站結構的變形或受力變化情況進行監測,分析凍結施工對車站結構的最終影響,為調整凍結施工參數提供依據。通過調整鹽水流量和鹽水溫度來控制凍結壁厚度,使其保持在設計值左右。

(7)由于凍結壁解凍時有少量收縮,從而使地層產生融沉,可能給上部一號線上體館站帶來不良影響。為此,施工時在隧道襯砌上預留注漿管,在凍結壁化凍過程中進行注漿,以補償地層融沉。

(8)停凍后采取強制化凍措施,以盡快化凍,恢復穿越段附近地層的水土壓力,減小地鐵一號線車站底板沉降,縮短融沉補償注漿工期。

4、凍結壁質量保證措施

(1)凍結壁邊界保溫。穿越段頂部和東西兩側均為原地鐵車站混凝土結構,屬易散熱體。為了保證凍結壁質量,施工中對這3側混凝土結構暴露面采用現場噴涂聚胺脂泡沫層的方法保溫,收到了較好效果。

(2)在凍結壁兩端處的地鐵一號線車站地下連續墻表面敷設冷凍排管,以加強凍結壁與連續墻交界面處的凍結。

(3)控制凍結孔與地鐵一號線車站底板間的距離。由于混凝土散熱比土層要容易得多,會嚴重影響車站底板和地下連續墻附近土層的凍結速度和凍土強度,進而影響凍結壁的整體穩定性和封水性。為此,設計要求位于地鐵一號線車站底板下的凍結孔要盡量靠近底板布置,并在車站底板下挨近底板布置兩個凍結孔,確保車站底板下的凍結壁厚度與溫度達到設計要求。

(4)為了確保凍結壁與對側地下連續墻之間沒有影響安全的薄弱環節,穿越段外圍凍結壁側墻和底板的主凍結孔必須穿透對側地下連續墻,同時凍結管進入對側地下連續墻內不得小于400mm。

(5)加強凍結過程中的檢測和控制。通過檢測和控制各凍結孔的鹽水流量和鹽水溫度,使凍結壁快速均勻發展。在穿越段開挖過程中,通過對凍結壁暴露面和支護層的溫度、變形以及地鐵一號線上體館站結構變形等的監測,判斷凍結壁質量是否滿足設計要求,凍結施工是否會對地鐵一號線上體館站的正常運行和穿越段開挖造成不良影響,并根據具體情況,及時調整凍結時間、凍結鹽水溫度和鹽水流量,確保開挖施工安全順利。

5、結語

(1)穿越段凍結施工中提出的“田”字形凍結壁設計,夯管法與鉆進法相結合的凍結孔施工技術,控溫凍結與間歇凍結相結合的凍脹控制技術,以及凍結壁界面處加強凍結措施,符合工程特點,地層加固效果好,為穿越段安全順利施工創造了良好條件,同時確保了穿越段上方地鐵一號線車站結構穩定及地鐵運營安全。

(2)采用夯管法結合鉆進法的凍結孔施工技術,解決了在流砂地層中施工凍結孔時(尤其是穿透對側地下連續墻時)容易發生水砂突出的問題;并且施工工藝簡單,效率較高,施工質量完全能滿足凍結施工安全的需要。

(3)實測顯示,凍脹引起的地鐵一號線車站底板隆起主要發生在凍結壁交圈期間;車站底板凍脹隆起總量在3mm以內,與預計值接近,未超過規定值。這表明控溫凍結和間歇凍結等抑制凍脹的措施對控制地層凍脹隆起具有明顯的作用。

(4)施工中合理布置凍結孔,同時采取在凍結壁易散熱界面上噴涂聚胺脂泡沫層和敷設冷凍排管等保溫與加強凍結措施,使凍結壁與老結構之間基本不存在凍結薄弱區,對保證施工安全具有重要意義。

(5)隧道開挖時,開挖區地層已基本凍實,開挖面穩定,凍結壁具有足夠的承載力,可保證施工安全。開挖時實測的凍結壁變形量不超過2mm,初期支護承受的壓力也不大。

(6)下行線隧道停凍后的監測表明,由于凍結壁解凍時采取盡快化凍,恢復水土壓力和融沉補償注漿等措施,地層凍融引起的地鐵一號線車站底板基本上未發生沉降。

篇2:引水隧洞特殊地層施工技術

引水隧洞特殊地層的施工技術

在斷層及其他復雜地層,如在破碎松軟、滲水、漏水、流砂等不良地質構造中進行隧洞施工,防止圍巖坍塌和襯砌沉陷變形是關鍵問題。根據地質和水文地質資料,結合我單位施工經驗,采取相應措施:

1一般措施

(1)在思想上重視它。提前開展有關情況的調查,根據調查情況,認真分析研究,選擇合理的施工方法,制定相應的技術措施,避免在施工中造成困難,影響工程進展。

(2)采用地質超前預報,對前方的地質和水文條件進行預報,根據預報結果和已揭露的巖石情況綜合判斷,對前方的地質情況做到心中有數。

(3)縮短開挖進尺,嚴格控制爆破的單段起爆藥量,確保爆破震動速度控制在2.0cm/s以內,同時加強爆破振動速度監測,及時調整爆破參數。

(4)爆破后要及時出碴,及時進行支護,減少掌子面暴露時間,并根據圍巖量測情況大決定該段是否加強支護。

(5)技術人員必須現場旁站值班,隨時觀察了解掌子面的情況,及時采取有效措施。

2塌方預防及處理

2.1塌方預防

防止塌方是保證安全施工和快速掘進的關鍵,因此施工人員必須從思想上引起足夠重視,施工前根據設計提供的地質勘探資料,實施超前地質探報技術,制訂切實可行的施工方案。施工過程中,隨時觀察和監測有無異常,仔細研究巖體和地下水變化規律,不斷修正和完善原設計方案。

(l)勤觀測

在施工過程中,隨時觀察和量測現場工程地質及水文地質變化情況,研究變異規律,據以制訂施工對策,在地質構造復雜地段,埋設YST型鋼絲收斂計,及時預報巖體穩定情況。

(2)短開挖

巖性不良地段,嚴格控制進尺,緊跟作業面一次支護快速襯砌,多打孔,少裝藥,放小炮,保證斷面規整,為初期支護創造條件。

(3)強支護

及時支護是消除塌方的重要手段,強支護是預防塌方的主要措施,施工中利用小導管注漿、長管棚、格柵拱等進行強支護。

2.2塌方處理

不同類型的塌方,選擇不同的處理方案,某些情況還需要幾種方案綜合處理。根據本工程的特點,對預計可能發生的幾種塌方情況,提出以下的措施:

(1)裂隙擴張造成的小塌方:

此類塌方多發生在輕微風化或裂隙較密集的圍巖中,主要是由于開挖和支護方法不當造成,常發生在爆破后的幾個小時內,雖然塌方數量不大,但威脅工作面的施工安全,施工中擬用加強錨噴法。

(2)塌方體窄長的小塌方

此類塌方多發生在斷層破碎帶較窄且兩側巖體比較完整的地段,施工中可采用挑梁法安裝鋼支撐,然后對塌方處錨噴,挑梁法指將型鋼穿過臨時架立支撐的頂梁直抵掌子面,形成一排挑梁,在挑梁上架設水垛,填塞洞穴。

(3)中等塌方

塌方量較大,塌方范圍在10m左右,多發生在兩條相鄰、傾向相對的斷層帶或兩種巖層交接帶。在塌方之前,常有掉塊現象,其頻率及塊度隨爆破振動烈度、振動頻率和地下水活動強度的增加而提高。在塌方后,常有較穩定的頂板,繼續塌方的可能性不大,一般用錨噴法、插筋排架法、護頂法、管棚法等處理。

(4)大塌方

該類塌方在100m3以上,塌穴高度在10m以上,當洞頂巖層較薄時,易發生冒頂。處理措施為:若塌方堵塞整個隧洞,且對塌方規模和規律還不了解,可采用錨噴法,管棚法等多種處理措施;當塌方段埋藏較淺或地質條件較為復雜時,從洞內處理難以保障安全,可采用灌漿法和環行導洞法綜合處理。

由于地下工程塌方情況十分復雜,塌方處理也無一定模式,具體要視現場情況研究決定。但根據以往的施工經驗,以便做到未雨綢繆,一旦發生塌方,能夠及時采取有效措施,以把損失減到最小,現對以上幾種塌方形式提出如下處理方法,見表4-3。

表4-3塌方處理的主要方法

序號處理方法適用條件主要施工程序

1噴錨法小塌方或邊墻塌方處理,亦常作為綜合治理方法之一處理大塌方①搭設作業平臺;②清理巖面;③安裝錨桿;④掛鋼筋網;⑤噴混凝土;⑥安裝錨索(需采用錨索支護時)

2對頂支撐法塌穴面前沿機頂拱發生小塌方以后,邊墻和掌子面均無法找到底梁支點位置時的塌方①加固塌方兩端;②安裝鋼頂撐;③塌穴噴錨;④出渣(塌穴高度大時,重復①~③程度;⑤分段襯砌;⑥塌穴回填及加固

3挑梁法掌子面前沿頂拱發生小塌方以后,邊墻和掌子面均無法找到底梁支點位置時的塌方①將圓木或型鋼穿過原支撐或臨時架立支撐的頂梁直低掌子面,形成一排挑梁;②在挑梁上架設木垛,填塞塌穴;③出渣

4插筋排架法塌方堵塞全部工作面、塌穴情況不明的大塌方,或冒頂事故的塌方,也是實現護頂法,混凝土縱梁法和環形導洞法等處理方法的重要施工程度之一。①緊貼掌子面架設鋼支撐;②在頂拱設計開挖線以外按一定角度(3°~10°)鉆孔;③安裝鋼筋支架形成掌子面超前支護;④在鋼筋支架保護下塌方體出渣;⑤噴混凝土;⑥按①~⑤程序繼續施工

5護頂法塌方堵塞高度超過掌子面頂部的頂拱塌方①由地表鉆孔或開挖旁通洞進入塌穴上部空腔;②找平塌穴下部塌渣;③灌注水泥砂漿護拱或澆筑混凝土護拱;④出渣并作臨時支護;⑤護頂(或襯砌);⑥回填護頂以上塌穴

6導洞灌漿法埋置深度較大的地下工程塌方①導洞開挖;②在導洞內鉆孔灌注;③分段擴大;④分段襯砌

7鋼管棚架法大、中型地下工程大塌方及冒頂事故①水平鉆孔;②埋設鋼管;③在鉆孔內和鋼管內灌漿(某些情況下可不灌漿);④塌方段分段開挖出渣;⑤塌方段分段襯砌

8環形導洞法大型地下工程的大塌方或冒頂事故①由下而上開挖導洞群并回填混凝土,完成邊墻頂拱環形支護結構(亦可結合建筑物作為永久襯砌);②中央核心塌體出渣;③抑拱襯砌

3防護措施

根據現場詳細地質情況,針對性地采取防護措施。

3.l超前小導管注漿施工

斷層破碎帶視巖性及涌水具體情況采取不同措施,如果斷層破碎和涌水不嚴重,擬采用全斷面光面爆破法施工,否則,采用微臺階法開挖、小導管超前注漿,工藝流程見圖:

施工準備--噴砼凝土封閉開挖面--鉆孔打小導管--注漿--開挖0.5~1.0m

小導管一般采用φ32mm的有管,鋼管長度采用3.5~6.0m,鉆孔直徑比管徑大20mm,鋼管應沿隧洞開挖輪廓線布置向外傾斜,外插角α一般為5°~10°,處理坍體可適當加大。

導管插入鉆孔后外露一定長度,以便連投注漿管,并用塑膠泥將導管和周圍孔隙封堵。注漿壓力根據地層致密程度為0.5Mpa-1.0Mpa。縱向前后相鄰兩排小導管搭接

的水平投影長度b不小于1m,滲入性注漿導管環向間距a通過試驗確定,但不得超過0.4m,如果地下水豐富,滲入性注漿先用排管式排管C=0.35m。

注漿前用噴砼封閉掌子面,以防漏漿,對于強行打入的鋼管,先沖清管內積物,然后注漿,注漿順序由下而上,漿液用人工拌和。

水泥漿水灰比為1.5:1,1:1,1:0.8,三個等級,漿液由稀至濃逐級變換,即先注稀漿,然后逐步變濃直至0.8:l為至,考慮到注漿后需盡快開挖,注漿應用普通水泥或早強水泥,拌漿時可摻入減水劑。

滲入性注漿按試驗所確定的壓力及注漿量施工,小導管注漿的孔口最高壓力嚴格控制在允許范圍內,以防壓裂工作面,同時,若孔口壓力已達到規定值,即每根導管內已達到規定注入量時,就可結束。若孔口壓力已達到規定值,但注入量仍不足,亦應停止注漿。注完漿的鋼管要立即堵塞孔日,防止裝液外流。

注漿結束后,必須檢查鉆孔,檢查注漿效果,如未達到要求,應進行補孔江裝。注漿后,等待8小時后方可開挖,開挖長度應根據長度而定,但必須留下3~5米的止漿墻。超前小導管注漿施工工藝流程圖4-7:

3.2管棚法

用潛孔鉆機鉆眼,采用φ108鋼管,管長根據現場地質情況而定,一般為10-20m,管內灌注砂漿(圖4-8),并采用鋼支撐復合支護。

雙排管圖4-7超前小導管注漿施工工藝流程圖

圖4-8管棚法施工布置圖

3.3格柵拱噴砼復合支護法

格柵拱由四根φ22或φ25螺紋鋼,20×20cm正方形間距布置,外弧桿與內弧桿之間用φ10鋼筋交叉焊接成整體,根據斷面大小將榀分成四部或五部,中間用法蘭連接。兩榀間距為70cm,兩榀之間用φ22螺紋交叉連接,采用超前錨桿或徑向錨桿固定,最后進行噴漿(圖4-9)

圖4-9格柵拱噴檢復合支護施工布置圖

篇3:繩索取芯鉆探在復雜地層礦區施工技術措施

摘要:該文主要論述了繩鉆技術在復雜地層煤田勘探礦區中研究應用情況及取得的效果,即從鉆孔結構沖洗液技術、護壁堵漏技術、鉆具配套及硬巖鉆進等方面進行了有效的探索和應用,對類似礦區施工具有較強的實踐性和指導意義。

主題詞:繩索取芯鉆探技術;施工措施;含煤礦區復雜地層

“科學技術是第一生產力”。這是*理論對馬克思主義科技理論的重要貢獻,在這一理論的指導下,我國的科學技術水平出現蓬勃發展的局面。作為煤田地質勘探專業隊伍的福建省121煤田地質勘探隊,從上個世紀八十年代中期為加快勘探步伐,縮短勘探周期,依靠科技進步,積極推廣應用繩索取芯金剛石鉆進技術(以下簡稱繩鉆技術);經過二十多年的努力和探索,使繩鉆技術不斷完善,鉆進效率和勘探質量明顯提高。二十二年來累計完成鉆探進尺48.4萬米,在閩、云、貴、川等省份探明煤炭儲量50余億噸,為當地的經濟建設做出突出貢獻。通過多年對該技術的研究和應用,使福建省121隊的鉆探技術競爭力不斷提高,繩鉆技術應用水平達到國內領先。

1含煤田地層的基本特點

煤田勘探施工的主要區域分布在福建、云南、貴州、四川等省份。福建煤田地質主要勘探對象見三疊紀童子巖組,童子巖組之上由翠屏山組所覆蓋,為非煤系地層,主要巖層見泥巖、粉沙巖、細粉砂巖和中粒沙巖。云、貴、川主要含煤地層為二疊系上統龍潭組,主要巖性以粉砂巖、細砂巖、泥質砂巖、粉質泥巖為主,而覆蓋其上部的三疊系個舊、永寧鎮組以灰巖為主。

福建省121隊煤田勘探礦區按鉆探施工技術要求,有如下幾個特點:

(1)鉆孔漏失嚴重為主要特點。特別是永寧鎮組、個舊組中的石灰巖溶洞發育,溶洞最大達20米。童子巖組的風化帶和斷層破碎帶也是主要漏失區,屬裂隙裂縫性,有時也出現小溶洞,并有地下水活動。另外,由于繩鉆工藝環空間隙小,泵壓損失大,常使地層失去平衡以致誘發漏失。

(2)孔壁坍塌也是繩鉆工藝施工中常見現象,坍塌常出現在斷層破碎帶中。另外,在厚煤層中(特別見粉煤層)鉆進,由于鉆孔護壁不穩定,上下鉆具操作不當也易引起煤層坍塌,這種現象在各勘探區都經常遇到。

(3)硬巖“打滑”地層,在翠屏山底部約40m,屬硅質膠結的石英砂巖。同時,含有少量的隧石,巖石硬度在*級以上。采用一般金剛石鉆頭鉆進其效果差,鉆效低,新鉆頭投入使用后很快被磨鈍而打滑不進尺。

(4)煤系中煤層多,一般鉆孔都可見煤層十幾層,煤層有塊煤、粉煤兩種。粉煤取芯難度大,若操作不當往往造成采取率達不到要求致使鉆孔質量降級。

(5)巖層傾角變化大,軟硬互層頻繁,屬易斜地層。

(6)龍潭組中部分泥巖遇水膨脹,鉆進中發生縮徑現象,對泥漿性能要求高。

總之,煤田地質工作條件的特點綜合反映了南方各省普遍出現的“硬、脆、碎、漏、塌、斜、脹”的復雜面貌,直接影響鉆探效率和鉆孔質量的提高。

2繩鉆施工技術的研究和應用

2.1對鉆孔結構的設計和選擇

鉆孔結構設計和選擇正確與否,直接影響鉆探效率的提高和施工成本的降低,該項工作對鉆孔的順利施工影響極大。因此,根據客觀條件選擇合理的鉆孔結構是保證繩索取芯鉆進正常進行的重要條件,可以減少重復擴孔和起下技術套管的程序和時間,從而提高鉆進效率。

(1)對構造簡單、開孔為煤系地層且鉆孔較淺、巖石較完整的礦區,一般選用2-3級鉆孔結構,下1-2層技術套管。如一開φ110、二開φ95、三開φ77為常用的鉆孔結構。

(2)對上部較復雜、無煤系開孔的鉆孔、或存在灰巖溶洞的礦區,一般選用4-5級鉆孔結構,利用技術套管將上部復雜地層隔離后,再使用s75鉆具完成煤系地層的施工;即一開φ130或更大、二開φ110、三開φ95、四開φ77終孔,為常用的鉆孔結構。(見表1)

表1云南老廠礦區鉆孔實際成孔結構一覽表

序號孔號終孔深度(m)套管備注φ146φ127φ108φ8914225-21026.6918.6119.77196.58536.4624213-1887.1821.7429.67144.0434307-1806.1819.06562.00589.4144109-2754.1818.9818.21108.9854229-1785.784.024.40103.7864229-2874.5048.00202.8074221-21030.3080.7694.53282.2284221-1827.428.8792.7294225-3831.4213.2421.6942.05104213-2891.239.3036.7475.86141.94114109-1783.9510.3380.14350.36

由此可見,選擇合理的鉆孔結構,充分發揮技術套管對上部復雜地層的隔離作用,見順利完成鉆孔施工重要保障。

2.2沖洗液的研究和應用

沖洗液是鉆探的血液,是保證繩鉆技術能否順利應用的關鍵技術。針對煤田地質情況,研制出既符合繩鉆開高轉要求的“三低一好”(低粘度、低切力、低密度、潤滑性好),又能滿足不同地層護壁要求的各類沖洗液,經過多年的研究和探索,已形成系列:

(1)無固相沖洗液。與清水相比,具有較好的攜帶和懸浮巖屑的能力,且能在井壁上形成薄的吸附膜,具有一定的護壁能力,有較好的潤滑和減阻作用。由于現場配制簡單、成本低、鉆進時效高等特點,深受一線職工歡迎。該類型的沖洗液主要應用于無煤系地層或條件較好的煤系地層。

常用的無固相沖洗液有:聚丙烯酰胺(php)無固相沖洗液、田菁膠(tg-1)型無固相沖洗液、my型無固相沖洗液等。無固相沖洗液適當加入鉀離子(k+)可提高其護壁能力。

(2)低固相沖洗液。以優質鈉膨潤土為基本造漿材料,以添加一定量的泥漿處理劑調整沖洗液性能達到即能滿足繩鉆開高轉數的需要,又能達到護壁的目的。如以(3-5)%人工鈉土配成基漿,添加硝基鐵鉀、磺化瀝青(dlsas)、廣譜護壁劑(pgs)、潤滑劑等制成的優質低固相沖洗液,適應于破碎帶、泥巖、煤層等遇水膨脹、坍塌水敏性地層。

(3)實例應用

福建省121隊2000年106鉆機在四川攀枝花礦區施工2個孔,累計見可采煤層46層,煤層厚度達65.46m,由于沖洗液類型選擇合理,性能穩定,沒有出現坍塌現象,保證鉆孔的順利施工,使繩鉆的優越性得到充分發揮,取得較好的經濟技術效果。(見表2、表3)

表2沖洗液類型的選擇及性能

地層沖洗液類型密度(g/cm3)粘度(s)ph值失水量(mm)濾餅厚(mm)塑粘(mm)摩擦系數非煤系php-f無固相1-1.0115-168---0.1-0.13煤系pgs-dlsas-f低固相1.02-1.0518-228-1016-200.510-110.12-0.16

表3鉆探施工主要經濟技術指標

孔號終孔深度(m)鉆月數(個)鉆效(m)時效(m/h)純鉆率(%)孔故率(%)煤層厚度(m)優質層合格層鉆孔質量9031870.681.07813.723.115.02040.44157特9023942.741.40673.393.2444.3025.02186特小計1813.422.47734.173.1846.2065.463313

從以上可以看出,在沖洗液類型選擇方面,一般情況下無煤系地層選用無固相沖洗液,即可以降低生產成本,又可提高鉆進時效;在煤系地層,選用低固相沖洗液可實現安全順利施工。

2.3適當增大鉆頭外徑

適當增大鉆頭外徑,對鉆探施工是非常有利的。根據龍永煤田的實際情況,先后兩次增加鉆頭外徑,由φ75到φ76到φ77(擴孔器外徑隨之加大),直徑加大后一是有利于排除巖屑,減少沖刷,有利于孔壁穩定;二是可保證經過改扣的φ89套管能夠繼續作為技術套管;三是增徑后有利于減少沖洗液的漏失;四是有利于減輕泥漿泵的負荷。見表4。

表4增徑后泵壓變化情況表

鉆頭外徑(mm)泵量(l/min)沖洗液類型孔深(m)工作泵壓(mpa)7557低固相500-6003.0-4.07657低固相500-6002.5-3.57757低固相500-6001.0-1.57792低固相500-6001.5-2.0

2.4護壁、堵漏技術的研究和應用

(1)充分發揮技術套管的隔離作用,將上部復雜地層隔離,為下部施工創造條件。如云南老廠礦區上部被永寧鎮組、個舊組灰巖所覆蓋,該礦區“十山九空,孔孔有硐”,用技術套管將上部灰巖隔離是解決涌、漏水最有效的措施(見表1),該措施適應于灰巖溶洞、采空區、鉆孔超徑、縮徑、涌水量大嚴重坍塌的鉆孔。

(2)對于滲透性漏失的地層(漏失量小3.5m/h)采用綜合惰性材料灌孔壓堵可取得較好的效果。該辦法的堵漏原理是:選用一定粒度的惰性材料與“801”堵漏劑、濃泥漿按一定比例配成堵漏漿液。待內管總成打撈起來后,將堵漏漿液倒入繩鉆桿內,對上立軸,用水泵將堵漏漿液一部分壓到漏失通道,一部分順環空間隙返到孔口,以達到堵漏的目的,該堵漏措施在龍永煤田效果明顯。應用情況如下:

①龍永煤田東中礦區6-7號孔在孔深258.50-269.57m孔段為裂隙漏失,漏失量2.1m3/h,水位為48m,經采用“801”堵漏劑3kg+鋸末5kg+稠泥漿配成堵漏漿液,從繩鉆桿內灌入,在開泵壓送后,漏失量減少到0.9m3/h。

②東中礦區6-8號孔在孔深172.10-174.46m段為裂隙漏層,漏失量達3.1m3/h,采用“801”堵漏劑3kg+綜合惰性材料5kg+濃泥漿配成堵漏漿液,從繩鉆桿內灌入,漏失量減少到0.4m3/h。

③培豐礦區8-2號孔在孔深575.50-587.40m漏失不返水,水位216m,采用dtr堵漏劑100kg+花生殼25kg+泥漿0.5m3配制堵漏漿液,泵入后靜壓4:30h,掃孔后返水正常。

④富嶺礦區5-1號孔孔深128.50m處出現漏水,漏失量達2.5m3/h采用高吸水樹脂(pan-km)堵漏劑5kg+濃泥漿配成堵漏漿液,從繩鉆桿內灌入用泵壓堵,先后灌壓3次,漏失量分別減少到0.9m3/h、0.3m3/h和0.01m3/h,達到預期目的。

可以看出,采用綜合惰性堵漏劑材料進行灌孔堵漏效果明顯,由于該方法材料來源廣、成本低、操作簡單,是施工現場最常用的辦法之一。

(3)其他堵漏護孔方法

當遇裂隙較發育、地下水活動歷害、灌孔堵漏效果不明顯時,也可采用水泥封孔護壁堵漏、改性瀝青球堵漏、粘彈性材料堵漏、化學漿液堵漏等方法,也取得一定的效果。

2.5完善繩鉆鉆具配套技術

多年的實踐證明:在客觀條件復雜的情況下,單一的繩索取芯鉆具無法滿足多級鉆孔結構施工的需要,為提高鉆進效率,減少輔助時間,機臺應用s95、s75雙套鉆具比應用單一的s75鉆具施工效果要好得多。使用方法是:采用s95鉆具鉆穿復雜地層下入φ89套管后,換用s75鉆具完成終孔,如東中礦區雙套鉆具配套使用前后情況對比,見表5:

表5東中礦區增配s95鉆具前后經濟技術指標對比

鉆具鉆孔數工程量(m)平均孔深(m)時效(m/h)純鉆率(%)孔故率(%)提鉆間(m)報廢工程量(m)鉆效(m)s75116448.40537.360.7827.129.83.98851.26140.13s95/s75126199.40563.581.3833.812.68.0454.28339.02

2.6硬巖石的治理措施

(1)應用繩索取芯液動沖擊回轉鉆進技術是對付巖石的有效手段。福建省121隊先后應用mtz77s型、s75c型、s95c型液動沖擊回轉鉆具在“打滑”硬巖鉆進與普通繩鉆相比,時效提高77%-162%。福建地質八隊在紫金山礦區采用普通沖擊回轉鉆進技術,工程量達到29134m,比回轉鉆進小時效率提高40%,臺月效提高127%。

(2)選用弱包鑲防“打滑”金剛石鉆頭鉆進,其基本原理是金剛石鉆頭胎體磨損比普通鉆頭快,不容易使鉆頭胎體拋光打滑,使工作中的金剛石顆粒處于克取狀態。該鉆頭與普通金剛石鉆頭比時效成倍提高,雖然鉆頭壽命短(10-15)m/個,但從整體效益評價是可行的。

(3)投砂鉆進法。將內管打撈后向孔內投入適量堅硬的碎石子,將“打滑”后的孕鑲鉆頭胎體進行磨損,露出金剛石顆粒進行鉆進,達到提高時效的目的;但采用該方法其鉆進參數與正常鉆進有所不同,鉆頭壓力提高約20%,轉數降低100-200rpm,才能達到比較好的效果,該方法也是較常用的。

3取得的成效

福建煤田地質局在推廣應用繩鉆技術的二十多年來,依靠科技進步,開展技術創新,對該技術的應用進行了積極的探索和研究,先后完成7項ⅱ類科研項目,13項ⅲ類科技成果,近30項小改小革。其中《繩索取芯金剛石鉆進技術在煤田勘探中的推廣與應用》獲中國煤炭工業協會科技進步三等獎,《福建煤田鉆孔護壁與堵漏的研究》獲探查三次煤田勘探科技進步一等獎,《鉆探設備典型檢修工藝研究》、《雙面施焊內外一次成型等離子焊》填補了國內技術空白。科技成果的應用大大提高了繩鉆技術應用水平,各項經濟技術指標達到國內領先水平,見表6。

表6、福建煤田地質繩鉆主要經濟技術指標表

年份開動鉆機進尺(萬米)鉆月數(個)鉆月效率(m/月)時效(m/h)巖芯采取率(%)特甲級孔率(%)七.五7-1510.334422331.078687八.五3-1510.242424221.679191.3九.五2-46.00996042.049495十.五4-1013.282156173.-208.581346413.149496

1、鉆探質量大幅提高,特甲級孔率從老工法的65-70%提高95%以上,一次成孔率、巖礦芯采取率大大提高。

2、鉆探效率大大提高,使用老工法鉆月效率180m/月推廣應用繩鉆“七.五”期間233m/月、“八.五”期間422m/月、“九.五”期間604m/月、“十.五”期間仍保持600m/月以上。小時效率由老工法的0.65m/h提高到應用繩鉆技術“七.五”期間1.07m/h、“八.五”期間1.67m/h、“九.五”期間達3.01m/h、2006年達3.14m/h。

3、處理復雜情況的能力大大增強,孔內事故大幅度下降,職工的勞動強度降低,改善了生產條件,實現了文明生產。

4、經濟效益和社會效益顯著。鉆探直接成本下降20-30%,縮短了勘探周期,地質報告的精度和研究程度提高。

4結論

筆者認為,金剛石繩索取芯鉆進技術本身是一門科學,在推廣應用過程中必須以嚴謹的科學態度處理其中的一切,只有這樣才能鞏固和發展。繩鉆技術同時又是一個復雜的系統工程,任何一種單一的技術手段都不同程度地存在局限性,對復雜情況的處理只有采取綜合技術措施,才是科學的、合理的。

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