大口径冲击钻在水文凿井方面的应用
【摘要】在夹漂、卵石的砂土层中凿井取水，由于砂土颗粒细小，富水性较弱，采用传统的回转钻进工艺，成井孔径偏小，管井结构难以满足要求，出水量大受，如遇漂石，则钻进缓慢，成孔困难。文章以云南某选矿厂河边取水工程为例，阐述了在夹漂、卵石的砂土层中采用大口径冲击钻凿井取水，有效地解决了传统回转钻进工艺在此类地层中的不足。
【关键词】大口径冲击钻;河边取水;管井结构;清洗井孔
1.工程由来
云南某选矿厂位于一河西岸。为解决选矿厂的生产用水，选矿厂原拟选两种方案：一为抽取浮流河水、沿河岸坡建立三级沉淀池的取水方案，该方案预计耗资700万元，每年仅维护费用就高达60余万元；另一为凿取基岩裂隙水，单井深度大于200米，单井出水量为300～500 m3/d，需凿井12口，预计耗资500余万，该方案投入设备多、工期长，并且水源地范围要求大，难以选取。选矿厂向我院咨询取水方案时，我院建议在河漫滩上凿井，采取河漫滩的地下潜水，工程投资约200万元。经方案对比，选矿厂与设计院同意我院方案：在河漫滩上布置8口水井，井孔间距60～80米。要求单井抽水时，单井出水量≥700m3/d，群井抽水时，群井出水量≥5000 m3/d。
2.水源地地貌及地层结构
水源地地处山谷斜坡下部，位于河西岸，河水从旁由南向北流过，属河漫滩地貌。施工期间，河漫滩长约500m，最宽处40余米。
根据已有地质资料和前期水文勘察揭露，构成场地的地层上部由第四系冲洪积（Qal+pl）砂土夹漂、卵石组成，砂土主要为中砂，漂、卵石粒径多为2～30cm，最大漂石直径达60cm，主要成分为砂岩、石英砂岩、玄武岩等，砂土层厚9～12米；场地下卧侏罗系中统遂宁组（J2sn）紫红色、褐灰色泥岩、粉砂岩，泥岩、粉砂岩呈互层状产出。
3.场地水文地质条件
水源地旁河流属长江流域横江水系，平均流量56.1m3/s，五十年一遇的洪峰流量约为2300m3/s，百年一遇的洪峰流量约为2760m3/s。
场地上部夹漂、卵石砂土层为主要含水层，下部基岩为相对隔水层。地下水为孔隙潜水，由大气降水和地表水（河水）补给，当井群开采时引起地下水位下降后，河水将直接渗入，成为井群开采的主要来源。地下水在含水层颗粒间呈层流状态流动，流向与河水水流方向基本一致，排泄于河流。
4.凿井工艺的选择
拟开采水源地含水层地层属河流冲积成因，主要为中砂夹漂、卵石，由于砂土颗粒细小，富水性较弱，采用传统的回转钻进工艺，成井孔径偏小，管井结构难以满足要求，出水量大受，如遇漂石，则钻进缓慢，成孔困难，加之含水层厚度较薄，这就要求井孔孔径应尽可能大。根据前期的水文勘察结果，含水层厚度约8～10米，渗透系数约15m/d，经初步计算，要达到单井出水量不小于700m3/d，井管半径不宜小于200mm。综合上述因素，我院决定在本工程中采用大口径冲击成孔凿井工艺。
5.凿井工艺流程与施工工艺要点
5.1工艺流程
冲击钻的工作原理是利用卷扬机通过钢绳不断地提锥、落锥反复地冲击孔底岩土层，把岩土层中的砂土、岩块捣碎而悬浮于泥浆中，利用掏渣筒或泥浆的流动将其取出而成孔。本工程采用钢丝绳冲击式设备成孔凿井，其工艺流程如下：
5.2施工工艺要点
5.2.1井孔位置选择：因水源地属山谷斜坡下部的河漫滩，如靠近斜坡，则含水层较薄，靠近河流，则易受水流侵扰。所以在横向上，井孔位置宜在河漫滩中部，纵向上，为减少管井间抽水时的相互影响，井孔宜均匀分布于整个河漫滩上。
5.2.2钻机就位：钻机应支垫平稳、牢固，钻锥对准井孔位置。钻进过程中应随时量测钻机的平稳状态，发现偏差应及时纠正，防止井孔偏斜。
5.2.3钢护筒埋设：护筒内径应比井孔直径大40cm，护筒高度2.5m，埋入深度2m，高出地表0.5m。护筒四周应填筑密实，确保护筒稳定。
5.2.4泥浆护壁成孔：造浆材料就近取用粘性土利用钻锥在孔内造浆。泥浆性能指标控制：比重为1.1～1.3；粘度为19～25s。泥浆在保证孔壁不坍塌的情况下，尽量不采用浓稠泥浆，以减轻井孔的堵塞，减少洗井时间。
5.2.5井孔直径与深度：为尽量获取较大出水量，井孔采用1200mm大直径孔，一径至孔底。根据钻进情况与钻出岩屑分析可以判定基岩埋藏深度，井孔进入基岩5米后终孔，基岩段兼做管井沉淀槽。一般孔深约15米。
5.2.6下置井管：利用成孔的钻机卷扬设备在井孔内下置?覫426×10mm无缝钢管作为井管，井管上部3.5m为实管，露出地表0.5m，下部为滤管，外包滤网。井管连接采用井口焊接方式，焊接时应连接牢固，井管同心笔直。单节井管焊接完成后，随即对该节井管包网入孔。井管下置完成后，将井管垂直立于井孔中，井管中心线与井孔中心线重合，管口固定于井孔的护筒上，管口应临时封闭，以
防止填砾时异物、杂物进入管井内。
5.2.7在井管外壁与井孔内壁间填滤石：滤石选用1～3cm卵、砾石，填时用人工沿四周均匀进行，直至与地表向平，然后拔出钢护筒。
5.2.8孔内泥浆置换：向孔底灌入清水将孔内泥浆置换（因井孔深度较浅，可直接用橡胶管伸入到井孔底部），直至孔口冒出清水。
5.2.9清洗井孔：采用抽筒抽洗、水泵抽水联合使用的强化手段进行清洗井孔，直至出水清澈。由于采用泥浆护壁成孔，且孔径较大，考虑到洗井时间较长，我院采用小型钻机（XY-1型）清洗管井，在钻机的钢绳末端连接上洗井抽筒（抽筒外径小于井管内径3cm），利用钻机卷扬上下提动抽筒，井孔内泥砂沉于抽筒内而将其倒出井孔。洗井水泵选择出水口在顶端的大流量普通水泵，出水管采用橡胶管，用洗井钻机的钢丝绳提放水泵，操作方便。井孔清洗过程中，井管外滤石会下沉，利用就近的粘性土、砂土将其压实填平即可。
5.2.10抽水试验：各单井洗井完成后随即进行单井抽水试验，并取水样送检。待所有管井成井完成后，利用管井所配水泵进行一次群井抽水试验。
5.2.11管井加固盖板施工：由于管井地处河漫滩，为防止洪水期水流对管井的冲刷破坏，应在管井上部修建管井加固盖板。管井的出水管、供电电缆等亦应深埋于地表下。
6.主要施工设备投入
结合工程实际情况，在工程中投入的主要施工设备如下表：
7.工程完成情况
凿井部分历时45天，共完成供水管井8口，总深度123.9m，下置?覫426×10mm井管127.74m，填滤石145m3,安置井用潜水泵8台套。各管井概况如下表：
8.结语
此次工程实例表明，在夹漂、卵石的砂土层中凿井采用大口径冲击工艺成孔不仅施工速度快、工艺简单，而且能最大可能地提高管井的出水量。冲击钻目前多用于工业与民用建筑、道路、桥梁等方面的基桩工程中，通过此成功的凿井经验，希望冲击钻以后能在类似的工程中多加以应用。■
【参考文献】
［１］中华人民共和国地质矿产行业标准.水文地质钻探规程，(DZ/T 0148–94).
