空氣泡沫鉆進(jìn)在采空區(qū)域施工中的應(yīng)用

董志鳴

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第三水文地質(zhì)隊(duì)，河北邯鄲 056006）

·鉆探·物探·

空氣泡沫鉆進(jìn)在采空區(qū)域施工中的應(yīng)用

董志鳴

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局第三水文地質(zhì)隊(duì)，河北邯鄲 056006）

鉆探遇漏失地層、采空區(qū)，尤其在有多層采空區(qū)可能會(huì)引起的大漏，給施工帶來(lái)諸多不便。使用空氣泡沫作為沖洗介質(zhì)進(jìn)行鉆探施工，以較小的設(shè)備改造投入有效解決了施工供水量大或堵漏時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，同時(shí)提高了鉆進(jìn)效率。在本次鉆探施工中，針對(duì)鉆遇3層采空區(qū)的情況，將普通牙輪鉆進(jìn)設(shè)備的泥漿泵更換為空壓機(jī)后即可進(jìn)行空氣泡沫鉆進(jìn)，使用十二烷基硫酸鈉作為發(fā)泡劑，羧甲基纖維素鈉作為穩(wěn)泡劑,液氣比1/300；氣液上返速度1.7m/s，最終取得了井深240 m、孔徑?350 mm鉆孔純鉆進(jìn)效率達(dá)到了2.16 m/h，遠(yuǎn)高于普通泥漿循環(huán)鉆進(jìn)的施工效果。

多層采空區(qū)；大孔徑；井漏；泡沫鉆進(jìn)

0 引言

鉆探遇漏失地層、采空區(qū)施工時(shí)，材料消耗大，施工耗時(shí)長(zhǎng)，尤其在有多層采空區(qū)域內(nèi)施工鉆孔，遇采空區(qū)大漏給施工帶來(lái)多種不便。

我單位在山西某礦施工的一個(gè)采空區(qū)抽水孔需穿過(guò)三個(gè)采空區(qū)，其主要完成施工任務(wù)是探明采空區(qū)積水情況。本次鉆探工程鉆遇的地層由老至新有侏羅系大同組和第四系。侏羅系大同組由灰、灰白、深灰色砂質(zhì)泥巖，泥巖，炭質(zhì)泥巖，中、細(xì)粒砂巖及煤層組成，鉆孔揭露厚度約230m。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》該地區(qū)巖性為硬、較硬巖層。第四系由包括上、中更新統(tǒng)和全新統(tǒng)，主要為土層，厚度約11 m。

鉆孔設(shè)計(jì)為兩級(jí)孔徑結(jié)構(gòu)，一開(kāi)Φ394 mm下入Φ377 mm表套，二開(kāi)Φ350 mm鉆至終孔后下入Φ 273 mm護(hù)壁管。

1 施工方案選擇

本工程主要難度在于揭露采空區(qū)遇大漏后孔底巖粉的排除問(wèn)題，可供選擇的方案有3個(gè)。

①常規(guī)沖洗液鉆進(jìn)。遇大漏后需要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行堵漏，采用最可靠的套管護(hù)壁堵漏法，開(kāi)孔孔徑須增加到Φ500 mm以上，且堵漏耗時(shí)長(zhǎng)，材料消耗量大、鉆進(jìn)效率低；如果頂漏鉆進(jìn)則用水量大，供水成本大量增高，供水速度影響鉆進(jìn)效率，同時(shí)大量沖洗液涌入采空區(qū)不利于判斷有空區(qū)是否存在積水。

②使用空氣作為沖洗介質(zhì)鉆進(jìn)。送風(fēng)量計(jì)算：

Q=47.1K1K2（D2-d2）V

式中：Q——送風(fēng)量，m3/min；

K1——孔深修正系數(shù)，取1～1.1；

K2——孔內(nèi)涌水系數(shù)，取1～1.5；

D——鉆孔直徑，m；

d——鉆桿外徑，m；

V——排渣通道上返風(fēng)速，m/s。

結(jié)合本工程設(shè)計(jì)要求取值K1=1、K2=1、D=0.35 m、d=0.089 m，按水文水井地質(zhì)鉆探規(guī)程取值V=16m/s，計(jì)算得Q=86.3 m3/min。

需要送風(fēng)量過(guò)大，一般單臺(tái)空壓機(jī)不能滿足要求，需要并聯(lián)兩到三臺(tái)空壓機(jī)才能滿足施工要求，該方案設(shè)備投入量大，施工成本高。

③空氣泡沫作為沖洗介質(zhì)鉆進(jìn)。其優(yōu)點(diǎn)是沖洗介質(zhì)中含水量少，不影響對(duì)采空區(qū)積水情況判斷，懸浮巖屑能力強(qiáng)，對(duì)風(fēng)量要求較低，氣液上返速度為常規(guī)空氣鉆進(jìn)的1/15～1/20就可排渣。配備一臺(tái)空壓機(jī)足以滿足施工要求，在含水地層中能正常鉆進(jìn)。

綜合考慮3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本工程最終選擇以空氣泡沫作為沖洗介質(zhì)進(jìn)行鉆探施工。

2 施工設(shè)備

施工設(shè)備是在普通水源鉆機(jī)及配套設(shè)備的基礎(chǔ)上添加一臺(tái)空壓機(jī)、注液泵及作為動(dòng)力設(shè)備的發(fā)電機(jī)組，主要施工設(shè)備有：

①TSJ—2000E型水源鉆機(jī)，配套動(dòng)力為6135柴油機(jī)；

②BW850型泥漿泵，與鉆機(jī)使用同一柴油機(jī)作為動(dòng)力；

③WF-10/60型空壓機(jī)，動(dòng)力為132 kW電動(dòng)機(jī)，由一臺(tái)150 kW發(fā)電機(jī)組提供動(dòng)力；

④注液泵，使用普通洗車(chē)泵，動(dòng)力為3 kW電動(dòng)機(jī)，與空壓機(jī)使用同一發(fā)電機(jī)組供電；

⑤混合器，由Φ50 mm鋼管加工，兩端分別為進(jìn)風(fēng)口（連接空壓機(jī)排氣閥）和出風(fēng)口（連接立軸高壓膠管）；中間安裝兩個(gè)閥門(mén)，一個(gè)為進(jìn)液閥（與注液泵出口連接）另一個(gè)為放空閥；

⑥鉆具：Φ350 mm牙輪鉆頭、Φ203 mm鉆挺、Φ 168 mm鉆鋌、Φ159 mm鉆鋌、Φ89 mm鉆桿。

設(shè)備連接見(jiàn)圖1。

3 鉆進(jìn)工藝

施工采用牙輪鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，空壓機(jī)輸出壓縮空氣與泡沫泵輸送的泡沫液在混合器處混合為空氣泡沫，空氣泡沫經(jīng)高壓膠管——鉆桿——鉆頭輸送至孔底對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻同時(shí)攜帶巖屑進(jìn)入采空區(qū)。

3.1 泡沫液的配制工藝

泡沫液的配制使用十二烷基硫酸鈉作為發(fā)泡劑，羧甲基纖維素鈉作為穩(wěn)泡劑。發(fā)泡劑加入比例為0.5%，配制時(shí)先將發(fā)泡劑與水充分?jǐn)嚢?；穩(wěn)泡劑添加比例為0.03%，為保證穩(wěn)沫劑與水能充分混合應(yīng)將羧甲基纖維素鈉與水以1∶30比例充分?jǐn)嚢?，浸?2 h后，按0.1%加入泡沫劑中。

3.2 鉆進(jìn)參數(shù)

送風(fēng)量10 m3/min；泡沫液消耗量30 L/min；液氣比1/300；氣液上返速度1.7 m/s。

圖1 泡沫鉆進(jìn)設(shè)備連接Figure 1 Foam drilling tool combination

鉆壓控制在5 t左右，轉(zhuǎn)速控制60～80 r/min。

3.3 施工情況介紹

本次施工穿三個(gè)采空區(qū)，分別在50 m處（采空高1.2 m）、101.8 m處（采空高5.07 m）、199.4 m處（采空高4.03 m）。

開(kāi)孔鉆進(jìn)使用泥漿循環(huán)鉆進(jìn)，下入表層套管后更換空氣泡沫鉆進(jìn)。鉆至50 m處遇第一層采空區(qū)，經(jīng)測(cè)量水位確定采空區(qū)無(wú)積水后繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)至90 m時(shí)提鉆遇輕微阻力，比正常提鉆時(shí)拉力增加1.5 t，經(jīng)提鉆掃孔后阻力消失。繼續(xù)鉆進(jìn)至101.8 m處遇第二層采空區(qū)經(jīng)測(cè)量水位確定采空區(qū)無(wú)積水后繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆至172 m加鉆桿時(shí)發(fā)現(xiàn)提鉆有阻力，準(zhǔn)備提鉆掃孔，鉆頭提至160 m處平生遇阻，增加15 t提升力仍不能上提，除此外鉆具下放、回轉(zhuǎn)皆正常，向孔內(nèi)注入泡沫時(shí)空壓機(jī)輸出壓力也沒(méi)有明顯變化。持續(xù)竄動(dòng)鉆具3 h每次都在160 m處遇阻，結(jié)合穿過(guò)第二層采空區(qū)后100 m以上孔段未發(fā)生提鉆時(shí)提升力增大的情況，分析認(rèn)為是“泥領(lǐng)”可能性較大，向孔內(nèi)注入2 m3清水，浸泡半小時(shí)后提升阻力變小，成功提出鉆具。

第三層采空區(qū)為積水采空區(qū)，經(jīng)揭穿后測(cè)量，水位埋深187 m，揭穿該采空區(qū)后，加鉆桿時(shí)孔底開(kāi)始出現(xiàn)2～3 m的巖屑沉積，分析認(rèn)為是鉆進(jìn)時(shí)空氣泡沫將孔內(nèi)積水壓入采空區(qū)，停止輸送泡沫時(shí)采空區(qū)積水回涌井底攜帶的巖屑，現(xiàn)場(chǎng)采取了延長(zhǎng)回次終了時(shí)排屑時(shí)間的措施，使情況略有改善但仍不能做到徹底清除巖屑沉積，只好在每次停止輸送泡沫時(shí)盡可能將鉆具拉高以防止巖屑埋鉆。好在對(duì)鉆進(jìn)影響不大，鉆孔最終達(dá)到設(shè)計(jì)深度240 m。

4 施工效果

通過(guò)7天的施工完成了240 m、Φ350 mm抽水孔的施工。純鉆進(jìn)效率2.16 m/h，比同地區(qū)泥漿循環(huán)鉆進(jìn)效率提高80%；由于加鉆壓較小，保證了鉆孔的垂直度，全孔最大孔斜不足1.5°，使得240 m護(hù)壁套管下入工作一次性順利完成。

采用泡沫鉆進(jìn)工藝鉆孔內(nèi)無(wú)積水，通過(guò)簡(jiǎn)單地測(cè)量水位就可以判斷采空區(qū)內(nèi)是否存在積水，使得施工更加簡(jiǎn)單。

另外由于使用泡沫鉆進(jìn)孔底清潔度好，Φ350 mm牙輪鉆頭在完成200多米鉆進(jìn)工作后并沒(méi)有明顯磨損，與泥漿鉆進(jìn)相比較鉆頭壽命延長(zhǎng)一倍以上。

5 結(jié)語(yǔ)

①采用泡沫鉆進(jìn)工藝在含有多層采空區(qū)地層施工可以節(jié)約大量施工用水，同時(shí)保持較高的鉆進(jìn)效率并延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。

②空氣泡沫鉆進(jìn)用水量很小，有利于對(duì)采空積水情況的判斷。

③在穿過(guò)積水采空區(qū)后應(yīng)先封堵采空區(qū)再繼續(xù)鉆進(jìn)，否則穿過(guò)積水采空區(qū)后不宜再施工過(guò)多進(jìn)尺，以免采空區(qū)積水回涌造成埋鉆。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部DZ/T0148-2014，水文水井地質(zhì)鉆探規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[2]盧予北，王建華，陳瑩，等.空氣潛孔錘在松散地層中的鉆進(jìn)試驗(yàn)[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2014，41（7）：9-11，27.

[3]楊富春.空氣潛孔錘在水源鉆井中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2009，21（6）：71-73.

[4]吳友強(qiáng).車(chē)載空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在煤層氣井施工中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2013，25（7）：59-61.

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[6]毛慧隆.山西榆次大口徑供水井施工工藝[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2010，22(增刊)：131-133.

[7]劉海波.空氣泡沫潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在大直徑基巖深井中的應(yīng)用試驗(yàn)[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2015，42（5）：31-34.

Application of Air-foam Drilling in Worked-out Area Operation

Dong Zhiming
(The Third Hydrogeological Exploration Team,CNACG,Handan,Hebei 056006)

If the drilling intersects leakage formation,worked-out area especially multileveled worked-out areas may cause large leakage and bring a lot of trouble in drilling operation.To use the air-foam as the circulation medium in drilling operation can solve issues of large water quantity supply or long water plugging time effectively with minor equipment modification investment,meanwhile promote drilling efficiency.In this drilling operation,in allusion to multileveled worked-out areas,has changed mud pump in common roller bit drilling into air compressor to carry out air-foam drilling with lauryl sodium sulfate as foaming agent and carboxymethylcellulose sodium as foam stabilizer,liquid-gas ratio 1/300,gas-liquid return velocity 1.7m/s.Finally,the completion depth is 240m,borehole diameter Φ350mm with net drilling efficiency 2.1m/h,thus far above common mud drilling efficiency.

multileveled worked-out areas;large borehole diameter;well leakage;foam drilling

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.02.13

1674-1803(2017)02-0062-03

P634.5

A

董志鳴（1980—），男，河北懷來(lái)人，鉆探工程師，主要從事施工管理及技術(shù)工作。

2016-08-23

責(zé)任編輯：樊小舟