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

摘要：為了進行淺水湖泊水上煤田地質(zhì)勘探，研究了相應(yīng)的水上鉆探技術(shù)。進行了泥漿污染性試驗，測試了泥漿污染指標。施工中采用了封閉的泥漿循環(huán)系統(tǒng)，避免了泥漿對湖水的污染；基于勘探區(qū)新生界厚度大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜且湖區(qū)水位變化大的特點，采用新地層全程下放套管的方案，以保證井下采煤安全；通過探測湖水水位和湖底工程地質(zhì)條件，進行船舶設(shè)計和航道設(shè)計，并選擇合理的航道疏浚措施；針對因受交通條件限制、工作船不能運抵勘探區(qū)的問題，進行現(xiàn)場造船；從沉塔承載力及抗傾覆穩(wěn)定性二個方面進行水上鉆井平臺設(shè)計。采用以上技術(shù)在淮南港河勘探區(qū)順利完成了12個鉆孔的施工，工期提前10個月。

關(guān)鍵詞：淺水湖泊；煤田鉆探；泥漿污染；平臺設(shè)計

中圖分類號：U45文獻標志碼：A[WT]文章編號：1672-1098（2014）02-0055-05

根據(jù)淮南礦業(yè)集團公司規(guī)劃，顧北礦須準備南翼采區(qū)，以滿足采場接替需要。南翼采區(qū)因受地面港河影響，勘探程度低，各煤層共25個設(shè)計工作面達不到《安徽省煤礦含水層下開采若干規(guī)定》控制精度要求，必須對港河區(qū)域進行水上地質(zhì)補充勘探。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6.0 km2。國內(nèi)自上世紀七十年代起陸續(xù)開展過水上煤田勘探項目，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，船舶不能從船廠運抵勘探區(qū)，需要在勘探區(qū)湖岸建設(shè)船臺，進行就地造船；港河湖區(qū)非汛期水位較淺，最大水深為1.4 m，一般為1.0 m左右，湖底工程地質(zhì)條件復(fù)雜，需要進行航道設(shè)計并進行航道疏浚。淮南礦業(yè)集團地質(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個水上鉆孔的施工，工期提前10個月，為顧北礦25個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，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例，對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

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。鉆探泥漿由無機物、有機物、各種處理劑和惰性材料組成，鉆井泥漿會產(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是評價有機污染的綜合指標，其對水體中生物的影響最為顯著，同時CODCr也是各項污染指標中最難處理達標的，它以其毒性和減少水體中溶解氧的形式，最終導致水質(zhì)惡化變臭，對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響；堿會使水體的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，須對泥漿的污染性進行分析。與陸地勘探相比，水上勘探鉆孔周圍為水體，鉆探泥漿泄漏會直接對水體產(chǎn)生污染。由于港河為高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖湖區(qū)，泥漿對水體的污染程度控制好壞是決定本勘探項目成敗的關(guān)鍵。參考國家環(huán)保局有關(guān)水和廢水監(jiān)測分析方法[5]，對現(xiàn)場取得的泥漿試樣進行測試，測得鉆井泥漿浸出液有毒有害成份如表1所示。

1.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

港河勘探區(qū)新地層達390.35～509.10 m，含多個含水層，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5.0～6.0 m，工程將因平臺淹沒而中止施工，而導致較長時間的停工。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0～20.0 m，開孔孔徑為245 mm，下入194 mm×8 mm孔口管并固管；在20.00～至基巖面以下30 m， 孔徑171 mm， 下入146 mm×5 mm套管并固井；基巖面以下30 m至終孔，孔徑為94 mm，為裸孔鉆進。1.3

船舶選型與現(xiàn)場造船

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輸船、材料運輸船和起重工作船。

1） 人員交通運輸船。人員交通運輸船負責上下班工作人員的運輸，根據(jù)湖區(qū)水深和鉆機平臺工作人員的數(shù)量，選用吃水深度0.8 m的10人座的交通艇和摩托艇。

2） 材料運輸船。機動駁船擔負材料的運輸工作。運輸船一般有拖船和頂推船兩種型式。由于拖帶運輸系柔性連接，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。運輸船的尺寸要根據(jù)運送的鉆井設(shè)備的最大長度和寬度來設(shè)計，據(jù)此，材料運輸船選擇為2條駁船，每條駁船長16m、寬4.5 m，吃水深度0.5～0.7 m，排水量為60t。拖輪主機為6135CaB2型柴油機，動力160 kW，吃水深度1.0 m，排水量20 t。

3） 起重工作船。起重工作船和16噸的汽車吊共同擔負水上安裝和拆遷平臺設(shè)備的專用運輸工作和起重工作。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16.0 m、寬4.5 m、高1.9 m，吃水深度0.5～1.0 m。雙體駁船加工工藝是：用10根22號工字鋼梁橫擔船面，通過墊木用螺栓緊固在甲板和龍骨上。船面鋪厚度為100 mm的木板。兩船間隙0.5 m，下部用22號工字鋼梁焊接，船頭船尾孔隙用鐵板焊接。拖輪主機為6135CaB2型柴油機，動力160 kW，吃水深度為1.0 m，排水量20 t。

1.3.2 現(xiàn)場造船

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抵碼頭外，起重船舶必須在碼頭就地造船。

現(xiàn)場造船首先要建設(shè)碼頭。碼頭不但作為材料水陸轉(zhuǎn)運的地點，同時兼作船舶加工的船臺。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)范進行設(shè)計，以保證碼頭有足夠的地基承載力。

造好的船舶在進行密性監(jiān)測后，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)航行試驗檢驗合格后方可作業(yè)。

1.4 航道設(shè)計及疏浚

1.4.1 航道設(shè)計

港河水深較淺，一般為1.0 m左右。受港河老河岸的影響，湖底地形和地質(zhì)條件復(fù)雜。為保證航運安全，須勘察水位，確定航線，再根據(jù)航道相關(guān)標準，進行航道設(shè)計和疏浚[6]。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械式兩大類。水力式是利用泥泵進行吸泥和排泥，主要有吸揚式挖泥船，包括直吸式挖泥船和耙吸式挖泥船等；機械式是依靠泥斗挖掘水下土石方，主要有鏈斗式、抓揚式挖泥船和鏟揚式挖泥船等。機械式作業(yè)時，需配備足夠數(shù)量的泥駁以運送挖出的泥土。非自航的吸揚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、機動性能、挖泥深度、適挖土質(zhì)、泥土疏松和處理方法、抗風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，柴油機型號495，動力40 kW。1.5 沉塔式鉆井平臺設(shè)計

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、鉆井船和沉塔式平臺。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。沉塔式鉆井平臺適用于流速較低、水深為2.0～3.0 m以淺的湖泊鉆井。港河水上勘探采用了沉塔式鉆井平臺。

沉塔式鉆井平臺結(jié)構(gòu)包括沉塔、平臺和鉆塔三部分。沉塔呈正四棱臺形狀。沉塔式鉆井平臺設(shè)計包括承載力和抗傾覆驗算二個方面。

1.5.1承載力設(shè)計

承載力設(shè)計包括地基承載力、沉塔承載力和平臺縱橫梁承載力設(shè)計三個內(nèi)容。

1） 地基承載力。平臺所有荷載最終要有地基來承擔。這些荷載包括沉塔、鉆塔、平臺和設(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力提拔對平臺產(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)用巖土力學方法確定沉塔總的底面積。2） 沉塔承載力。平臺總荷載要通過沉塔傳遞給地基，因此，要根據(jù)鉆塔、平臺和設(shè)備重量以及施工過程中的工程荷載確定沉塔個數(shù)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)力學方法進行沉塔構(gòu)造設(shè)計。

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

1.5.2抗傾覆驗算

平臺設(shè)計除了要進行垂向承載力驗算之外，還要進行風荷載作用下的抗傾覆穩(wěn)定性驗算。在平臺布置過程中，要收集勘探區(qū)湖面氣象資料，根據(jù)風向和風力驗算平臺的抗傾覆穩(wěn)定性，確定平臺的長寬布置方向。在風力較大的季節(jié)，拆除或部分拆除塔衣，減少風荷載的作用。1.5.3平臺構(gòu)造

通過以上設(shè)計，港河勘探區(qū)水上鉆井平臺主要構(gòu)建尺寸為：平臺30.0 m×12.0 m；鉆塔底部5.5 m×5.5 m，頂部1.4 m×1.4 m，高度為18.0 m；沉塔上部 1.5 m×1.5 m，下部1.8 m×1.8 m，高3.5 m，共17個。根據(jù)平臺荷載分布特征，平臺分為3個區(qū)。沉塔和縱橫鋼梁的布置要按照平臺荷載實際分布進行布置。Ⅰ區(qū)主要存放管材、鉆具等，面積較大，但是載荷相對較小，沉塔和鋼梁布置較疏；Ⅱ區(qū)安裝鉆機、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、動力機等輔助設(shè)備，荷載較小。平臺布置和沉塔構(gòu)造如圖1、圖2所示。

1.6 安全防護

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

1） 平臺四周設(shè)防護欄桿，防護欄高度為1.0 m，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，避雷針的防雷保護半徑必須大于平臺的長度和寬度。為保證安全，每個鉆塔上安裝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， 分析鉆井泥漿對湖水的污染程度， 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， 進行船舶設(shè)計和航道設(shè)計， 采用抓斗式挖泥船進行航道疏浚。

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

5） 通過承載力和抗傾覆穩(wěn)定性驗算，設(shè)計鉆井平臺，確保鉆井平臺的安全穩(wěn)定。

參考文獻：

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（責任編輯：李麗）