重慶巫山地區鉆孔流砂處理技術

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重慶巫山地區鉆孔流砂處理技術

李 俊
（重慶一三六地質隊，重慶 401120）

摘 要：重慶巫山地區長江橫貫東西，大寧河、抱龍河等七條支流呈南北向強烈下切，地貌上呈深谷和中低山相間形態，地形起伏大，多為溝谷縱橫、沖溝發育，坡度陡，是典型的喀斯特地貌。地表淺部碳酸鹽巖巖溶、裂隙、落水洞較發育，裂隙中充填流砂較多。地下水位深，一旦地表水給予補充后，地下水涇流較快。在該區進行鉆探施工時，鉆孔表現為上部掉塊嚴重，流砂多，經常發生掉塊卡鉆和流砂埋鉆事故，給鉆進帶來了極大的困難。

關鍵詞：切割；裂隙；流砂；埋鉆；封堵通道

1 地質情況

礦區內出露的地層多為三疊紀下統嘉陵江組和大冶組，其中施工的鉆孔開孔地層多為大冶組地層。該層巖性主要為石灰巖為主，受地質構造的影響，巖溶、裂隙發育，孔壁掉塊嚴重，裂隙內充填大量流砂。其厚度在300m～500m；其下地層依次為大隆組，該區平均厚度約50m，主要以灰黑色塊狀鈣質泥巖為主，夾灰黑色透鏡狀泥灰巖；長興組厚40m，巖性為灰黑色中至厚層狀灰巖，上部夾燧石灰巖。灰巖裂隙發育，含流砂；吳家坪組，上部以厚約40m的深灰色石灰巖為主，下部為10m厚的含煤巖系，主要以灰黑色炭質泥巖、灰白色粘土巖及黃灰色粉砂巖為主，含K2可采煤層；終孔層位為孤峰組，主要以灰、深灰色厚層狀白云巖為主。

2 工程概況及施工中遇到問題

2.1 工程概況

巫山地區的鉆孔所穿過的地層除吳家坪組下部有10m左右厚的炭質泥巖、粘土巖、粉砂巖和煤層外，其余地層均為硬度較大的灰巖、泥灰巖。由于該區裂隙、溶洞發育，純大部分鉆孔為全漏失。我們采用的鉆探工藝是普通金剛石鉆進。除吳家坪組下部含煤巖系采用泥漿護壁外，其余鉆孔均采用清水作為沖洗液。由于該區切割較深，地下水位較深，一般鉆孔水位在400m以上。

2.2 施工中遇到問題

巫山地區絕大部分鉆孔淺部地層（200m以淺）由于受構造、風化作用的影響，裂隙、溶洞發育。在鉆進過程中垮塌利害，在施工過程中必須下套管擋住這一段。鉆孔深部雖有裂隙，但孔壁比較穩定。問題出在裂隙中充填有大量的流砂，鉆進過程中常常因流砂涌出，使鉆具無法下到孔進行鉆進或在鉆進過程中造成流砂埋鉆事故。

3 鉆孔結構設計

考慮到鉆孔在淺部巖溶段有可能遇到溶洞，鉆孔結構設計用Φ150mm開孔。下入Φ146mm井口管后換Φ110mm孔徑鉆進，下Φ108mm套管擋住上部垮塌帶后再換Φ94mm口徑一徑到底。鉆進過程中如遇溶洞，則根據溶洞的大小分別下入Φ127mm和108mm套管。

4 鉆進過程中采取的措施

4.1 開孔鉆進

由于巫山地區為典型的喀斯特地貌，定孔時盡量避開溝、谷、山凹和落水洞。第四系表土層開孔的鉆孔，開孔鉆進時采用小水量輕壓慢鉆進，如表土層較厚可配以泥漿護壁的方法進行鉆進，鉆進至較為完整的基層時，及時下入Φ146mm井口管。

4.2 二開鉆進措施

鉆進過程時，應采用較小的水量和較低的轉速，避免大水快鉆造成孔壁失穩而垮塌；鉆進過程中每回次鉆進必須帶取粉管鉆進，避免在鉆進過程中上部掉塊卡住粗徑鉆具；為預防和減少孔垮塌和掉塊，每回次鉆進時可向孔內投黃泥球。發現孔內掉塊嚴重或孔內開始垮塌時，及時采用水泥漿進行封閉護壁。鉆孔穿過垮塌帶后及時下入套管護壁。

4.3 流砂事故的預防

通過對巫山地區近10年的勘察施工，總結出了鉆孔中流砂出現的大致規律和流砂段處理的經驗技術。

（1）流砂段的分析判斷。由于巫山地區地下水位埋深較深，所以在鉆進過程中要認真觀察分析每回次取上來的巖心，巖層是否破碎，同時認真觀察取粉管內是否有砂子。如巖心較破碎，取粉管內又發現有砂子，該段裂隙中有可能充填有砂子。同時在下鉆過程中，特別是鉆具要到孔底時，當班班長要認真感覺孔底是否有沉渣，也是判斷流砂存在的依據。

（2）孔內出現大量流砂的時間。從我們在巫山地區和石柱地區施工的經驗看，地下水位以上的裂隙段中砂子，一般是在下雨期間和大雨后的第二、第三天涌出。原因是雨后地表雨水透入地下，地下水在裂隙中徑流帶動裂隙中的砂子向下流動，而砂子流到鉆孔內迅速沉淀充填鉆孔，如此時正在鉆進，極易造成流砂埋鉆事故。

（3）流砂埋鉆事故的預防

有了這一經驗后，我們在巫山地區施工的鉆機，遇到雨后的第二天、第三天，有遇流砂史或有可能出現流砂的鉆孔盡量采取以避讓為主的措施，等地下水流走后再鉆進。

（4）流砂的處理技術

由于巫山地區降水豐沛，年平均降雨量在1000mm以上，靠預防是不能徹底解決流沙問題的。所以我們采用了“堵”的方法。最初我們采取用水泥漿灌入孔內進行封堵，但效果不佳。其原因一是當孔內流砂排不凈時，用水泵灌注水泥漿前雖然開泵用清水將孔內的流沙排開了，但未排出地面，裂隙中的砂子沒有被排出，雖然水泥漿液有一定的壓力，但無法充填裂隙，僅在孔內凝固。二是灌入孔內的水泥漿在壓力的作用下還未凝固就順著裂隙流失了，沒有起到封閉裂隙的作用。

鑒于以上原因，我們改變了用水泥漿封堵的辦法，采用將水泥球送到流砂段后再用人工擠壓的方法將水泥擠入裂隙，堵塞流砂通道。其方法如下：

①水泥按1∶0.4～0.5的水灰比攪拌均勻，同時向水泥中添加食鹽和三乙醇胺。添加量為1包水泥（50kg）+1包鹽（500g）+25g三乙醇胺。

②把攪拌好的水泥撮成球，大小以能裝進巖心管為宜。為預防水泥在孔內被水稀釋和沖釋，可用沙布或膠子將水泥球包好。為了便于排送，在沙布和膠子外面抹上了廢機油。

③將水泥球放入巖心管中，裝滿后巖心管底部用200mm的黃泥堵住。封堵底部時，不能太緊，避免墩、送不出。也不能太松，造成鉆具還沒有下到位水泥球就掉出巖心管。

④送水泥球時操作一定要穩，避免中途水泥球脫落。鉆具離孔底2m時開泵送水同時輕輕墩鉆具，將水泥球送入孔底。

⑤下入全面鉆進的鉆頭，反復墩掃水泥球將水泥擠入裂隙中。

采用此方法的優點：一是水泥球不會沿裂隙流走；二是即使裂隙中有流砂，在墩掃水泥球時可將部分水泥球擠入裂隙中。

5 采用此方法的注意事項

①每次送入孔內的水泥球數量不宜太多，送入量4m～6m為宜，否則墩掃擠壓的效果不佳。

②如果流砂段較長，孔內流砂又排不凈時，宜采取從上至下的方法進行封堵。

6 工程案例

巫山青峰西礦段ZK5號孔設計孔深560m，開孔層位是巖溶、裂隙發育，孔壁坍塌嚴重的大冶組。施工過程中下了195m的Φ108mm套管擋住了上部垮塌帶。鉆孔在251m～263m時巖心只有40%采取率，之后每次下鉆孔內都有1m～2m的沉渣，開泵后能迅速排開至孔底，從取粉管中也發現有河砂。當鉆孔鉆進至272m時，由于施工前一天該區下了大雨，突然發生鉆機負荷增大，班長立即提升鉆具，但此時已無法拉動孔內的鉆具，發生了流砂埋鉆事故。經過采取開大泵量，打吊錘和強力提撥等措施手段，終將事故鉆具拉出孔口。后下鉆探測，鉆具在253m處遇阻，開泵透至258m處起鉆，發現取粉管內全是河砂，又下鉆還在253m處受阻。反復幾次后，沉渣的深度變化不大，分析鉆孔遇到了流砂。因不敢撥鉆孔上部已經下的Φ108mm護壁套管，采用擴孔下套管護壁擋流砂的措施是不可能了，只好采取堵的措施。

首先，我們采用了灌水泥漿的方法，先后進行了3次灌堵，但效果很差。之后采用了用水泥球封堵裂隙的辦法，效果良好。第一次采用水泥球封堵后，沉渣深度為256m，比原來流砂井深減少了3m。第二次封堵后探得沉渣深度在259.4m。這期間由于沒有下雨地下水已無補給，裂隙中的河砂已基本停止流動。在第三次下入水泥球前，采取了先打撈孔內的流砂后送入水泥球的辦法，順利地將水泥球投到264m處，通過墩掃、擠壓將水泥擠進了裂隙中。至此，ZK5號孔到終孔再也沒有發生過因流砂影響鉆探施工的事故了。

我們還在巫山青田、紅椿椿樹包等井田中采用此方法處理過好幾個鉆孔在鉆進過程中遇到的流砂事故，取得了較好的效果。同時，我們還采用過此辦法來解決鉆孔在鉆進過程中遇裂隙突然漏失，保證了鉆孔正常返水。

結語

人工將水泥球送到裂隙帶處，采取墩掃、擠壓將水泥擠入巖石裂隙中進行封閉裂隙的方法，是一種簡單、科學、經濟、有效的解決鉆進過程中遇流砂和鉆孔漏的方法。它的采用，不僅可以避免和減少在鉆探施工過程中套管下放的數量，降低鉆探成本，保證施工工期，還能減少和避免因套管帶來的孔內事故，是一種值得推廣的鉆探技術。

參考文獻

［1］胡繼明，康力能.流砂、巖溶地區沖擊鉆孔灌注成樁施工技術［J］.西部探礦工程，2002，14（6）：148-149.

中圖分類號：TU74

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