破碎地层（精选5篇）
破碎地层 篇1
近30 年来, 我国经济飞速发展, 对于矿产的需求也相应的增加。因为大量的矿产资源开发, 所以很多探矿工程面临着更为复杂的地质条件。施工过程中很容易出现坍塌、掉块等现象, 造成钻孔弯曲, 钻具出现卡钻、夹钻等事故的出现。这样既加大了施工难度, 又容易出现安全事故。在这些情况下, 必须加强钻探技术研究, 提出相应的解决方法, 提高钻探施工效率和质量。
1 破碎地层影响钻探施工的主要因素
影响破碎地层施工的因素包括地层因素、施工设备和施工工艺等。施工过程中根据不同的地质条件, 要合理的选择合适的施工设备及方法。如果协调不好各种因素, 很容易导致钻孔施工不顺利, 出现事故的现象。
1.1 地层因素
破碎地层一般层理和片理较发育、地层产状变化较大, 地层的岩石或上体软硬不均, 弹塑性、水溶性的性质变化很大, 断层、断裂很多。施工中常遇到漏水、坍塌、掉块、溶洞等现象。这些现象, 极容易影响钻机的正常施工, 会出现岩心采取率不足, 钻孔弯曲等问题。
1.2 钻探设备因素
钻探设备的好坏是直接影响钻探施工, 所以钻探设备配置的合理至关重要。现在有很多队伍采用立轴式钻机。这类钻机采用机械传动, 主动钻杆在孔口控制不稳定, 设备产生强烈震动传入孔底, 对岩心有一定的破坏。如果钻探设备磨损严重, 当遇到复杂地层时, 不能精确合理控制转数和钻压, 也将影响钻进效率和施工质量。
1.3 钻进中出现的问题
1.3.1 岩心采取率低
钻进时, 岩心应该以柱状进入内管。岩心在进入内管时与内管产生摩擦力, 如果岩心完整受到的摩擦力相对较小。破碎的岩心在进入内管前彼此之间内应力很弱, 在扭矩作用下形成破碎岩心, 破碎岩心互相磨损, 塞住了进入内管的通道。这种情况下, 循环水路不畅通, 大量岩心磨损参与循环, 降低了岩心的采取率。
部分大颗粒状的岩粉, 进入到钻具外管和内管之间, 使内外管间的摩擦力增大, 内外管都转动。在这种情况下, 进入内管的不完整岩心相互之间摩擦, 细小的岩心颗粒受到震动进入冲洗液中参与循环, 造成岩心采取率不足。
1.3.2 钻进中出现夹钻、埋钻等现象
钻进中, 转数过快时, 钻杆横向震动, 使孔壁受到很大的冲击了, 这种情况下大量孔壁有掉块落入孔底。如果有掉块卡在扩孔器和孔壁之间, 将出现夹钻的现象。如果大量掉块和反复被磨损的岩心堆积在孔底, 将出现埋钻的现象。
1.3.3 钻孔弯曲
钻进压力过大时, 会造成钻杆弯曲, 钻头紧压孔底, 钻杆紧贴孔壁一边, 造成钻孔弯曲。钻进转数过高, 很容易造成钻杆横向震动, 使孔壁间隙增大, 造成钻孔弯曲。如果在复杂地层中使用过量的冲洗液, 会冲刷破坏孔壁, 使孔壁强度降低, 破碎的岩石被冲洗液反复冲刷进入循环系统中, 造成钻孔弯曲。
2 提高钻探效率的方法
由于破碎地层施工条件的艰难, 所以需要提出一些合理的优化建议和方法。从多方面考虑, 提高钻探的施工效率和质量。
2.1 钻孔结构的选择
破碎地层层理、片理发育, 地层变化较大。钻孔结构设计和选择直接影响钻探的效率和质量。因此, 钻进方法、护孔方法、地质条件等内容是在破碎地层施工前必须要充分考虑的。钻机开孔前, 根据当地的水文条件、终孔深度, 选择合理的开孔直径、钻进方法、换径次数、下套管顺序、护孔措施等内容。在破碎地层钻探施工中, 地层情况和施工情况决定开孔直径和换径的次数。终孔的深度和直径根据地质需要和设备的能力来确定。
2.2 钻探设备的选择
钻进施工中, 钻探设备的选择是否合适直接影响钻进的效率和质量。施工前, 应该根据地层情况、施工设计倾角、施工设计深度、施工工艺等条件选择合理的钻探设备。钻探设备包括钻机、钻塔、泥浆泵及其他一些附属设备。检查钻探设备相互之间是否匹配, 设备的维护和保养尤其值得注意。严格遵照操作规程, 确保设备安装正确。安装的设备要稳定, 保证在出现事故时能够具备及时处理事故的能力。如果经济条件允许的情况下, 可采用动力头式钻机。动力头钻机能加强钻杆导正, 减少震动, 钻进平稳, 能够提高施工的效率和质量。
2.3 钻探工艺的选择
钻进施工中, 根据地质条件、工作环境、岩石的可钻性、研磨性和完整程度选择合理的钻头和钻具, 合理准确的设定钻进压力、转数、泵量的参数, 保证岩心采取率。加强岩心的采取率, 可以考虑使用底喷钻头或孔底反循环钻进。
使用高效的冲洗液来保护孔壁, 加大孔内岩粉的排出, 尽量保证岩粉被冲洗液全部带出孔外, 不在钻孔中参与循环。地层破碎严重时, 可降低泵量, 保证岩心的采取率。泵量控制在既能冷却钻头, 又能携带岩粉。如果出现漏水现象, 可采用聚丙烯酰胺加水泥浆液、聚丙烯酰胺加水玻璃等方法堵漏。
确定岩石的可钻性, 选择合适的钻头。不同地层可以使用金刚石或硬质合金钻头。准备长度合适的短钻杆和钻具, 合理确定每一个回次的机上余尺。岩石破碎严重, 极易堆积在孔底, 反复磨损, 出现进尺距离短但内管已堵住无法进岩心的情况, 这时要加大提内管次数, 保证岩心的采取率。
3 结论
破碎地层施工, 受其他因素影响大。因此要加强钻孔结构、钻探工艺等方面的认知和了解。根据实际情况, 加强自身能力和工作态度, 使工作效率和质量得到提高。
参考文献
[1]汤凤林.岩心钻探学[M].中国地质大学出版社, 2009.
[2]孙长青.钻探施工中坍塌与缩径地层的处理[J].煤炭技术, 2015, 30 (9) :159-160.
[3]付文.论钻探中复杂地层的处理和防治[J].建筑工程技术与设计, 2014.
松软破碎围岩地层掘进、支护方式 篇2
1 地质基本概况
煤矿井底车场为卧式车场,3#—4#交叉点及-325轨道石门是矿井运输的首要咽喉通道,其所处围岩岩性以炭质泥岩为主,该岩层节理裂隙极为发育,遇水极易泥化膨胀,该岩层位于巷道中下部,见图1;局部巷道顶部为二1煤,该煤层极为软弱,且极易风化、潮解,由于二1煤顶板为完整性很高的中粒砂岩,在掘进过程中巷道围岩局部冒落严重。
2 原掘进支护状况
井底车场3#—4#交叉点及-325轨道石门初期掘进按照常规的掘进方法掘进放炮,由于岩石及煤层极为破碎松软,极易发生冒顶事故,原使用的前探支护,不能有效的控制顶板冒落,工作面放炮后在支护过程中,大量破碎矸石冒落,初期采用放炮后及时喷浆的方法也不能阻止矸石冒落,对施工生产安全造成极大威胁。
最初设计为普通锚网支护,锚杆间排距为800×800mm,该支护难以控制巷道围岩的强烈变形,采用了补打顶板锚索和36U型钢棚支护进行修复,并对巷道全断面进行喷浆封闭,但巷道修复后大量存在喷层开裂、锚索梁大量屈服破坏现象,巷道两帮也存在明显变形。最大变形量达到0.8m。
3 钢管帷幕法前探支护掘进方式
针对岩石破碎松软的特点,根据围岩性质及施工工艺分析,主要是在放炮后初期临时支护不能阻挡顶板破碎岩石的大面积垮落,在巷道施工前采用1寸钢管按照200mm间距围绕巷道轮廓线对巷道顶板围岩封闭,钢管长度3米,采用少装药、放小炮的施工方法,每次掘进1.5m,钢管在未施工巷道的剩余长度为1.5米,相当于在掘进中施工了超前支护,人员在超前支护的掩护下立即进行架设U型钢支护施工,有效的控制了巷道围岩冒落,保证了巷道成型质量及施工速度。确保了施工安全。
4 新型支护技术、
4.1 36U型钢+壁后、巷底注浆
4.1.1 36U型钢棚架设在巷道掘进出断面后,立即对其进行对其进行喷浆临时支护,然后按照设计0.5m间距架设36U型钢棚,在36U型钢棚后敷设一层Φ6.5钢筋焊接的金属网,网孔100×100mm,以便对36U型钢棚后空隙进行矸石充填。充填完毕后喷浆100mm将充填层覆盖。
4.1.2 36U型钢棚壁后充填注浆采用36U型钢棚作为基本支护,针对36U型钢棚壁后不均匀空隙,同时考虑到巷道围岩裂隙十分发育的实际情况,采用充填注浆技术加固围岩,一方面通过注浆将支架与围岩耦合为一体,实现支架与围岩共同承载;另一方面通过注浆加固围岩,提高围岩体本身的稳定性。
4.1.3通过巷底注浆使底板松软岩体、注浆结石体和锚杆有机地结合成整体,改变了岩体的力学特性,增加了岩体的强度和完整性,有效改善了底板的应力状态,控制巷道底臌,缓解巷帮内移,从而提高支架的稳定性。
4.2 技术措施
4.2.1 基本支护
(1)采用四节半园拱形36U型钢支架。
(2)采用钢筋网背板,提高支架的护表性能。
(3)采用双槽形夹板上、下限位卡缆,改进后的卡缆需经热处理,提高其刚度,提高支架的整架性能。要求拱形支架的连接处用3付卡缆,2付双槽夹板限位卡缆,一付普通夹板卡缆。
(4)支架棚距为500mm。
(5)全断面喷浆封闭,喷层厚度100mm。
4.2.2 补强支护
(1)围岩强度补强根据揭露的巷道围岩状况表面,围岩节理裂隙极为发育,且3#—4#交叉点及-325轨道石门处于应力集中区,自身强度较低的炭质泥岩很容易屈服破碎,因此,通过注浆加固手段不仅能够显著改善巷道围岩状况,而且能将已有的36U型钢支护承载能力进一步提高。
①巷帮注浆加固在距巷底500mm、肩窝和巷顶共布置6根注浆锚杆,布置参数见图2。
注浆参数注浆锚杆材质为1寸钢管加工,帮部注浆锚杆长度为3000mm,底部注浆锚杆长度为2000mm,内端为锚固段,中部为带注浆孔的注浆段,长度450mm,钻有10个孔径为8mm的注浆孔,均匀布置,锚杆尾部有40mm长螺纹与注浆泵出浆管高压快速接头连接。注浆锚杆内锚固段采用普通的快硬膨胀水泥药卷,外锚固段采用喷射混凝土密封。
注浆材料的选择主要考虑以下原则:浆材结石体最终强度高,浆液流动性好,配比易调,浆材无毒无味、成本低廉。
根据以上原则及各种注浆材料性能,选用普通425#硅酸盐水泥加水配置而成,其水灰比为0.7～0.8(重量比)。
注浆设备采用镇江江城机械厂生产的QZB-50/6型双液气动注浆泵。
注浆压力是浆液在围岩中扩散的动力。它直接影响注浆加固质量和效果。根据注浆经验,最终注浆压力定为≥2～3Mpa。但在注浆过程中应加强观察,禁止进行破坏性注浆。
注浆量根据注浆经验,结合围岩状况确定每孔注浆量≥50kg浆液。
注浆时间为了防止浆液沿弱面扩散较远,造成跑漏浆现象,注浆时在控制注浆压力和注浆量的同时,必须要控制注浆时间,使注浆时间不宜过长。相反,在围岩裂隙、孔隙、层位不很发育的地方,吸浆速度较慢,注浆扩散较困难,为了提高注浆效果,必须在提高注浆压力的同时适当延长注浆时间。根据实际情况灵活掌握,达到注浆量、注浆压力、注浆时间的可控性注浆。
②巷底注浆加固开挖巷底500mm深后,用C30砼浇注200mm作为止浆层,在砼垫层的基础上进行底板注浆,剩余300mm用道碴充填做为让压区,布置参数见图2。注浆参数同(1)。
5 效果分析
采用钢管帷幕法掘进,大大减少了顶板冒落,解决了在松软破碎岩层中前探支护问题,采用浅打眼、多打眼、少装药,减少了对巷道围岩的破坏,控制了巷道爆破成型,提高了施工安全性确保了安全生产。
采用36U型钢+壁后、巷底注浆,在3#—4#交叉点处布置10个巷道变形观测站,监测巷道围岩变形量,为期3个月的顶底板移近量累计为26mm,巷帮移近量累计为19mm,可见采用该支护后巷道的变形量得到了有效控制。
6 结束语
破碎地层 篇3
中天山隧道为全线重点控制工程,位于伯信特隧道和塔塔儿车站之间,隔乌苏通沟与伯信特特长隧道相望,是穿越博尔托乌山的双单线隧道。隧道左线全长22.449km,与右线线间距36m。该隧道通过区围岩类别以Ⅲ级为主,其次为Ⅱ、Ⅳ级围岩及岩性较差的Ⅴ级围岩。测算隧道正常涌水量14 543.4m3/d,最大涌水量39 086.8m3/d。本隧道通过一级断层3条,次级断层8条,主断层宽度共计420m。
当TBM开挖到DK149+145~DK149+295段时,TBM掘进揭示实际地质为华力西期花岗岩,受构造影响很严重,呈肉红色夹杂灰绿色,节理裂隙很发育,节理裂隙多为宽张及微张,节理面有高岭土、绿泥石填充物。岩体很破碎,呈角砾状结构,局部碎石状,大小混杂,拱部裂隙水呈线状渗流,局部成股状。目前隧道洞室埋深1 500m,本段属高-极高地应力,综合判断为Ⅴ级围岩,围岩支护应采取加强措施,以确保施工安全。
2 施工步骤和措施
1)掘进前 进行超前地质预报预测,以确定破碎带边缘、长度、破碎程度以及含水情况等,根据破碎带的不同情况采取不同的处理措施。轻微破碎地段,对TBM不会造成影响时,可不进行处理;一般的破碎地段采用先掘进再处理的办法;对于严重破碎地段,掘进机无法施工时停止掘进,采用超前迈式锚杆钻孔注浆进行超前加固,然后打超前钻孔检查,证明可行时再向前掘进并进行处理。
2)掘进时 合理选用TBM掘进参数。在不同的地质条件下,TBM所需要的推力、掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩和撑靴支撑力等掘进参数是不同的。在TBM通过断层破碎带时,可适当减少TBM的掘进速度、刀盘转速等掘进参数,这样能有效地减小对围岩的扰动,从而减小或避免发生坍方的可能性,使TBM安全通过。同时要根据掘进中部分掘进参数的相对变化,了解前方围岩的变化情况(例如通过推进压力的大小可推知围岩强度情况,通过刀盘扭矩的大小可推知围岩的完整性情况),从而及时调整TBM的掘进参数或采用其它措施,使TBM快速、安全通过。
3)掘进后 加强支护。对破碎地段,采用喷混凝土、局部加锚杆喷纤维混凝土的支护措施;对严重破碎地段,可采用架设钢拱架、挂网、喷射混凝土或纤维混凝土,进行小导管注浆的支护措施。
3 施工技术
由于TBM穿越此段时,地层含水较丰富,松散的岩体在大量裂隙水的作用下,不但岩体内摩擦力较小,而且还受到地下水动力的作用,松散岩体会紧随着TBM的开挖而坍塌,造成掌子面上岩体坍塌严重,使TBM的滚刀因负荷太大而停止工作;大量的松散围岩向隧洞涌入,紧紧地包裹着TBM的前后护盾,造成TBM的前后护盾挤压变形。另外,松散围岩还造成TBM两侧面的前、后支撑靴没有着力点,使整个TBM既不能前移,也不能后退。为了解决上述问题,本工程采取的具体方案如下:(1)采用超前化学灌浆加固松散岩体,然后掘进;(2)对裸露出护盾的围岩进行喷砼锚杆支护;(3)立钢拱架加强支护继续喷锚;(4)实作径向小导管注浆围岩补强。此方案中本着短开挖、早支护、勤量测的原则实施,掘进一段距离后(1)、(2)、(3)可以同时进行互不影响。
3.1 超前支护采用聚氨酯化学浆灌注
聚氨酯是一种水溶性化学灌浆材料,该材料具有良好的亲水性,水溶性聚氨酯的固体是一种弹性体,其伸长率大于150%。化学灌浆材料除了有迅速凝固性能外,还有遇水能迅速膨胀的性能,其体积膨胀率超过120%上,这一特性对TBM刀盘掘进很重要。因为掌子面周围通过灌浆之后,能迅速形成一个固结岩体隔水层或固结圈,防止破碎围岩压实TBM护盾,只有这样TBM才能正常开挖。
聚氨酯化学灌浆现场施工工艺是当围岩露出护盾后采用人工风枪钻打超前迈式锚杆灌注化学浆液。超前迈式锚杆与支护设计如图1所示。
超前锚杆采用R25mm自进式锚杆,长度3m,环向间距100cm,外插角采用20°,于拱部150°范围梅花形布置12根;相邻两排迈式锚杆的水平搭接长度不小于1m。
在距掌子面10~50m处的电机平台位置,用一种专用的灌浆机,将黑、白两种聚氨酯溶剂分别由两路输送,两个出口各安装一只压力表,以显示灌浆时两种溶剂的输出压力,理论上两种溶剂按l∶1配制,因此两个表的压力值相等;每一路连接1根专用塑料软管,输送溶剂至孔口的混合装置,而后通过预先打入围岩之中的迈式锚杆,灌入到掌子面前方的松散岩体中。
化学浆液注浆范围为拱部150°范围,注浆压力为2~4MPa,扩散半径不小于80cm。注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化,做好记录,分析注浆情况,防止堵管、跑浆、漏浆。为不影响TBM刀盘向前推进,注浆完成后掘进前割除自进式锚杆外露的端头。
3.2 在护盾裸露出超前注浆范围的围岩时进行围岩喷砼锚杆支护,喷锚采用湿喷工艺
由于此段区域富水,为保证湿喷工艺的正常进行,对超前支护不能堵截的股状水要进行引排。线流及涌水点应在围岩出护盾后利用TBM自身锚杆钻机在出水点部位打排水孔,排水孔深度为1~3m。打好孔后先安装橡胶管,待到线流部位到达引水处理平台部位后再沿岩壁安装透水管和土工布,并用射钉枪将透水管和土工布固定牢固,设计固定点间距为30cm。土工布的铺设必须密贴岩面,未密贴处必须加钉处理,以保证土工布背后形成有效的过水通道,达到隔水引排的最佳效果。引水管及透水管的固定必须紧贴岩面并固定牢靠,保证喷浆过程中透水管不晃动、不脱落。
为了提高富水地段施工现场喷射混凝土的性能,需要对湿喷混凝土的配合比进行优化设计:减小湿喷混凝土的坍落度;增加混凝土的和易性;适当增加液态速凝剂的使用量;优化施工配合比。
经过对混凝土的优化处理,加强设置富水地段的引排水措施及有效改变喷射方法,使富水地段的湿喷混凝土质量有了明显提高,基本杜绝富水地段湿喷混凝土掉块现象和湿喷后的面渗现象,保证了富水地段喷射混凝土光滑、圆顺、美观,并为随后的小导管注浆做准备。
待对裸露围岩喷锚圆顺达到5cm厚度后,利用TBM自身的钢拱架拼装设备架立Ⅰ16型钢拱架,拱架间距90cm,拱架间采用22mm螺纹钢连接,间距1m。
3.3 采取小导管注浆补强支护措施
此方案采用42的钢管打入岩体后注浆,环向间距100cm,纵向间距100cm,管长400cm,注浆后使之在设计开挖轮廓线外形成一封闭环拱圈。小导管注浆设计支护如图2所示。方案安全可靠,机械设备移动灵活,手持式风动凿岩机即可钻导管孔,施工效果好。
3.3.1 设计方案
1)小导管选用42钢管,钢管长度400cm,壁厚为5mm。
2)钢管应垂直岩壁径向布置,并要求钻孔眼底基本在同一半径的圆周上,误差不大于5cm,钻孔孔径为50 mm,孔底间距2.2m。
3)该地层内的充填物较破碎,按照F
4)小导管布设间距与注浆半径的选择有关,按照设计文件提供的有关技术参数,并参照以往施工经验,经试验确定注浆的浆液扩散半径为110cm,导管间距为100cm且梅花形布置,每环从仰拱块顶面起环向布设21根。
5)采用快凝混凝土等锚固材料黏结钢管与孔壁,利用喷射混凝土做止浆墙。
6)实施注浆,压浆过程中进行跳孔间隔压浆,实施挤密型注浆过程,从隧道两侧底部开始,对称压注,最后在拱顶结束。
7)压降过程中若发生串浆则关闭孔口阀门或堵塞空口,待其注浆完毕后再打开阀门;若发生流水则继续注浆,直到达到每个孔的注浆标准。
8)孔口管应埋设牢固,并做好良好的止浆措施。
9)单孔结束标准:当达到终压并继续注浆10min以上,单孔注浆量小于20L/min,预留检查孔涌水量小于0.2L/min。
全段注浆结束标准:所有注浆孔均符合单孔注浆结束条件,无漏浆现象;对预留检查孔进行压水实验,在1MPa压力下进水量小于2L/min。
3.3.2 实施步骤
1)安装小导管 按照设计图在断面上准确标记出孔位,按照标记孔位用手持式凿岩机进行钻孔,然后把预先加工的小导管(图3)打入孔内,最后用快凝混凝土将小导管与孔壁封闭。
2)注浆 检查注浆泵和管路的工作状态正确与否,冲洗导管在打入过程中可能存留在其中的杂物。采用2台注浆机同时注浆,同时记录好各孔的注浆量、注浆时间及故障处理。各孔注浆待压力升至终压时结束注浆并关闭注浆阀门,防止导管内的浆液溢出。注浆过程中预留检查注浆孔。
3)效果检查 从开挖洞壁上观察没有股状水和线状流水,只有拱顶局部有渗滴现象。为进一步检验其效果,在设计开挖轮廓线上钻孔3m深查看,基本无水流出,从钻屑中发现有水泥浆凝结物,表明注浆达到了目的。综上判定:通过注浆达到防坍止水设计要求,可进行洞室开挖。
4 结语
按照如上方法每开挖一个循环后,循环上述支护程序,步步为营,顺利通过了隧道破碎富水地段,且未发生坍塌现象,止水效果明显,基本无渗流现象,为二次模筑结构衬砌混凝土提供了良好的条件,消除了在建筑物上产生的静水压力隧道建成后发生渗水的隐患。
通过采用超前迈式锚杆注浆、喷锚钢架加强支护及小导管注浆的成功方案,基本掌握了TBM在破碎富水地层中的施工方法,特别是在大量富存地下水的条件下,隧道洞室开挖及支护安全通过取得了成功的经验,为地下工程TBM施工方法积累了宝贵的经验。
摘要：新疆中天山隧道在采用TBM开挖过程中,遇到的地质条件十分复杂,断层裂隙发育、围岩破碎、地下裂隙水十分丰富,DK148+145～DK148+295隧洞围岩属于v级围岩。在TBM通过此段不良地质地段时,采用了超前地质钻探、聚氨酯化学灌浆、喷锚、钢拱架、小导管注浆等技术措施,有效解决了排水问题,防止了掌子面围岩的坍塌,保证了TBM安全通过,按时完成了开挖进度,取得了良好的施工效果。
关键词：TBM,软弱围岩,快速通过,施工技术,注浆
参考文献
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[2]王树勋,刘芳.TBM施工隧洞富水段湿喷混凝土施工技术[J].水利水电技术,2006,(04):38-41.
[3]苏华友,张继春,史丽华.TBM通过不良地质地段的施工技术[J].岩土力学与工程学报,2005,(09):1635-1638.
破碎地层 篇4
1 破碎复杂地层钻进的特点分析
在钻探过程中, 遇到的破碎地层通常可分为两类[2] :一是在构造运动作用下形成的复杂破碎地层, 即由地质构造运动所产生的挤压、张拉、剪切等作用, 使岩层产生节理、裂隙、裂缝、断层和片理, 其中坚硬的脆性岩石受构造力的剧烈作用最容易形成复杂破碎地层。二是由外力地质作用所形成的复杂破碎地层, 即风化层、河流冲积层、洪积层、风积层。岩层经风化作用变为岩性较松散、胶结不良的风化层, 而冲积、洪积、风积作用形成的各种沉积层一般含有粘土、流砂、卵石、砾石、漂石成为复杂的地层。由于在破碎地层中, 碎块状岩石的大小不均、胶结性差、结构松散、换层频繁、软硬悬殊、颗粒级配悬殊等特点, 所以在钻进过程中碎块不能稳定受力, 容易发生滚动, 产生多个切削面, 使得破岩效率降低, 岩心采取率低, 容易出现垮孔、掉块和卡钻等事故;再者因为破碎地层渗透性强, 容易造成冲洗液漏失, 或者出现涌水等事故。实践表明, 在复杂破碎地层钻进施工, 技术上主要存在“三难”——钻进难、护壁难、取心难。
2 破碎复杂地层钻进技术的研究
传统破碎复杂地层钻进技术有采用一般钻井液护壁的金刚石回转钻进技术, 它虽然能在破碎复杂地层进行钻进施工, 但是钻进效率不高。因此, 通过分析在破碎复杂地层钻进的特点, 人们运用冲击回转与反循环钻进技术相结合的思路, 研究出了一系列较为有效的钻进方法;同时通过对金刚石回转钻进技术中钻井液的改进, 使金刚石回转钻进破碎复杂地层也获得良好效果。
2.1 液动潜孔锤钻进技术的研究
早在1887年德国人沃·布什曼就实现了利用泥浆液能驱动冲击器进行冲击回转钻探。我国在这方面的研究始于1956年。其中1983年开始, 不少单位相续开发了多种型号的绳索取心式液动潜孔锤, 并在钻进坚硬岩石和破碎岩层时, 钻进速度得到明显提高, 岩心容易堵塞的状况得到改善[14] 。由于液动潜孔锤的动力来源于泥浆泵, 而泵压可以达到7~12MPa甚至更高, 故钻孔深度可以达到千米以上, 从而可以实现深部复杂破碎地层的钻进。至今我国已开发出来的许多品种和规格液动潜孔锤, 其中应用于地质勘探中主要有正作用式YZ和ZF系列, 双作用式DC、YS、SC、SX和SYC系列, 复合作用YQ系列, 绳索取心式SS和SZ系列, 液气两用YQS系列等[9] 。2007年中国地质科学院勘探技术研究所研发了SYZX75新型绳索取心液动潜孔锤[12] 。2009年吉林省核工业地质局探矿队应用SYZX75绳索取心液动锤配套加长岩心管, 在内蒙古赤峰市双山子铜多金属矿破碎岩层取得非常好的效果[3] 。
2.2 气动潜孔锤钻进技术的研究
相续研究液动潜孔锤的启动, 我国1958年开始研制风动潜孔锤 (气动冲击器) , 1965年开始推广, 1978年后逐步普及。风动潜孔锤冲击回转钻探是空气钻进技术的一个分支[14] 。实践证明, 气动潜孔锤钻进是一种效率高、钻孔质量好、成本低的施工方法。它在坚硬岩层、卵砾石层中钻进最具优势, 故而在水井、基础桩、连续墙、锚固工程、大口径井筒施工、坍塌地层跟套管钻进等工程中得到广泛应用。但传统的气动潜孔锤钻进仍以全面破碎的非贯通式潜孔锤为主, 采用单壁钻杆正循环排屑或取样, 地质资料可靠性差。国内曾借鉴国外在破碎复杂地层中采用潜孔锤双壁钻杆反循环连续取样钻进 (即CSR 钻进法) , 虽然比单壁钻杆正循环钻进前进了一大步, 但仍存在下列比较突出的问题: (1) 岩心样品质量差; (2) 结构设计不合理。主要表现为在钻具的潜孔锤部位仍为正循环, 在潜孔锤上部需连接一个交叉通道接头, 使岩样通过接头的窗口进入钻杆中心孔, 形成反循环, 这样在破碎地层对孔壁冲蚀会造成超径和样品混杂、污染、岩样漏失, 样品层位颠倒[1] 。
2.3 潜孔锤反循环钻进技术的研究
针对复杂破碎地层钻进工程中回转钻进难、产生岩粉碎屑多、取心 (样) 难、易垮孔、井眼轨迹难控制、钻井液漏失等诸多问题。单一的钻进工艺不能同时解决这些问题。因此, 人们开始将潜孔锤钻具和反循环钻进工艺的优点相结合。实践证明, 潜孔锤作为孔底动力钻具能有效解决破碎复杂地层钻探中进尺效率低和防止孔斜现象;反循环钻进工艺则能进行有效排除钻进过程中所产生的大量岩粉碎屑及保护岩心。之后, 人们又将跟进管技术和泡沫钻进技术应用到复杂破碎地层钻进中, 有效解决垮孔和掉块问题。该项技术配套应用于破碎复杂地层固体矿产勘探的关键是小口径贯通式潜孔锤及双壁钻杆系统的研制成功。
“七五”期间, 吉林大学针对水文水井钻凿研究了GQ—200/62 型贯通式潜孔锤反循环连续取心 (样) 新技术, 使水井钻进效率提高了3~4倍, 连续排出的岩心采取率高, 获取及时, 品质优良。“八五”期间其又研制了GQ—100/44型贯通式潜孔锤及反循环钻具系统, 经生产实际试验取得了较好效果[1] 。其中, 该技术在“河北省涿鹿县相广乡锰银矿南区普查”项目生产性试验中取得良好效果[11] 。当然贯通式潜孔锤反循环连续取心 (样) 技术也存在不足, 比如在破碎地层中岩心卡堵问题比较突出。对此, 李伟涛等人 (2004年) 也作了大量的研究, 并提出了取样钻头结构的改进方案[5] 。王茂森等人 (2005年) 对贯通式潜孔锤反循环钻进中的反循环钻头进行了巧妙的改进后, 使贯通式潜孔锤反循环钻进过程中能很好地避免风和岩粉从孔壁的裂隙或空洞中漏失;而外平双壁钻杆则能避免因塌孔或掉块引起的卡钻或埋钻孔内事故, 适合钻进破碎、漏失等复杂地层[10] 。
潜孔锤跟管钻进是指在破碎松散地层或卵砾石地层等不稳定地层中采用空气潜孔锤钻进成孔, 同时套管随钻头跟入孔内。跟进的套管具有稳定孔壁和保护孔口的作用, 而且钻进、排渣和护壁同时进行, 可以很好地解决复杂地层钻进中护壁难的问题, 使钻孔工作得以顺利进行。在钻孔完成后, 潜孔锤可以从套管中顺利提出, 套管留在孔内, 待完成注浆等工作后, 套管从钻孔中提出或永久留在孔内。目前国内的跟管钻进主要是套管直径在146mm以下的小直径跟管钻进, 采用单偏心钻头、常规气动潜孔锤、单壁钻杆以及正循环的方式排渣, 用于岩体锚固钻孔、坝基观测孔等钻孔的施工;而对于灌注桩孔、直径较大的水井孔等钻孔, 目前还难于实现在复杂地层的跟管钻进[13] 。
2.4 金刚石钻进技术中植物胶类钻井液的研究
过去以传统钻井液结合金刚石回转钻进工艺在破碎复杂地层中的钻进效率不高、岩心采取率较低。但植物胶类钻井液的应用, 金刚石单动双管钻具的改进和操作工艺技术的完善, 使得金刚石岩心钻进技术能更好地在破碎复杂地层中进行钻进。
从传统的要求来说, 钻探冲洗液的作用只是冷却钻头, 排除岩粉, 保护孔壁 (部分冲洗液) 和润滑钻具 (润滑冲洗液) 四大功能。传统的冲洗液如清水、加润滑剂的水溶液、泡沫液、泥浆及聚丙烯类无固相冲洗液, 都对岩心有冲刷、浸润和液化作用, 岩心中的松软破碎的细颗粒成分都会溃散而被冲掉, 因此很难取得高质量的岩心。现代植物胶类粘弹性钻井液的研究和应用, 除了上述功能以外, 还具有保护岩心 (护胶作用) , 粘弹性减振作用和降摩阻效应三大特殊功能, 这三大特殊功能为上述破碎复杂地层提高取心质量创造了必须的先决条件。S系列植物胶钻井液是目前使用最简单, 效果最好的粘弹性钻井液。S系列植物胶钻井液最早创硏于1984年, 当时只有唯一的一个产品, 商品名称叫SM植物胶钻井液, 系发明专利。在国内地质勘探中畅销二十余年, 由于原料资源减少, 故已逐渐淘汰。2005年以来新研制开发的产品有SH和ST两种类型的植物胶, 与SM胶一起统称为S系列植物胶[4] 。S系列植物胶钻井液和SDB (及SD) 系列金刚石钻具的结合, 在破碎复杂地层钻进中取得很好的效果[4,7] 。
除此之外, 国内用于破碎地层钻探的植物钻井液胶还有CL植物胶复合无固相冲洗液和和一些改性复合胶无粘土冲洗液。其中, CL植物胶复合无固相冲洗液的粘度适当, 有较好的携带岩粉能力;在孔壁上能形成有一定强度的吸附膜, 失水量低, 适合松散破碎、水敏膨胀等破碎构造带及不稳定地层护壁;该冲洗液流变性好, 润滑减阻性好, 可满足复杂地层绳索取心钻进的需要[8] 。邱存家, 陈礼仪 (2003年) 采用由植物胶 (GRJ) 、交联控制剂 (PHP) 和交联剂 (PS2DL) 组成一种改性复合胶无粘土冲洗液。其中除了粘度适当, 流变性好, 润滑减阻性好, 成膜作用强, 取芯护芯效果好等特点之外, 其最大优点是可种植再生的工业植物胶和合成高分子聚合物作为复合改性的基本原材料, 具有原料来源广、稳定可靠的优点, 较好地解决了野生植物胶资源短缺供不应求的矛盾, 可成为配制无粘土冲洗液的新材料。
3 结语
破碎地层 篇5
与传统钻进工艺相比,绳索取芯钻进工艺具有提高钻探效率,降低工人劳动强度,节约钻探成本等显著优点,尤其适合深孔钻进[1]。近年来,随着我国矿产资源勘探大规模转向深部以及地球科学钻探的蓬勃发展,使得绳索取芯钻进在地质、煤炭、水电、冶金和科学探测等领域广泛应用。由于绳索取芯钻具卡簧的收拢幅度较小,钻进完整地层时,绳索取芯钻具的取芯效果较好,但当钻进破碎地层时,经常出现取芯率低,甚至取不上岩(矿)芯的情况[2,3]。众所周知,岩(矿)芯是评价矿产资源储量、分析地质构造等最直观、最准确的资料,准确获取有代表性的岩(矿)芯样品意义重大。因此,对现有绳索取芯钻具进行改进设计,使其能够显著提高在破碎地层中的取芯质量十分必要,论文详细阐述了项目组对传统S-75绳索取芯钻具进行的改进设计和初步室内外试验,改进后的绳索强制取芯钻具能够显著提高破碎地层中取芯的质量。
1 绳索强制取芯钻具的结构及工作机理
图1为S-75绳索取芯钻具结构图,绳索强制取芯钻具仅需对S-75绳索取芯钻具内管总成中的悬挂部件(图1中部件Ⅰ)和卡芯部件(图1中部件Ⅱ)做改进,其余零部件不变。S-75绳索取芯钻具部件Ⅰ和部件Ⅱ工作机理是:内管总成下入孔底后,悬挂环2坐落在座环3上,冲洗液从进水口1进入,打开阀堵4后从出水口5进入内外管间的环状间隙直至孔底。卡芯时,卡簧座6下移至钻头8的内台阶,卡簧7沿着卡簧座6的内锥面移动,抱紧并拉断岩芯[4]。
1—进水口;2—悬挂环;3—座环;4—阀堵;5—出水口;6—卡簧座;7—卡簧;8—钻头Ⅰ—需改进设计的部件1;Ⅱ—需改进设计的部件2
改进后的部件Ⅰ如图2所示,悬挂环6通过销钉7固定在悬挂接头3上,同时阀堵及悬挂接头的内部结构作了一些变化;改进后的部件Ⅱ如图3所示,主要由卡芯接头1、爪簧3及爪簧座4等零件组成,卡芯接头1通过插接的方式与爪簧3及爪簧座4配合,爪簧座4内设有30°的内台阶。
将改进后的部件Ⅰ(图2)和改进后的部件Ⅱ(图3)分别代替图1中的部件Ⅰ和部件Ⅱ即构成绳索强制取芯钻具,绳索强制取芯钻具的工作机理如下:内管总成下入孔内后,仍然通过悬挂环坐落在座环上。
1—弹簧;2—进水口;3—悬挂接头;4—阀堵;5—悬挂接头内台阶;6—悬挂环;7—销钉;8—弹簧;9—出水口
1—卡芯接头;2—销钉;3—爪簧;4—爪簧座;5—阶梯钻头
正常钻进时,冲洗液由进水口2进入悬挂接头3内部,推开阀堵4,使阀堵4处于图2中的虚线位置,冲洗液经过中心通道后经出水口9进入内外管间环状间隙直至孔底。此时,图3中爪簧座4通过销钉2悬挂在卡芯接头1上,爪簧座4与钻头5的内台阶之间有2~4mm的过水间隙。
钻进结束需卡取岩芯时,先关闭地表泵,将地表泵由正常钻进泵量挡位调至最高泵量挡位,同时将泵的安全阀调至设计压力,再开泵,在大泵量水力作用下,图2中阀堵4迅速下移至悬挂接头3的内台阶5处,并堵住冲洗液的中心通道,泵压骤然升高,销钉7被剪断,整个钻具的内管总成相对于外管向下位移一定距离(设计值为2cm),图3中卡芯接头1向下位移,爪簧座4座落于钻头5的内台阶上,同时卡芯接头1推动爪簧3向下位移,爪簧3碰到爪簧座4的内台阶后被迫收拢,从而牢固地卡住破碎岩(矿)芯[5]。
2 室内试验
室内试验的目的是:确定固定悬挂环销钉的合理直径,该直径与地表泵的泵压对应;确定爪簧的合理结构形式(包括爪子的数目、厚度、长度和切缝形式等);检验绳索强制取芯钻具是否能够完成预设的动作。
2.1 销钉剪切试验
加工销钉的材料为20号钢,参考理论计算的结果将销钉加工为直径d=3~7mm不等,在压力机上进行剪切试验,得到表1所示的试验数据。
根据表1的数据可确定实际钻进时绳索强制取芯钻具所需配备销钉的合理直径并设定安全阀的卸荷压力,其原则是:剪断销钉对应的地表泵压大致为正常钻进时最大泵压的2倍(这样可以防止正常钻进时某些异常情况下泵压升高而导致剪断销钉的误操作),再根据剪断销钉对应的地表泵压便可确定销钉的直径;安全阀的卸荷压力可以设置成略高于剪断销钉对应的泵压。例如:正常钻进时最大泵压为1.5MPa,则剪断销钉对应的地表泵压可设置为3.0 MPa,查表1可知销钉对应的直径为4.5mm,此时,安全阀的卸荷压力可设置为3.5 MPa或4.0 MPa。
2.2 爪簧收拢试验
最初设计的爪簧是在一个薄壁圆筒上通过线切割均匀加工10条长20mm、宽0.3~0.8mm的等宽度缝隙,圆筒被10条缝隙分隔成10个爪子,线切割时切线并不通过圆心,而是先把圆筒的内径均分成10等份后,通过5条切缝分成10个爪子,5个内层爪子和5个外层爪子,爪子的结构及切缝形式如图4所示。
1—外层爪;2—切缝;3—内层爪
试验时,把爪簧与30°的台阶配合,并通过压力机施加压力迫使爪簧收拢。试验表明:爪簧在1 k N左右的轴向压力作用下就能收拢,并分成内外两层,爪簧内径由43mm收拢到32mm,爪簧的收拢程度没有预计的理想,主要是由于内层爪子之间相互挤碰,妨碍了爪簧的进一步收拢。
为了加大爪簧的收拢程度,项目组对爪簧进行了改进设计:将爪子的长度由20mm加长为25mm,同时等宽度的线切割缝改成“V”字型,再次试验时取得了较好的效果。
加工爪簧的材料为20号钢,爪簧收拢后通过专用的工具可轻易修复,爪簧可反复使用。
3 野外初步试验
2010年11月,项目组在河南栾川金矿的ZK121钻孔对绳索强制取芯钻具进行了野外初步试验,试验钻孔深度为180m,口径为76,使用的钻机为XY-5立轴岩芯钻机,水泵为BW-320泵。
为了确保钻具在孔底工作的可靠性,首先在地表对钻具的卡芯动作进行试验。先将钻具与水龙头连接好,采用正常钻进时的泵量1档118L/min检验钻具的性能,销钉未剪断,爪簧未收拢,水路循环通畅,工况正常,停泵后将水泵调至3档230L/min,再开泵,泵压迅速上升至6MPa,销钉剪断,爪簧收拢状况良好,如图5所示。
此后进行了两个回次的孔内取芯试验。第一个回次,采用118L/min的泵量进行正常钻进,进尺0.5 m后停泵,换至3档230 L/min,开泵片刻后泵压急剧上升至6MPa,起钻后发现爪簧并未收拢,没有取上岩芯。现场所钻地层为8级左右完整灰岩,分析原因认为,地层完整且较硬,爪簧难以抓住并拔断岩芯。
第二个回次,为了模拟破碎地层,清除孔内残芯后,向孔内投入一些小石子,如图6所示,此次并不钻进完整基岩,只是将钻具下入孔内后扫孔,待钻头接触基岩后,停泵,换至3档230L/min,开泵片刻后泵压急剧上升至6MPa,关泵后起钻,提上的钻具如图7所示,投入的石子基本取出。
4 结语
(1)传统绳索取芯钻具具有显著提高钻探效率,减轻劳动强度等优点,广泛应用于固体矿床勘探等领域,该钻具在完整地层中取芯效果较好,但在松软、破碎地层中取芯效果则不理想。
(2)对传统S-75绳索取芯钻具进行简单改进后的绳索强制取芯钻具,设计思路新颖,结构合理,是提高破碎地层取芯质量的一种有效钻具。
(3)室内外试验表明,绳索强制取芯钻具工作性能可靠,在软、破碎地层取芯效果较好,可提高深部资源勘探的取芯质量,但对于完整坚硬的岩层取芯效果有待提高。
参考文献
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