淺水湖泊水上煤田鉆探施工關(guān)鍵技術(shù)

趙俊峰，劉滿才，程志忠，謝 焰

(1．淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司地質(zhì)勘探工程處，安徽 淮南 232052;2．安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南232001)

根據(jù)淮南礦業(yè)集團(tuán)公司規(guī)劃，顧北礦須準(zhǔn)備南翼采區(qū)，以滿足采場(chǎng)接替需要。南翼采區(qū)因受地面港河影響，勘探程度低，各煤層共25個(gè)設(shè)計(jì)工作面達(dá)不到《安徽省煤礦含水層下開采若干規(guī)定》控制精度要求，必須對(duì)港河區(qū)域進(jìn)行水上地質(zhì)補(bǔ)充勘探。

港河為一條自西北向東南流向的內(nèi)河，流經(jīng)安徽利辛縣和鳳臺(tái)縣境內(nèi)，最終注入西淝河。自港河閘建成后，港河水位上升，港河勘探區(qū)湖面正常水面寬度為1km左右，勘探區(qū)水域面積達(dá)6.0km2。

國內(nèi)自上世紀(jì)七十年代起陸續(xù)開展過水上煤田勘探項(xiàng)目，并取得了一些技術(shù)成果[1－4］。與以往的煤田水上勘探相比，港河水上煤田勘探遇到了很多新的技術(shù)難題，包括:港河為高密度養(yǎng)殖區(qū)，對(duì)泥漿污染防控技術(shù)提出了很高的要求;勘探區(qū)新地層厚度大，且顧桂NWW大型張性隱伏斷裂構(gòu)造帶通過勘探區(qū)，鄰區(qū)鉆孔證實(shí)該構(gòu)造帶巖層破碎，鉆孔施工難度大;受水、陸交通條件的限制，船舶不能從船廠運(yùn)抵勘探區(qū)，需要在勘探區(qū)湖岸建設(shè)船臺(tái)，進(jìn)行就地造船;港河湖區(qū)非汛期水位較淺，最大水深為1.4m，一般為1.0m左右，湖底工程地質(zhì)條件復(fù)雜，需要進(jìn)行航道設(shè)計(jì)并進(jìn)行航道疏浚。

淮南礦業(yè)集團(tuán)地質(zhì)勘探工程處經(jīng)過精心組織和科技攻關(guān)，在港河湖區(qū)順利完成了12個(gè)水上鉆孔的施工，工期提前10個(gè)月，為顧北礦25個(gè)工作面提高上限開采提供了地質(zhì)依據(jù)，僅提高回采上限一項(xiàng)，就增加了可采量945.36萬噸，確保了礦井開采正常接替，效益顯著。本文在總結(jié)已有水上勘探成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合港河水上勘探工程實(shí)例，對(duì)淺水湖泊水上煤田鉆探的施工關(guān)鍵技術(shù)做一介紹。

1 技術(shù)方案及施工技術(shù)

1.1 泥漿污染試驗(yàn)

在鉆井作業(yè)過程中，鉆探泥漿被稱為鉆探的“血液”，起著維護(hù)孔壁穩(wěn)定、冷卻鉆頭、潤滑鉆具和排出巖粉的作用。鉆探泥漿由無機(jī)物、有機(jī)物、各種處理劑和惰性材料組成，鉆井泥漿會(huì)產(chǎn)生含有重金屬、堿等污染物，還具有高CODCr、高pH、高懸浮物等特性。其中，CODCr是評(píng)價(jià)有機(jī)污染的綜合指標(biāo)，其對(duì)水體中生物的影響最為顯著，同時(shí)CODCr也是各項(xiàng)污染指標(biāo)中最難處理達(dá)標(biāo)的，它以其毒性和減少水體中溶解氧的形式，最終導(dǎo)致水質(zhì)惡化變臭，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響;堿會(huì)使水體的pH增加從而影響周圍生物體的生存環(huán)境，破壞自然界的生物多樣性。因此，須對(duì)泥漿的污染性進(jìn)行分析。

與陸地勘探相比，水上勘探鉆孔周圍為水體，鉆探泥漿泄漏會(huì)直接對(duì)水體產(chǎn)生污染。由于港河為高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖湖區(qū)，泥漿對(duì)水體的污染程度控制好壞是決定本勘探項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。

參考國家環(huán)保局有關(guān)水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[5］，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取得的泥漿試樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得鉆井泥漿浸出液有毒有害成份如表1所示。

表1 鉆井泥漿浸出液測(cè)試參數(shù)

由表1可以看出，鉆井泥漿浸出液中重金屬污染物Cr、Cd未檢出，但對(duì)比《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8978一1996)》三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可知 CODCr超標(biāo)近18倍，懸浮物超標(biāo)6.5倍。若直接排放，將會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生很嚴(yán)重的不良影響，故應(yīng)該做好防范措施。

目前國內(nèi)外對(duì)廢鉆井液處理方法主要有:處理后排放、固液分離、填埋、土壤耕作和坑內(nèi)密封等。根據(jù)本工程的實(shí)際情況，采用了鉆探施工中對(duì)泥漿封閉循環(huán)、集中收集、經(jīng)處理后異地排放的處理措施。泥漿全循環(huán)封閉系統(tǒng)包括隔離泥漿與湖水混合的孔口管和設(shè)置在平臺(tái)的泥漿循環(huán)槽和泥漿池組成。

1.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

港河勘探區(qū)新地層達(dá)390.35～509.10m，含多個(gè)含水層，勘探區(qū)有顧桂NWW向張性隱伏構(gòu)造帶通過。鄰區(qū)鉆孔證實(shí)該構(gòu)造帶巖層十分破碎，且影響到新生界，本工程開展前，顧桂隱伏構(gòu)造帶寬度在本區(qū)的影響寬度尚未確定。此外，港河水位變化大，在汛期水深可達(dá)5.0～6.0m，工程將因平臺(tái)淹沒而中止施工，而導(dǎo)致較長時(shí)間的停工。在上述的地質(zhì)條件和施工條件下施工極易發(fā)生跨孔事故。如果跨孔后，需要重新開孔，造成叉孔，而原來的老鉆孔可能成為井下的導(dǎo)水通道，誘發(fā)透水事故，因此，本工程采用了新地層全程下套管的措施，杜絕安全隱患。

鉆孔結(jié)構(gòu)為:在0～20.0m，開孔孔徑為φ245mm，下入φ194mm×8mm孔口管并固管;在20.00～至基巖面以下30m，孔徑φ171mm，下入φ146mm×5mm套管并固井;基巖面以下30m至終孔，孔徑為φ94mm，為裸孔鉆進(jìn)。

1.3 船舶選型與現(xiàn)場(chǎng)造船

1.3.1 船舶選型 根據(jù)功能不同，本工程所用船舶分為人員交通運(yùn)輸船、材料運(yùn)輸船和起重工作船。

1)人員交通運(yùn)輸船。人員交通運(yùn)輸船負(fù)責(zé)上下班工作人員的運(yùn)輸，根據(jù)湖區(qū)水深和鉆機(jī)平臺(tái)工作人員的數(shù)量，選用吃水深度0.8m的10人座的交通艇和摩托艇。

2)材料運(yùn)輸船。機(jī)動(dòng)駁船擔(dān)負(fù)材料的運(yùn)輸工作。運(yùn)輸船一般有拖船和頂推船兩種型式。由于拖帶運(yùn)輸系柔性連接，適于航道彎曲半徑較小的航道。港河水底地形復(fù)雜，航道彎曲半徑大，故采用拖船形式。

運(yùn)輸船的尺寸要根據(jù)運(yùn)送的鉆井設(shè)備的最大長度和寬度來設(shè)計(jì)，據(jù)此，材料運(yùn)輸船選擇為2條駁船，每條駁船長16m、寬4.5m，吃水深度0.5～0.7m，排水量為60t。拖輪主機(jī)為6135CaB2型柴油機(jī)，動(dòng)力160kW，吃水深度1.0m，排水量20t。

3)起重工作船。起重工作船和16噸的汽車吊共同擔(dān)負(fù)水上安裝和拆遷平臺(tái)設(shè)備的專用運(yùn)輸工作和起重工作。為保證汽車吊有足夠的作業(yè)面積，且考慮到汽車吊在工作時(shí)有較長的力臂，船身容易發(fā)生傾覆，為保持船身穩(wěn)定，起重工作船要有足夠的船身寬度。

經(jīng)過計(jì)算，采用雙體駁船作為起重工作船。雙體船由2條單船連接而成。單船長16.0m、寬4.5m、高1.9m，吃水深度0.5～1.0m。

雙體駁船加工工藝是:用10根22號(hào)工字鋼梁橫擔(dān)船面，通過墊木用螺栓緊固在甲板和龍骨上。船面鋪厚度為100mm的木板。兩船間隙0.5m，下部用22號(hào)工字鋼梁焊接，船頭船尾孔隙用鐵板焊接。拖輪主機(jī)為6135CaB2型柴油機(jī)，動(dòng)力160 kW，吃水深度為1.0m，排水量20t。

1.3.2 現(xiàn)場(chǎng)造船 受港河勘探區(qū)水、陸交通條件限制，除了小型的摩托艇和拖船可直接運(yùn)抵碼頭外，起重船舶必須在碼頭就地造船。

現(xiàn)場(chǎng)造船首先要建設(shè)碼頭。碼頭不但作為材料水陸轉(zhuǎn)運(yùn)的地點(diǎn)，同時(shí)兼作船舶加工的船臺(tái)。由于碼頭要承受一定的荷載，因此，碼頭堤岸的邊坡應(yīng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證碼頭有足夠的地基承載力。

造好的船舶在進(jìn)行密性監(jiān)測(cè)后，再用安全氣囊、吊車輔助及牽引船牽引的方法使船舶下水，經(jīng)航行試驗(yàn)檢驗(yàn)合格后方可作業(yè)。

1.4 航道設(shè)計(jì)及疏浚

1.4.1 航道設(shè)計(jì) 港河水深較淺，一般為1.0m左右。受港河老河岸的影響，湖底地形和地質(zhì)條件復(fù)雜。為保證航運(yùn)安全，須勘察水位，確定航線，再根據(jù)航道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行航道設(shè)計(jì)和疏浚[6］。

1)航道標(biāo)準(zhǔn)深度設(shè)計(jì)。航道標(biāo)準(zhǔn)深度是航道在枯水期內(nèi)所應(yīng)維護(hù)的最小水深，是航道的主要尺度。應(yīng)按照下式計(jì)算

式中:H為航道標(biāo)準(zhǔn)深度;T為允許通航船舶的最大吃水深度;h為富裕水深，根據(jù)水底底質(zhì)確定，土質(zhì)取0.3m，石質(zhì)取0.5m。

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，航道標(biāo)準(zhǔn)深度取1.5m。

2)航道標(biāo)準(zhǔn)寬度設(shè)計(jì)。航道標(biāo)準(zhǔn)寬度是指在設(shè)計(jì)最低通航水位時(shí)具有航道標(biāo)準(zhǔn)水深的航道寬度。須考慮船舶(隊(duì))的尺度、船(隊(duì))型、船性，航道形態(tài)、水流流態(tài)、氣象情況等。船舶在航行時(shí)，因受各種因素的影響將產(chǎn)生一定的飄角。由于飄角的存在，航跡帶寬度總比船舶本身的寬度大，飄角越大，所占航道也愈寬。

航道的寬度可用下式計(jì)算

式中:B為航道標(biāo)準(zhǔn)寬度;b為設(shè)計(jì)船隊(duì)(或單船)寬度;L為設(shè)計(jì)船隊(duì)長度，拖帶船隊(duì)為最大單船長度;α為航行飄角;Δb為上、下行船隊(duì)的橫向舷距;D為船舷上航槽邊線的距離。

考慮到本勘探區(qū)的實(shí)際情況，本勘探區(qū)航道標(biāo)準(zhǔn)寬度取40.0m。

3)航道浮標(biāo)安裝。浮標(biāo)是指導(dǎo)船舶安全通航的重要指示器[7］，浮標(biāo)要設(shè)置牢靠。由于港河沒有其他航行船只，基于港河的實(shí)際情況，在航線兩側(cè)插入3.5m長的竹竿作為臨時(shí)性航道指向。

1.4.2 航道疏浚 航道疏浚要采用專門水下施工設(shè)備。疏浚工程采用的挖泥船按工作原理不同可分為水力式和機(jī)械式兩大類。水力式是利用泥泵進(jìn)行吸泥和排泥，主要有吸揚(yáng)式挖泥船，包括直吸式挖泥船和耙吸式挖泥船等;機(jī)械式是依靠泥斗挖掘水下土石方，主要有鏈斗式、抓揚(yáng)式挖泥船和鏟揚(yáng)式挖泥船等。機(jī)械式作業(yè)時(shí)，需配備足夠數(shù)量的泥駁以運(yùn)送挖出的泥土。非自航的吸揚(yáng)式挖泥船需配備排泥管道。

挖泥船的性能是挖泥船選型的主要依據(jù)，主要包括:船長、船寬、吃水、功率、機(jī)動(dòng)性能、挖泥深度、適挖土質(zhì)、泥土疏松和處理方法、抗風(fēng)能力以及各種工況條件下的生產(chǎn)率等。一般根據(jù)疏浚地區(qū)的土質(zhì)及施工條件，選擇最適宜的挖泥船型。

根據(jù)港河土質(zhì)和施工條件，最終選定采用抓斗式挖泥船，柴油機(jī)型號(hào)495，動(dòng)力40kW。

1.5 沉塔式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)

水上鉆井施工設(shè)備的選擇是水上鉆井工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鉆井主要設(shè)施有水上自升式平臺(tái)、鉆井船和沉塔式平臺(tái)。水上施工設(shè)備的選擇應(yīng)根據(jù)流速、水深等情況來確定。沉塔式鉆井平臺(tái)適用于流速較低、水深為2.0～3.0m以淺的湖泊鉆井。港河水上勘探采用了沉塔式鉆井平臺(tái)。

沉塔式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)包括沉塔、平臺(tái)和鉆塔三部分。沉塔呈正四棱臺(tái)形狀。沉塔式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)包括承載力和抗傾覆驗(yàn)算二個(gè)方面。

1.5.1 承載力設(shè)計(jì) 承載力設(shè)計(jì)包括地基承載力、沉塔承載力和平臺(tái)縱橫梁承載力設(shè)計(jì)三個(gè)內(nèi)容。

1)地基承載力。平臺(tái)所有荷載最終要有地基來承擔(dān)。這些荷載包括沉塔、鉆塔、平臺(tái)和設(shè)備重量以及施工過程中的工程荷載(如鉆孔事故處理工程中強(qiáng)力提拔對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生的工程荷載)，因此，要根據(jù)地基承載力和上部總荷載的大小應(yīng)用巖土力學(xué)方法確定沉塔總的底面積。

2)沉塔承載力。平臺(tái)總荷載要通過沉塔傳遞給地基，因此，要根據(jù)鉆塔、平臺(tái)和設(shè)備重量以及施工過程中的工程荷載確定沉塔個(gè)數(shù)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行沉塔構(gòu)造設(shè)計(jì)。

3)平臺(tái)縱橫梁強(qiáng)度。鉆井平臺(tái)通過縱橫梁與沉塔相連，因此，要根據(jù)平臺(tái)上的載荷分布情況，應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法確定沉塔的位置和梁的構(gòu)造。

1.5.2 抗傾覆驗(yàn)算 平臺(tái)設(shè)計(jì)除了要進(jìn)行垂向承載力驗(yàn)算之外，還要進(jìn)行風(fēng)荷載作用下的抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算。在平臺(tái)布置過程中，要收集勘探區(qū)湖面氣象資料，根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)力驗(yàn)算平臺(tái)的抗傾覆穩(wěn)定性，確定平臺(tái)的長寬布置方向。在風(fēng)力較大的季節(jié)，拆除或部分拆除塔衣，減少風(fēng)荷載的作用。

1.5.3 平臺(tái)構(gòu)造 通過以上設(shè)計(jì)，港河勘探區(qū)水上鉆井平臺(tái)主要構(gòu)建尺寸為:平臺(tái)30.0m×12.0m;鉆塔底部5.5m×5.5m，頂部1.4m×1.4m，高度為18.0m;沉塔上部1.5m×1.5m，下部1.8m×1.8m，高3.5m，共17個(gè)。根據(jù)平臺(tái)荷載分布特征，平臺(tái)分為3個(gè)區(qū)。沉塔和縱橫鋼梁的布置要按照平臺(tái)荷載實(shí)際分布進(jìn)行布置。Ⅰ區(qū)主要存放管材、鉆具等，面積較大，但是載荷相對(duì)較小，沉塔和鋼梁布置較疏;Ⅱ區(qū)安裝鉆機(jī)、鉆塔和擺放鉆具等，荷載較大，沉塔和鋼梁布置較密;Ⅲ區(qū)安裝泥漿泵、動(dòng)力機(jī)等輔助設(shè)備，荷載較小。平臺(tái)布置和沉塔構(gòu)造如圖1、圖2所示。

圖1 平臺(tái)布置示意圖

1.6 安全防護(hù)

為了保證水上鉆探作業(yè)安全，除了采取陸地作業(yè)的安全防護(hù)措施之外，本工程還采取了如下二項(xiàng)安全措施:

1)平臺(tái)四周設(shè)防護(hù)欄桿，防護(hù)欄高度為1.0m，防止人員和物資落入湖中。配足救生衣和救生圈。

2)鉆塔必須安裝避雷針，避雷針的防雷保護(hù)半徑必須大于平臺(tái)的長度和寬度。為保證安全，每個(gè)鉆塔上安裝2套避雷針。此外，值宿房內(nèi)須鋪絕緣膠板。工作人員在雷雨天氣必須穿絕緣膠鞋。

2 結(jié)論

1)通過泥漿污染程度試驗(yàn)，分析鉆井泥漿對(duì)湖水的污染程度，采用全封閉的鉆井泥漿循環(huán)工藝。

2)根據(jù)勘探區(qū)的地質(zhì)條件，確定新地層全程下套管，杜絕安全隱患。

3)根據(jù)港河水位和湖底地質(zhì)條件，進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)和航道設(shè)計(jì)，采用抓斗式挖泥船進(jìn)行航道疏浚。

4)在勘探區(qū)湖岸進(jìn)行就地造船，解決因受水、陸交通條件的限制導(dǎo)致船舶不能從船廠運(yùn)抵勘探區(qū)的問題。

5)通過承載力和抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，設(shè)計(jì)鉆井平臺(tái)，確保鉆井平臺(tái)的安全穩(wěn)定。

[1]韓廣德．中國煤炭工業(yè)鉆探工程學(xué)[M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2000:50－168．

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[7]馬遙珠，艾萬政．港區(qū)航道及浮標(biāo)設(shè)置若干技術(shù)問題研究[J］．中國水運(yùn)，2012.12(9):11－14．