王家強

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

1 盂縣水井工程概況

盂縣供水井位于新石太鐵路沿線，屬于鐵路太行山隧道施工供水井，從縣城東測的降香坪村沿雙陽公路到河北邊界的寺坪村共九眼井，要求出水量20～35t/h不等。地層從上到下主要是砂土覆蓋層、石炭系砂頁巖及煤系地層、峰峰組泥灰?guī)r夾灰?guī)r，上下馬家溝組灰?guī)r、白云巖。主要采水層是上下馬家溝組碳酸鹽巖的巖溶裂隙水。施工區(qū)缺水，施工用水不易解決，需長距離拉水。

2 施工策劃

水井施工常規(guī)的作法是回轉(zhuǎn)取心鉆進，即合金或金剛石鉆頭在鉆桿和鉆具重力作用下回轉(zhuǎn)研磨巖石，提鉆撈取巖心，用水或泥漿循環(huán)來冷卻鉆頭排除巖粉。由于施工區(qū)缺水，施工用水需要長距離拉水，這樣成本高而且用量不易保證。另外根據(jù)以往施鉆經(jīng)驗，峰峰組泥灰?guī)r屬水敏性地層，在水的浸泡下容易膨脹造成糊鉆或抱鉆給施工帶來困難。鑒于以上原因我們選擇了先進的潛孔錘鑿井工藝，它是采用空氣或泡沫作為沖洗介質(zhì)，即在水井上部采用空氣鉆進，下部采用泡沫鉆進。大大降低了水的用量，解決了泥灰?guī)r的遇水膨脹問題。另外，潛孔錘采用沖擊全面破碎巖石，且不用頻繁提鉆打撈巖心，加快了鉆進速度。

3 鉆井設(shè)備

紅星-600型鉆機額定鉆孔深度600～800m，最大扭矩11.3kN.m,最大提升力34.3kN。鄭州探礦機械廠出品；

英格索蘭-1070型空壓機、阿特拉斯-466型空壓機；

BW-250型泡沫泵；

TH-180型潛孔沖擊器；

潛孔錘球齒狀鉆頭，其型號有φ400，φ350，φ300，φ250等各種。

4 鉆進工藝

4.1 井身結(jié)構(gòu)

井身結(jié)構(gòu)的確定是根據(jù)下泵段的井管直徑上下推，下泵段含水層灰?guī)r的井管和花管直徑為φ273mm，采用泡沫鉆進，錘頭直徑為φ300mm,上部泥灰?guī)r地層的井管為大一級的φ325mm,采用空氣鉆進，錘頭直徑為φ350mm，再上部砂頁巖及煤系地層的井管為φ377mm,采用空氣鉆進，錘頭的直徑為φ400mm。最下部用直徑φ244mm的牙輪鉆井，裸眼，作為沉淀段。井身結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，若砂頁巖地層不厚，就與下部泥灰?guī)r合為一級用φ325mm。頂部覆蓋層的護口管要更大一級的，為直徑φ426mm，鉆進直徑為φ450mm，該管在下了φ377mm井管后即拔除。

4.2 鉆進參數(shù)

潛孔錘鉆進效率的高低，不僅取決于所用的空壓機、沖擊器及鉆頭的性能和質(zhì)量，而且必須做到合理操作，正確選用鉆進技術(shù)參數(shù)，潛孔錘鉆進的主要技術(shù)參數(shù)包括以下幾項。

風量：根據(jù)所選用的空壓機和潛孔錘的性能，合理確定風量。為使?jié)摽族N正常工作且又能排除巖粉，要求鉆桿和孔壁環(huán)狀間隙之間的最低上返風速為20m/s。如風量較小，就難以排除孔內(nèi)巖粉，從而影響鉆進效率。該鑿井風量選擇空壓機最大風量20m3。

風壓：潛孔錘的沖擊頻率和沖擊功都與風壓有密切關(guān)系。潛孔錘鉆進常用風壓是鉆進參數(shù)重要指標之一。鉆速和風壓幾乎是成正比的。風壓從0.6MPa提高到1.03MPa時，鉆進效率可提高一倍。低壓潛孔錘，所需風壓是0.5～0.7MPa；高壓潛孔錘，所需風壓是0.8～1.5MPa。在潛孔錘鉆進時，除正常工作所需風壓外，還要加上孔深時沿程壓降及克服水位以下的水柱壓力。

隨著井深的增加，空氣沿途消耗的增加，在300m以后，上返風速往往達不到最低排屑的要求，這時需要采用泡沫鉆進法，它是在向孔內(nèi)即鉆桿沖擊器內(nèi)輸送壓縮空氣的同時，通過泡沫泵向空氣流中注入一定量的水和泡沫劑，用量比例為2‰～5‰，上返排屑就由單純的風變?yōu)榕菽菽怯删o密而細小、有堅固薄膜的氣泡組成，具有較高的表面黏度和強度，在環(huán)形空間流動時環(huán)空的變化會造成泡沫氣體體積的變化，使泡沫流具有上浮的趨勢，因此泡沫的攜帶能力很強，彌補了空壓機能力的不足。增加水和泡沫劑的用量可以增加泡沫量，提高攜粉能力。另外再添加和溶解一種化學(xué)品12H2OKAlSO4粉末可增加泡沫水溶液的比重，提高泡沫溶液的攜粉能力。具體用量可根據(jù)井口上返泡沫攜粉情況調(diào)節(jié)。采用泡沫鉆進時的風量和風壓與純空氣鉆進時相同。

沖擊頻率：當潛孔錘額定風量和額定風壓均達到規(guī)定要求時，都能達到額定沖擊頻率。潛孔錘一般的額定沖擊頻率為800～1500次/min。TH-180的沖擊頻率是1200次/min。

鉆壓：從潛孔錘破碎巖石的原理來看，巖石主要是在沖擊功作用下破碎的。潛孔錘鉆進效率的高低，主要取決于沖擊功的大小和沖擊頻率的多少，而鉆壓是保證沖擊功率并發(fā)揮作用的輔助力。對某一直徑的潛孔錘來說，鉆壓有一個合理的范圍。鉆壓過大，不僅不會提高鉆進效率，反而會加速鉆頭磨損，球齒掉落，回轉(zhuǎn)困難，。在本次鑿井使用φ300mm的潛孔錘，鉆壓在15～20kN時鉆進效率最佳。使用φ350mm潛孔錘，鉆壓在18～21kN時較為合理。在紅星-600水井鉆機的實際操作中，鉆壓的表現(xiàn)和變化不是靠儀表儀器，而是根據(jù)鉆具鉆桿的重量和卷揚機鋼絲繩提吊相結(jié)合，視鉆進情況決定，與地層硬度、施鉆者經(jīng)驗有關(guān)。

轉(zhuǎn)速：為使?jié)摽族N的沖擊功有效地傳到孔底，鉆機立軸轉(zhuǎn)速應(yīng)按潛孔錘的沖擊頻率、沖擊功和所鉆巖石的性質(zhì)、鉆頭直徑來確定，回轉(zhuǎn)速度僅是為了改變鉆頭硬質(zhì)合金刃破巖的位置，因此合理的回轉(zhuǎn)速度應(yīng)保證在最優(yōu)的沖擊間隔范圍內(nèi)破碎巖石。TH-180型氣動潛孔錘鉆進時轉(zhuǎn)速在20～40r/min。

4.3 鉆進技術(shù)措施

1）嚴格按照鉆進技術(shù)參數(shù)作業(yè)，正常鉆進時，觀察孔口返氣排粉和泡沫排屑情況及進尺情況。當排粉及進尺都正常時則無需提動鉆具。若只進尺而排粉不正常，則應(yīng)在鉆進一定進尺后就提動一次鉆具，此時沖擊器不工作，產(chǎn)生較大的上返風速，待巖粉和巖屑吹出孔口后，再將鉆具放到孔底繼續(xù)鉆進。這種瞬間上提鉆具，能將較大的掉塊吹出孔口，保持孔底干凈。

2）泡沫鉆進時應(yīng)先開啟泡沫泵再開空壓機，防止空氣倒憋泡沫泵使泡沫液不易注入空氣流。這是根據(jù)工地大功率空壓機英格索蘭1070和阿特拉斯466而言，泡沫泵是普通的BW-250型三缸泵，用木塞堵其兩缸，用一缸工作。這種泵壓力大，減少了規(guī)范上使用的增壓裝置，且工作穩(wěn)定。

3）鉆進時應(yīng)經(jīng)常觀察風壓表的壓力變化，當風壓突然增大時，同時上提鉆具又感到困難，可能是潛孔錘上部形成泥團或埋鉆。若在串動鉆具的同時靠空壓機的額定工作壓力能將上部堵塞物吹開，就可繼續(xù)鉆進。若無效時，可采取從孔口注水，將泥團稀釋吹出孔口?；蛘邚你@桿中注入一定的泡沫劑也可稀釋排除。在鉆進峰峰組泥灰?guī)r時，常遇到此情況，工人稱這種情況叫“蓋帽”。

4）鉆進中，如發(fā)現(xiàn)鉆桿抖動厲害或周期性滯轉(zhuǎn)現(xiàn)角，說明遇到破碎帶或較大襲隙，應(yīng)立即提動鉆具，再緩慢下放，以較低鉆壓通過該區(qū)，防止造成鉆桿折斷等事故。

5）如發(fā)現(xiàn)孔口不返氣、進尺緩慢，說明遇到大裂隙，應(yīng)反復(fù)上下提動鉆具進行周期性碎巖和吹孔工作，把大顆粒巖屑沖成粉末并吹入裂縫中，保證正常鉆進。必要時，應(yīng)加入泡沫劑以堵死裂隙。

6）回次結(jié)束后，不要急于停氣，應(yīng)上提鉆具0.3～0.5m，進行吹孔和高濃度泡沫循環(huán)攜粉。待孔口不返巖屑時，才可停風加接鉆桿。

7）停風時，應(yīng)緩慢關(guān)閉送風閥，不可突然中斷供風，防止?jié)摽族N倒吸巖粉，造成潛孔錘堵塞事故。

8）定期向鉆桿內(nèi)加入少量機械油，確保潛孔錘充分潤滑（冬季施工，機械油應(yīng)加熱）和高效能，延長使用壽命。

9）在接單根鉆桿時，主動鉆桿接上后即開始供風，將孔底吹干凈后就可繼續(xù)鉆進。不要將鉆具下到孔底后再供風，這樣容易造成潛孔錘內(nèi)被巖屑堵塞，發(fā)生故障。

10）當空壓機風壓不足時，可采用兩臺或多臺并聯(lián)的辦法，以加大風壓。

5 經(jīng)驗積累及體會

1)鉆進的工作效率即潛孔錘的工作效率，主要取決于空壓機的能力。如今，高質(zhì)量的空壓機均是進口或合資生產(chǎn)，其核心技術(shù)由外國掌握，所以價格很高，如英格索蘭1070的柴油機是美國卡特公司制造，機械油和潤滑油由卡特公司專供，維護費用也高，而且它們都是燃油驅(qū)動，每小時燃油約80L，工人叫它“油老虎”，成本很高。

2)若潛孔錘錘頭直徑小則破碎巖石面積就小，功率消耗就少，所以在滿足下泵段的最小口徑的情況下，盡量采用小直徑錘頭鉆進。下泵段即含水層，通常下φ273mm花管和井管保證濾水面積，保護井壁，保護水泵。此時水量已基本達到要求，井內(nèi)水位也高了，再往下打就不用潛孔錘了，因為井內(nèi)水壓高消耗風壓大，潛孔錘工作效率低。下泵段下部要設(shè)沉淀段，通常是采用φ244mm的牙輪鉆進，此時鉆具重量也能達到滾牙輪所需的大鉆壓，循環(huán)介質(zhì)仍采用空氣泡沫。沉淀段深度根據(jù)水量、合同要求的井深來確定，通常為裸孔。

3)潛孔錘鑿井具有機械鉆速高、鉆頭壽命長、水井質(zhì)量好、在水敏性地層、漏失地層中能保證鉆進，尤其在缺水嚴寒的地區(qū)鑿井更顯示其優(yōu)越性。盂縣多個供水井的成功證明了這點，為水井施工提供了經(jīng)驗。