地質下套管在四含宿徑怎麼處理
① 項目二 鑽探原始地質編錄
一、鑽探地質編錄的准備工作
1.技術准備
編錄人員應熟悉礦區的基本地質特徵，包括地層及分布狀況、岩性組合特徵、礦產種類及礦層（體）賦存狀態、褶皺、斷裂、礦帶分布及特徵、礦區岩礦層劃分單元等，了解和熟練掌握原始編錄的有關規定、程序、要求、方法等；並且，了解鑽孔施工設計。
一般一台鑽機安排一名編錄人員。
2.編寫鑽孔設計書
編錄人員應會同探礦人員，在礦區鑽孔位置確定後，編寫《鑽孔設計書》。《鑽孔設計書》應包括以下主要內容：
1）鑽孔編號、設計孔深、鑽孔方位（斜孔）、鑽孔傾角；
2）岩礦層分層起止井深（由上至下）；
3）岩礦層分層柱狀圖、分層岩石名稱、斷層、破碎帶井深；
4）各分層岩心、礦心、礦層頂底板岩心等的採取率要求（以礦區設計為准）；
5）孔深校正及要求（一般直孔每100m 校正一次，斜孔50m 校正一次，誤差±1‰）；
6）鑽孔結構及鑽進方法等。
二、方法與要求
鑽孔原始地質編錄是對鑽探取得的岩礦心（包括岩屑、岩粉）進行觀察，並對觀察過程及所揭示的地質現象進行真實、准確的記錄。
鑽孔開工後，地質編錄人員在鑽探現場的編錄工作是：根據鑽探班報表檢查孔深、進尺和岩心。檢查岩心的工作主要包括：①岩心的放置是否按岩心自然順序正確放在岩心箱內；②岩心編號是否正確及岩心長度丈量是否准確；③核對岩心隔板上的數據。
1.岩（礦）心採取率計算
岩、礦心採取率是單位進尺的岩、礦心長度的百分數，即
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根據取心孔段的不同情況分為回次採取率和分層採取率。
（1）回次岩心採取率（k）計算
當無殘留岩心時，
當有殘留岩心時，
式中：m為回次岩心長度；M為回次進尺；S1為上回次殘留岩心進尺；S2為本回次殘留岩心進尺。
（2）分層岩心採取率計算
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分層岩心長度由統計各回次同一岩性的岩心長獲得。分層進尺則是該分層底與頂的孔深之差。
2.換層深度計算
當無殘留岩心時，換層深度：
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當有殘留岩心時，換層深度：
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3.軸心夾角測量
軸心夾角是岩心軸與各種面（層面、斷裂面、節理面、片理面等）的夾角。測量軸心夾角，是鑽探編錄的一項重要工作。測量到的軸心夾角是局部產狀，對研究礦體構造很有用。測量軸心夾角有如下方法。
（1）測量法
測量法是採用量角器或測斜儀測量軸心夾角的。有些單位製作了岩心量角器，用岩心量角器測量較准確、方便。所謂岩心量角器如圖5-1所示，繪在透明薄膜上。量軸心夾角時，將其包裹在岩心上，並使其下（上）端線重合成一直線，便能量得軸心夾角。
圖5-1 岩心量角器及其操作示意圖
（2）計演算法
岩心是圓柱體，任意傾角的平面與其交切，得到的切面為橢圓。橢圓的長、短軸分別為d1和d2。軸心夾角是橢圓長軸d1與岩心軸的夾角α（圖5-2），有
圖5-2 計演算法示意圖
sinα＝d/d1
由於岩心直徑長度d等於橢圓短軸長度d2，於是得
sinα＝d2/d1
α＝arcsin（d2/d1）（0＜α＜π）
4.填寫鑽孔野外記錄表
鑽孔野外記錄表是最原始的鑽孔編錄資料。主要內容包括：各鑽進回次的進尺及其岩礦心採取率、換層孔深、按分層記錄的岩性及其採集標本的編號、岩石硬度等級、簡易水文地質觀測，主要有鑽孔水位及耗水量的記錄和鑽進中發現的孔內情況，如泛水、漏水、掉塊等的記錄。
5.修改鑽孔預想柱狀圖
修改鑽孔預想柱狀圖是隨鑽探進行獲得了新地質資料而修改鑽孔地質設計的工作。地質編錄人員應及時修改以便於更好地指導鑽探施工。
6.檢查孔深驗證、孔斜測量、簡易水文觀測
按設計要求檢查孔深驗證、孔斜測量、簡易水文觀測等工作。
丈量鑽具驗證孔深的工作，應按一定深度及時進行，特別是在見到礦體和重要標志層和下套管前後。孔深允許誤差為千分之一，誤差小於此數可直接修正記錄孔深；大於此數則應進行合理平差。
地質編錄人員要注意檢查鑽孔施工是否根據設計要求及時地進行孔斜測量以及測量結果是否符合設計要求。如果孔斜超過了設計要求應及時採取糾斜的措施並在以後的施工中採取防斜措施。
簡易水文觀測的目的是獲取劃分含水層和相對隔水層的位置、厚度等資料，並初步了解含水層的水位。在鑽孔地質設計中規定要進行簡易水文觀測的鑽孔不能用泥漿鑽進。鑽探地質編錄人員的主要任務是看鑽探原始班報表中是否對簡易水文觀測的內容作全面、認真的填寫；特別是所記錄的靜止水位是否真的是在水位靜止時所做的記錄。
7.封孔、立標
鑽孔結鑽後，根據各個礦區的具體情況，有的需要封孔。封孔前應提交封孔設計，明確封孔的孔段及其技術要求。封孔的質量要抽查。
施工結束後，在孔口的位置立標，標明鑽孔的孔號及施工日期和單位。標志可以用混凝土或石材製作。
8.終孔驗收和小結
對完工鑽孔必須進行終孔驗收。驗收工作由施工單位、地質單位的技術人員和有關領導一起進行。同時還應作地質小結。其內容主要有：鑽孔設計的目的和施工結果、鑽孔質量評述、主要地質成果和對地質礦產的新認識、經驗教訓等。
三、鑽孔地質編錄步驟
鑽孔編錄工作，應隨鑽孔施工進度在鑽探施工現場及時進行，在預計見礦井段，編錄人員要跟蹤指導，確保鑽探質量。
（一）檢查鑽孔施工記錄
在編錄前，編錄人員應詳細檢查鑽探班報表，包括「孔深校正及彎曲度測量記錄表」和「鑽孔簡易水文觀測記錄表」中記錄的回次進尺、井深、有關水文觀測數據等是否齊全、准確。
（二）檢查整理岩礦心
在施工現場，將岩心箱依井深順序排列。仔細檢查岩心長度及編號是否正確，岩礦心擺放有無拉長現象，發現岩礦心順序有顛倒的，應予以調整，發現破碎的岩礦心有人為拉長現象時，應恢復到正常長度後重新丈量，並通知機場當班記錄員更正班報表。
（三）檢查岩礦心樣品簽
確保岩礦心樣品簽的孔深、進尺、岩心長度、回次號等數據准確無誤。
（四）岩礦心編號
將大於10cm的岩心及大於5cm的礦心編號，用紅油漆（或防水符號筆）寫在岩心或礦心上。岩心編號用代分數表示：分數前面的整數代表回次號，分母為本回次中有編號的岩心總塊數，分子為本回次中第幾塊編號的岩心。
例：某孔中第5回次，有7塊編號的岩心，其中第3塊編號為
（五）岩礦心拍照
在檢查、整理岩礦心後，應將每箱岩礦心依次用數碼相機拍照存檔。
（六）岩心編錄步驟
1.分層丈量各回次不同岩性的岩心長度
盡可能對全孔或較長井段的岩礦心進行綜合觀察分析，按礦區釐定的分層標准進行岩礦心分層。例如：某鈣芒硝礦區ZK402孔中，按不同的岩性、礦石類型劃分出：第四系沖洪積層、紫紅色泥質白雲岩、紫紅色白雲質粉砂岩、中-細晶鈣芒硝礦石、紫紅色構造角礫岩、粗晶鈣芒硝礦石、紫紅色粉砂質黏土岩、紫紅色白雲質泥岩8種岩性的17個分層。
在第一分層結束後放入一個分層標簽（見《固體礦產勘查原始地質編錄規定》附錄A14）或分層隔板，如遇分層界線剛好在某一段完整的岩心中時，則用釘錘或劈樣機自分層處將岩心劈開後放入分層標簽（圖5-3）。
2.計算回次岩心採取率、換層深度、分層岩心採取率
（1）回次採取率計算
1）當同一岩性段內，連續五個回次的總進尺大於或等於該岩性段岩心總長度時，要計算五個回次平均採取率（「進尺」為本回次止孔深減上一回次止孔深，如本回次止孔深89.63m，上回次止孔深為85.24m，則本回次進尺為89.63－85.24＝4.39m）。
圖5-3 完整岩心分層示意圖
2）水文地質、工程地質以及礦層（包括含礦層、礦化蝕變帶）及其頂板3～5m要求計算回次採取率，方法如下：
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（2）換層孔深計算
從一個分層變換為下一個分層時稱為「換層」，換層時所處鑽孔深度稱為換層孔深。根據換層所處位置不同，分為回次內換層、回次間換層及空回次換層三種情況計算換層孔深。
1）某回次內換層時
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如圖5-4所示，
圖5-4 5回次內換層孔深計算示意圖
2）2回次間換層時
換層孔深＝上回次止孔深，如圖55所示，在5回次、6回次之間換層5回次無殘留岩心時，換層孔深＝5回次終止孔深＝25m。第5回次有殘留岩心時，換層孔深＝5回次終止孔深－5回次殘留岩心長＝25－0.2＝24.8m。
3）空回次換層時
換層孔深＝上回次終止孔深＋空回次進尺的1/2
圖5-5 兩個回次間換層孔深計算示意圖
也可根據上下層岩石的相對硬度、破碎情況確定合適比例（圖5-6）。
圖5-6 空回次中換層孔深計算示意圖
（3）分層岩心採取率計算
分層厚度＝本分層底板的換層井深－前一分層底板的換層井深
如圖5-7中7層厚度＝135.43－128＝7.43m。
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圖5-7中7層採取率
圖5-7 分層採取率計算圖
分層計算結束後，將有關數據填入「鑽孔原始地質記錄表」的有關欄目中，同時將換層孔深填入「岩礦心分層標簽」。
3.填表
（1）將鑽井岩心獲取的原始數據填入表中
由淺入深，依次將每一個回次的編號、起止孔深、岩心長度、殘留岩心、進尺、採取率等記錄於「鑽孔回次記錄表」的相應欄目內。其中，「止孔深」應為經過校正的孔深；「岩心長」應為經過編錄人員檢查、整理並認可的實際岩心長度。
（2）記錄分層數據
按《固體礦產勘查原始地質編錄規定》附錄A11「鑽孔原始地質記錄表」的要求填寫分層數據。
分層數據：對應於表中左側的回次位置填寫。如在第2回次中分層，則對應於2回次橫格中填寫序號，為本分層的順序編號。
回次岩心長：為本分層所處回次內屬該分層的岩心長度。如圖5-8中第2分層底界在第7回次的
圖5-8 回次岩心計算圖
4.殘留岩心的處理
殘留岩心的長度一般以施工人員測量為准，當未進行殘留岩心測量或殘留岩心測量不準，使其岩心長度大於進尺時，殘留岩心可按下面辦法由編錄人員進行處理（圖5-9）。
圖5-9 殘留岩心處理圖
1）在岩心完整時，以本回次岩心採取率為100%計，將超出部分推到上回次計算，如繼續超出可繼續上推，最多隻能上推三個回次。
例：第9回次進尺4m，岩心長4.9m，大於該回次進尺0.9m的岩心作為殘留向上推到第8回次（第9回次採取率現為100%）。
第8回次原進尺4.5m，岩心長4.2m，現加上第9回次上推的0.9m殘留岩心，則岩心長為4.2＋0.9＝5.1m，超過進尺0.6m繼續上推至第7回次，則第8回次採取率現為100%（該回次原採取率93%應更正為100%）。
第7回次原進尺4m，岩心長2.9m，採取率73%，現加第8回次上推的0.6m殘留岩心，則岩心長為2.9＋0.6＝3.5m，採取率為88%，岩心長度小於進尺，無殘留上推，至此，第9回次殘留岩心處理完畢（第7回次原採取率73%，應更正為88%）。如殘留岩心處理中，上推三個回次後繼續超出，應尋找原因，再作處理。
2）如岩心破碎為砂狀、粉狀和不在同一岩性中鑽進而用反循環采心工具採取的岩心，一般不準上推。
5.測量標志面與岩心軸夾角
岩心軸夾角是了解地層、礦層（體）、岩（礦）脈，地質構造的傾角，編制地質剖面圖、計算地層和礦層（體）厚度的基礎數據。通常用量角器法測量，步驟如下：
1）首先找出要測量的標志面在岩心上的總體方向，找出標志面在岩心上的最高與最低點。（可用紅、藍鉛筆畫一條線），如圖5-10中AB；
2）將岩心柱面（圖中CD）緊靠岩心隔板；
3）將量角器的零度邊（圖中ab）與標志面（AB）平行，同時將量角器的0點與標志面（AB）同岩心柱面（CD）的交點（0）重合；讀出岩心柱面在量角器上的讀數（70°）即為軸角（圖5-10）。
圖5-10 測量軸夾角示意圖
6.分層地質描述
分層地質描述應在仔細觀察岩礦心的基礎上進行。主要觀察岩礦心中的礦層（礦化層）及頂底板，礦化蝕變帶、構造部位及分層界線等，並將觀察到的地質現象、測量的數據等記錄於「鑽孔原始地質記錄表」中。
（1）岩礦石定名
地質描述前，首先應給岩礦石定名。定名一般以一個分層為單位，名稱應能反映出岩礦石的顏色、構造、結構、礦物成分及礦化等基本特徵。定名時，要根據分層中岩礦石種類、主次及分布特點定名，有以下幾種情況：
1）分層岩性基本上只有一種，可單一定名。
例：深灰色中粒條帶狀斜長輝石岩型稠密浸染狀釩鈦磁鐵礦。
2）分層中出現兩種以上岩石呈互層狀產出，可復合定名。
例：深灰色中粒條帶狀斜長輝石岩型稠密浸染狀釩鈦磁鐵礦與灰色中細粒流狀輝長岩型稀疏浸染狀釩鈦磁鐵礦互層。
3）分層中出現次要岩石夾層，復合定名。
例：深灰色中粒條帶狀斜長輝石岩型稠密浸染狀釩鈦磁鐵礦夾（也可為「間夾」「偶夾」）灰色中細粒流狀輝長岩型稀疏浸染狀釩鈦磁鐵礦。
（2）觀察及描述的主要內容
岩石特徵 岩石顏色（原生及風化顏色）、構造（層狀、片狀、板狀、流紋狀、流狀、條帶狀）、結構、礦物成分、風化特徵（氧化帶、混合帶和原生帶）及其他物理性質（光澤、斷口、硬度、相對密度）等。
蝕變特徵 蝕變岩石類型、蝕變帶內蝕變礦物的變化、蝕變帶與礦化或礦體的相互位置、空間關系等。
礦化特徵 礦化的種類、礦石特徵、礦層、礦層與頂底板接觸關系、產狀（測量礦層頂底板界面軸夾角，測量礦石原生構造的軸夾角等）等。
次生構造 斷裂、褶皺、節理、劈理、破碎帶的特徵、類型、產狀及後沉積作用構造，如結核、瘤塊，裂隙充填形成的岩牆等。
古生物及遺跡化石 觀察和收集古生物、古生物遺跡化石產出層位、化石種類及分布特徵等。在觀察岩心時，對一些有特殊意義的地質現象要做大比例尺素描圖或照相、錄像。
四、鑽孔資料整理
1.文、圖、實物資料整理
①對野外記錄的數據、素描圖上墨。②檢查文字記錄中，是否有錯字、漏字，專業用語是否准確，修正其錯誤。③核實各種數據，計算、整理樣品、標本，包括編號、登記、包裝、填寫送樣單等。
2.編制鑽孔柱狀圖
在資料整理的同時，根據編錄的地質資料，包括岩性、分層、斷層、礦化、蝕變、軸夾角、鑽孔方位及傾角等，按比例尺繪制鑽孔柱狀圖。
鑽孔柱狀圖採用礦區統一圖例。
比例尺各礦種要求不一，一般採用1∶100～1∶500。
若鑽孔中某一岩性段過大時，可以採用壓縮法繪圖。即這一段的岩性花紋可不按實際孔深或厚度繪制，在岩性花紋中用兩條斷開線表示縮減，兩條線之間為4cm。
鑽孔柱狀圖按圖5-11所示圖式及內容製作。
文、圖、實物資料整理完畢，編制鑽孔柱狀圖之後，編制原始地質編錄小結。
五、鑽孔原始地質編錄應提交的資料
1）音像記錄表；
2）坑道、鑽孔概況表；
3）孔深校正及彎曲度測量記錄表；
4）鑽孔原始地質記錄表；
圖5-11 壓縮鑽孔柱狀圖繪圖法
5）鑽孔采樣登記表；
6）標本登記表；
7）鑒定及測試成果；
8）鑽孔柱狀圖；
9）岩礦心音像記錄載體；
10）鑽孔原始地質編錄小結；
11）鑽孔質量驗收報告；
12）孔位坐標定測成果。
② 深孔復雜地層護壁堵漏技術組合的優選研究
9.2.1 深孔護壁堵漏技術及其組合的優選思路
（1）護壁堵漏方法優選的重要性
為解決復雜地層鑽孔護壁堵漏問題，我國鑽探界幾代人先後開展了艱辛的探索和研究，總結形成了一系列的護壁堵漏方法，積累了豐富的復雜地層治理經驗，也研製出不少的新技術、新材料、新工藝。
縱觀國內外復雜地層治理對策，在沒有鑽孔漏失存在時，主要護壁方法有泥漿護壁、固結護壁和套管隔離三大類；當孔內存在漏失層時，為防止泥漿漏失導致液柱壓力下降而造成孔壁失穩，還需採取相關的堵漏措施。在生產實踐中，針對某個具體、單一的孔內復雜問題，通常有不同的治理方法可供選擇，而採用何種方法常常取決於個人的經驗與愛好；當鑽孔中出現多種不同特徵的復雜地層時，客觀上要求採用不同的護壁堵漏方法與措施的組合。
無論是採取單一的還是組合的復雜地層治理措施，要可靠、有效、低成本地解決遇到的技術難題，必須根據相關的工作程序和評價指標，深入、細致地進行技術工藝措施優化選擇。鑽孔越深，復雜地層鑽進的難度也越大，更應重視護壁堵漏方法的優化問題。
（2）深孔復雜地層護壁堵漏原則
深孔復雜地層鑽進，為防範卡（埋）鑽、糊鑽等孔內事故（表9.1）的發生，應遵循以下基本原則，確實做好護壁保壁工作：
表9.1 卡（埋）鑽的類型與原因一覽表
1）預防為主，防治結合；因地制宜，綜合治理。
2）必須用泥漿作為沖洗液，及時使用，並切實用好。
3）水泥等固結護壁方法，原則在地層條件、孔內情況許可和後續工作可保證固結體穩固的情況下使用。
4）孔壁失穩與鑽孔漏失伴隨發生，原則應先處理鑽孔漏失。盡量採用低密度低失水沖洗液鑽進，發生微漏或將要遇到漏失層時在沖洗液中添加惰性材料等是預防鑽孔漏失常用措施。
5）經濟、合理的鑽孔結構。
6）護壁工作必須有合理的鑽進技術措施和操作工藝配合，如：控制提下鑽速度、不在已知漏層位置開泵、控制鑽進泵量、打撈內管與提鑽時應隨時向孔內回灌泥漿等。
（3）深孔護壁堵漏技術及其組合的優選思路與評價指標
深孔護壁堵漏技術及其組合的優選思路見「7.3.2研究工作方法」。一個好的技術工藝方案，最少必須滿足二項基本條件：①能有效地解決遇到的實際難題；②應用成本低、綜合效益好。要選擇一個較佳的護壁堵漏方案，可從四個方面比較備選方案（表9.2）：
1）工藝措施：技術可行，操作簡單；
2）應用效果：解決問題，結果可靠；
3）安全預期：隱患有限，風險可控；
4）綜合費用：低。
表9.2 泥漿與套管護壁、材料堵漏與套管隔離的選擇評價
9.2.2 護壁泥漿的優選
為保證復雜地層鑽孔孔壁安全、鑽進順利，最基本、最有效的途徑是及時選擇、配製和使用適合地層特點的泥漿、時時維護好泥漿性能。
（1）泥漿優化選擇要考慮的因素
1）地質條件：泥漿類型、泥漿性能應滿足孔內復雜情況的要求；
2）施工情況及條件：設備狀況、孔深、孔身結構、鑽進方法（取心或全面、普通或繩取等鑽進）等是泥漿流變性能參數設計的重要依據；
3）鑽探要求：應確保安全鑽進和提高機械鑽速；
4）不同孔段泥漿轉換：既要滿足施工要求，又要避免泥漿浪費；
5）循環系統及固控設備狀況；
6）地質及環保等其他要求。
（2）泥漿優化選擇評價指標與要求
1）解決鑽遇問題的有效性：能有效維護孔壁穩定，避免孔內復雜情況和事故的發生，確保鑽進的安全和高效；
2）較好的適用性：應具有（或通過簡單調整即可）維護同一鑽孔中各復雜孔段孔壁穩定的性能，即能滿足廣譜性的要求；
3）泥漿性能應滿足實際鑽進工藝（繩索取心、液動錘等）要求，如：較低的固相含量、良好的流變性能、較強的清除孔底和攜帶岩屑能力、良好的潤滑性能等；
4）使用與維護方便，成本低：配漿材料盡可能單一（泥漿組分盡量簡單），使用維護簡易方便；
5）無污染，無毒性；等等。
（3）泥漿優化選擇方法
1）根據各復雜地層的特性，分層進行泥漿設計。
（a）初步選擇泥漿類型：清水及自然造漿，細分散泥漿，不分散低固相聚合物泥漿（優質聚合物泥漿），粗分散泥漿，無固相泥漿（合成高聚物溶液、天然植物膠溶液、生物聚合物（XC）溶液、水玻璃-PHP溶液、潤滑沖洗液等）。表9.3 所列是根據有關研究成果及實踐經驗，總結、歸納的各類不穩定地層鑽探特徵及其泥漿對策。
表9.3 主要復雜地層特徵與泥漿對策表
（b）確定泥漿性能參數。①合理泥漿密度確定：以最小孔底壓力等於地層壓力為原則；②泥漿流變性能設計原則：保證攜帶岩屑和鑽孔凈化的能力；環空狀態接近穩定狀態，防止沖刷孔壁；盡可能降低粘度，有利於碎岩、清除岩屑，提高機械鑽速；有利於降低環空壓力，防止鑽桿內壁結垢；具有低摩阻，即塑性粘度較低；③濾失量確定：應嚴格控制泥漿的濾失量；④泥餅質量；⑤pH值：一般為8～11；⑥固相含量：膨潤土含量一般不超過5%等。
（c）優選泥漿材料及泥漿處理劑。參照《地質岩心鑽探規程》「A.1 沖洗液化學處理劑」和相關泥漿處理劑的特性進行選擇。
（d）進行體系配方試驗，初步確定泥漿類型及配方。復雜地層有離子污染現象存在時，首先要進行水質和泥漿濾液的分析和測定，了解可溶鹽的種類與含量，有針對性地採取措施。
2）按「泥漿優化選擇評價指標與要求」，初步提出每一復雜地層的泥漿方案，最好有三個以上。
3）綜合各復雜地層的泥漿方案，提出鑽孔的主導泥漿類型、材料、配方等參數，並制定各復雜地層的泥漿使用對策。
9.2.3 堵漏方法與工藝的優選
鑽孔漏失，復雜地層失去泥漿的有效支持作用，容易導致卡鑽、埋鑽，甚至鑽桿折斷等孔內事故，嚴重影響鑽探工程質量與效率。針對鑽遇漏失層的特徵，科學、合理地選擇並應用適應實際的最佳堵漏工藝技術方法，是降低鑽探成本的基本途徑之一。
（1）鑽孔漏失的主要原因
鑽孔漏失源於存在漏失通道和壓差：
1）漏失的動力：泥漿液柱壓力大於地層壓力所形成的「壓力差」作用。
2）漏失通道：「孔隙、粒徑比」（地層孔隙直徑與泥漿中大多數顆粒直徑的比）等於或大於3時，就會發生沖洗液漏失，如易發生沖洗液漏失的地層：多孔隙、高滲透性、固結不良的地層（沖洪積層、氧化帶、風化帶、破碎帶、錯動帶等）；洞穴、岩溶地層，坑道老窖、礦渣堆；天然裂隙（斷層、節理等）等。
（2）堵漏技術工藝方法的評價指標
1）解決鑽孔漏失問題的有效性：鑽孔漏失量的減少程度，封堵漏失通道的可靠度等；
2）堵漏操作容易、勞動強度低；
3）堵漏綜合費用（材料費、機具費、人工費等）低等。
（3）堵漏技術工藝方法的優化選擇
思路：科學分析鑽孔漏失的原因，正確選擇堵漏工藝，合理選擇、配製最佳的堵漏材料（堵劑），制定相應的技術措施。
基本程序和方法：
1）詳細、准確了解和掌握漏失地層的情況。
（a）搞清楚發生漏失時的情況：何工作（時間）、何地層、何泥漿；鑽速變化情況（在大裂隙中鑽速會突然加快）；岩屑大小（岩屑顆粒大小可間接反映漏失通道尺寸的大小，如果漏失通道的尺寸大於岩屑的尺寸，泥漿中就不會含有岩屑）；泵壓變化以及孔口返漿狀態等。
（b）了解鑽孔附近地質情況：露頭處存在的斷層、裂隙等狀況，鄰孔鑽進漏失情況。
（c）綜合判斷漏失層位的特性和漏失量：漏失層取出的岩心情況（深度、裂隙大小、破碎程度等），判斷是否存在鬆散、孔隙、裂隙、溶洞或節理發育等漏失通道；漏失深度，漏失層厚度，漏失量（漏失總量，每小時漏失量）等。
（d）孔內液面深度（孔內動水位和靜水位）：鑽具全部提出後，觀測鑽桿濕痕計算水位或用測繩測量孔內水位。
（e）有條件時，採用物探儀器（井溫測試、示蹤原子測量、電阻測量、超聲波測量）或專用測漏儀（壓力感測器、旋轉葉片式流量計）判斷漏失層位置，並通過孔內攝影了解岩石裂隙位置、溶洞大小等。
2）認真分析確定漏失性質與特徵、漏失層位置、漏失層長度等情況的基礎上，選擇有效的堵漏技術和方法。初選提出的堵漏方案，最好有三個以上。
按堵漏體在孔內和封堵漏失通道的特徵，堵漏方法可分為幾大類：
（a）泥漿護壁及壓力平衡鑽進法：利用沖洗液密度的調整來平衡地層壓力的漏失層防治措施，一般沒有採用封堵漏失通道的材料。主要措施是降低泥漿密度。
（b）建立止流屏障法：套管隔離，大型尼龍袋，復合堵漏袋等。
（c）充填固結法：水泥或化學漿液堵漏材料進入漏失層的裂隙、孔隙、孔洞中並凝結固化，最終封閉漏失通道。
充填固結法（如灌注的水泥漿）為了有效封堵漏失層中的裂隙、孔隙等鑽孔與地層之間的漏失通道，必須在預定深度范圍內形成具有一定半徑、較高強度的阻水帶。其實現條件是：①應採取有效措施使漿液進入、滲透或擠入裂隙、孔隙等通道一定的距離並填充密實，如對裂隙、孔隙小的漏失層採用封閉式壓力注漿。②應使漿液能在漏失層的裂隙、孔隙中停留和不被地下水稀釋。如裂隙、孔隙大漏失層的治理對策：採用平衡或增阻（增加漿液流動阻力）灌漿，在漿液中摻入砂、惰性材料、纖維材料等使漏失通道由大變小、由小變微，有地下徑流存在時採用速凝漿液等。③漿液經一定的時間後，能與裂隙、孔隙等漏失通道圍岩膠結成具有一定強度、穩定性好的整體。
無法用泵送的堵漏材料漿液，可採用繩索取心鑽桿為灌注工具：堵漏漿液倒入鑽桿內後，再用泵壓送替漿水。投送水泥球一般採用繩索取心鑽桿。
（d）架橋填塞法：堵漏材料（惰性材料、膨脹堵劑、高失水堵劑等）進入、填充漏失層的裂隙、孔隙、孔洞等，使漏失通道減小、流動阻力增加。
架橋填塞法堵漏其實是「大顆粒架橋、小顆粒填縫、泥皮封塞」的過程，要求堵漏材料「塞得進、填得實、封得密」。因此，架橋材料要具有廣泛的顆粒尺寸，並採用各種不同材料（纖維狀、薄片狀、顆粒狀）的混合料以增加堵漏效果。架橋材料堵漏試驗表明：在低壓差條件下，纖維狀、薄片狀用於堵高滲層效果好；在高壓差條件下，用粒狀材料封堵裂隙比用纖維狀和薄片狀材料要好。
（e）頂漏鑽進法：如果地層完整（孔內只漏不坍），在水源充足情況下可「頂漏」鑽進。在鑽孔漏失且水位很低情況下頂漏鑽進法，可採取在水位以上干孔段的鑽桿上塗抹潤滑油（脂）、在能夠正常循環的沖洗液中添加皂化油或其他潤滑劑的方法，解決鑽具潤滑減阻問題。
在堵漏對策的選擇上，不必過多關注漏失量的大小，關鍵要注意漏失層的地層特徵及地下徑流情況。表9.4所列是根據有關研究成果及實踐經驗，總結、歸納的鑽孔漏失類型與治理對策及技術措施。
3）按「堵漏技術工藝方法的評價指標」對初選的堵漏方案進行評價、優選，確定最佳的方案，並制定相應的堵漏技術措施。
表9.4 鑽孔漏失類型與治理對策及技術措施
9.2.4 套管護壁技術
鑽孔結構的設計就是根據地層條件、鑽孔設計深度、鑽進方法、護壁措施及設備能力等因素，合理確定與鑽進工藝技術方法相適應的開孔直徑、換徑次數及其相應深度，並確定套管的規格、數量、下入深度和程序。
（1）套管護壁的主要優缺點
鑽遇復雜地層時，如能採用快速鑽進技術措施穿過復雜地層，然後下入套管護壁，也就基本上能防止該復雜地層對鑽進安全的危害。在鑽孔深度較深，且復雜地層厚度大或呈多層出現時，鑽孔結構和套管程序比較復雜：往往需要多次換徑，下入多層套管；設計終孔孔徑較大時，往往需要較大的開孔直徑等。
（2）套管選擇應注意的主要事項
1）在滿足鑽孔套管層級和一系列工藝要求的前提下，盡可能降低套管使用成本；
2）在具體分析各層套管的內、外荷載的基礎上，選擇滿足安全鑽探需要的套管（直徑、扣型、鋼級、壁厚、長度），並保證套管的尺寸、材質滿足深孔護壁和特殊工藝需要；
3）隔離溶洞的套管段（長度比溶洞高度要長2～4m），應有足夠的強度、剛度和穩定性；
4）周全考慮套管的起拔難度和套管事故的處理方法。
（3）套管安放的技術要點
1）下套管前的准備：①清除孔內的殘留岩心、沉砂，採取措施修整孔壁、破除台肩，並將泥漿性能調整穩定；②檢查套管質量，管材應符合標准，用鑽頭或套管接頭通過准備下入孔內的全部套管；③檢查要下入孔內套管的接頭螺紋；④准確丈量每根套管長度，編號排隊，並記錄在班報表上；⑤准備齊全下套管的工具。
2）為保護孔口穩定，應牢固埋設孔口管。
3）下套管：①套管下端應安裝套管鞋和木引鞋；②仔細檢查套管絲扣的完好性和擰緊程度，保證接頭光滑、對正；③擰接套管時，絲扣連接處應用粘結劑（如松香、瀝青或環氧樹脂）粘牢、擰緊；④擰卸套管禁用管鉗，應用鏈鉗或自由鉗；⑤在地層破碎、鬆散孔段，應嚴格控制下管速度；⑥根據孔徑與套管的級配情況，考慮套管扶正器的尺寸及設置位置，提高套管的居中度；⑦套管外部要塗油（黃油或廢機油）。
4）保證套管坐穩坐實：①套管底部的岩層，應選擇較硬的或較完整的層位；②清理孔底，確保套管到位（下管隔離斷層破碎帶時，如孔內有的坍塌物不便清除，一般可先在孔口對套管進行固定，再採用小一級口徑鑽進一段，然後提出鑽具活動套管，使套管外的坍塌物掉入小孔內）；③套管下端用水泥或粘土封固2m左右，防止套管端部漏失；④套管與孔壁之間應灌滿泥漿；⑤套管上端管口要嚴密封閉（一般採用環形鋼板與孔口管焊接，也可採用麻布、毛巾等纏繞密塞措施，防止鑽渣沉積在管外增加拔管阻力）。
5）作為技術套管使用的套管，如需保證多孔段護壁的套管或未遇可坐落的岩層僅作本孔段上部護壁的套管，可先下入一滿足護壁長度的套管並採用孔口固定，換小一級鑽具鑽進至目標層或比較穩定的岩層後，拔出套管，擴孔重新下入套管。
6）減少深孔套管的外力作用措施：①下套管時，在套管下端堵一木塞或連接一浮套管鞋，可以增加泥漿對套管的浮力，減少下入套管過程中上段套管的負荷；②在孔口用夾持器夾住套管上端，減輕下段所受壓力；③減少套管起拔阻力。下套管時，在套管外壁上進行潤滑，如：在套管外壁塗抹黃油類潤滑劑並在潤滑層外纏繞一層PVC塑料薄膜，薄膜外再塗一層黃油。
9.2.5 深孔護壁堵漏技術組合的優選程序與方法
在地質條件復雜的礦區進行深孔鑽探，施工前應做好護壁堵漏技術組合的優化設計，即：根據鑽孔深度與直徑、地層與構造（岩層傾角、軟硬程度、節理裂隙發育程度、破碎程度等）、水文地質等情況，以及地形地貌、交通運輸、水電供給、技術裝備、鑽探經驗等條件，以優化的理念，在分層制定各復雜地層護壁堵漏措施的基礎上，綜合確定鑽孔最佳的護壁堵漏技術組合（含科學合理的鑽孔結構），以期取得好的地質效果與經濟效益。
（1）確定須護壁堵漏的復雜地層孔段及其對策
結合鑽探技術條件與經驗，按表9.5所列項目由淺到深制定各復雜地層的護壁堵漏對策與方案：
表9.5 鑽孔分層護壁措施分析表
1）沒有鑽孔漏失情況下，優先考慮泥漿護壁（參見「9.2.2 護壁泥漿的優選」）。鑽遇鬆散、破碎、易水化分散等軟弱復雜層發生孔壁垮塌超徑時，採用固結法護壁，推薦應用高壓旋噴法灌注水泥漿（見「9.3高壓旋噴水泥漿護壁技術的研究與應用」）。
2）鑽孔漏失影響泥漿護壁的實現或造成無法正常鑽進時，應按「9.2.3堵漏方法與工藝的優選」選擇對策處理。
3）如果可能發生沖洗液的流動阻力大於地層的破裂壓力而造成壓裂性漏失，宜考慮加大鑽孔直徑。
（2）初步確定採用套管隔離護壁或堵漏的孔段
依據鑽孔地質條件、擬採用的鑽進工藝等，在鑽遇目前護壁堵漏技術無法或難以解決的孔內復雜問題，初步確定需採用套管護壁的孔段：
1）特別復雜的不穩定地層，如遇溶洞、老窿、暗河及承壓水氣地層等，在沖洗液護壁不能奏效、水泥很難固壁時應下套管護壁。
2）泥漿不能有效護壁、水泥很難固壁的地層，往往需考慮套管隔離。
3）無法有效封堵的漏失地層，若出現沖洗液供應不上、泥漿消耗成本大、上部復雜地層垮塌等情況，也需考慮套管隔離。
4）後續鑽進過程中無法使用泥漿維護孔壁穩定的孔段，一般應下套管隔離。
（3）套管隔離孔段組合
在鑽孔深、直徑大，且復雜地層厚或多個不同特性地層出現時，如果遇到、鑽穿一段或一個復雜地層即下入套管隔離，不僅需要較多種類和數量的套管，而且需要較大的開孔直徑。因此，應根據各孔段的情況，配合相應護壁堵漏措施，進行套管隔離孔段組合。組合方法：
1）跟管鑽進。遇到不穩定和漏失層時，下入護壁套管，然後用小一級鑽具在套管內向下鑽進一段錘擊跟管一段。隨著鑽孔深度和鑽孔直徑的增大，實施難度隨之增大，甚至無法實施。
2）臨時套管護壁——技術套管應用。①在鑽孔上部固定套管內下一層活動的、可回收的技術套管。②採用較小的直徑（能獲得最佳技術經濟指標的直徑）進行「超前孔」鑽進。③鑽遇復雜地層必須下套管護孔時，將活動套管拔出，然後擴孔、下套管、固管。
此法在孔深較大時應用，套管起拔和下入都會很困難，並容易引發孔內套管事故。
3）強化護壁堵漏工藝措施，延長每一層套管隔離復雜地層的長度和層次。
（4）護壁堵漏技術組合優化
按安全經濟要求，通過進一步優化鑽孔結構，實現套管隔離與泥漿、堵漏等護壁保壁工藝措施的最佳組合。主要程序與方法如下：
1）優化鑽孔結構與套管程序。套管隔離對解決孔內漏失或復雜狀況，是最有效、最可靠的一種方法，它具有工藝簡單、見效快、效果好、適用范圍廣等諸多優點。但深孔鑽探大量使用套管護壁不僅存在勞動強度大、下入和起拔費工費時、材料成本高等問題，如果遇到、鑽穿一個復雜地層即下入套管隔離，不僅需要較多種類和數量的套管，而且需要較大的開孔直徑。優化鑽孔結構的安全、經濟原則：
（a）在滿足地質、取心、測井要求的前提下，孔徑要盡量小；
（b）孔身結構在確保鑽進安全、順利進行的前提下應盡量簡單；
（c）套管程序要留有餘地，以應對復雜情況；
（d）周全考慮套管的安放與起拔難度，在具體分析各層套管的內、外荷載與強度校驗的基礎上，選擇滿足強度、剛度和穩定性等安全鑽探需要的、國內常見規格系列的套管。
按以上原則，確定套管的層次以及各級套管的直徑、扣型、鋼級、壁厚、隔離孔段長度等。
2）確定各級套管隔離的孔段中，各復雜地層鑽進時和鑽穿後所需採取的護壁堵漏措施。
3）綜合比較不同的套管隔離程序及其相應的護壁堵漏措施組合，確定最佳的方案（表9.6），並細化具體的工藝措施。套管方案決策原則：自下而上，安全經濟。
表9.6 鑽孔結構優化設計決策分析表
9.2.6 馬坑鐵礦護壁堵漏技術組合優化成果
由於福建鐵礦區岩性復雜、岩相變化大、斷裂與褶皺十分發育等原因，深孔鑽探護壁是關鍵。經過多個鑽孔的試驗實踐，研究制定了「優質泥漿+有效堵漏、旋噴水泥漿固結、多層次套管等復合護壁」技術。該技術作為馬坑鐵礦深孔鑽探護壁原則與工藝要點（表9.7），有效保證了鑽進的順利進行。
表9.7 石岩坑鐵礦地層與護壁堵漏對策選擇表
9.2.7 深孔護壁堵漏技術及其組合的優選研究體會
護壁堵漏是礦區復雜地層條件下深孔鑽探的關鍵性技術難題。能否快速、有效地解決這一難題，不僅反映一支鑽探隊伍的技術水平，也直接關繫到地質找礦成果的實現和效益。針對礦區、鑽孔、孔段的復雜地層開展護壁堵漏技術組合優化，在綜合考慮眾多制約和影響的因素基礎上，探尋提高護壁堵漏有效性、經濟性的最佳技術工藝方法組合，具有十分重要的現實意義。為此，必須加強三方面工作：①熟練掌握各種護壁堵漏方法、工藝和措施，持續開展技術創新；②不斷積累護壁堵漏及其相關鑽探工作的實際成本數據；③認真總結不同復雜地層條件下的護壁堵漏成果，並進行技術經濟評價。
③ 三門峽～吋大口徑供水孔鑽進技術總結
黃河三門峽地質勘探總隊
為了解決三門峽水利樞紐施工及居民區的用水問題，我們於1955年第四季度開始，在此地區內進行了水文地質勘探，找到水源後於1957～1958年兩年又鑽進了9個大口徑的供水孔，以滿足用水的需要。
供水勘探孔唯一顯著的特徵是口徑大，當時並沒有巨型鑽機，因此，如何利用KAM-500型鑽機，完成鑽10～14吋大口徑鑽孔的任務，是當時生產中的一個主要關鍵，總隊黨委對此親自做了布置，號召同志們解放思想，打破保守，同時要求工地一定要做到及時總結，交流經驗，並要注重推廣工作。同志們依著黨委的指示，努力鑽研，大膽創造，克服了很多困難，終於正確地掌握了施工方法，摸索出一些利用500型鑽機鑽大孔的施工經驗，1958年施工又豐富與發展了這些經驗，效率較前提高了兩倍，替以後一米大口徑鑽孔奠定了思想基礎。
一、基岩中大口徑(10～14吋)鑽孔的鑽進工作
(一)鑽孔結構及鑽進方法的選擇
1.根據勘探的目的與要求來確定鑽孔結構，如果單純是供水生產孔其結構即可簡單，如果既做供水生產井用，又要了解不同地層的水文地質情況，兩者相兼的供水勘探孔，因要進行分層封孔止水工作，故鑽孔結構即須復雜，並促使開孔口徑增大，例如373號供水勘探孔即是如此，致使開口口徑定為ϕ14″(376mm)。
2.鑽進方法的選擇：閃長玢岩中使用鐵砂或鋼粒鑽進，煤系中用硬質合金鑽頭鑽進，而在石灰岩中多用鐵砂鑽進，用合金鑽頭鑽進也可，因成本較高，故少用之。
(二)鑽進所用的設備
1.KAM-500型鑽機一台。
2.水泵選用200/40型水泵，閃長玢岩中漏水性不大，故在其中鑽進，有一台水泵即夠用，在漏水大的岩層中鑽進時，有時需同時用兩台水泵。
3.動力機：用匈式雙缸重式25匹馬力柴油機和旅大造20 匹馬力柴油機分別帶動鑽機和水泵，1957年三門峽地區供電後，即改用電動機，既方便經濟又節省人力。
4.鑽具
(1)鑽桿：使用50mm鑽桿，兩端墩厚，車外扣，特製碗形鎖接頭連接鑽桿。其優點為：1)接頭內徑大，供水充足；2)易於接卸，節省時間；3)可用墊叉卸鑽桿，既節省了工具又可使鑽桿不再被管鉗掏磨，增長了鑽桿使用期限。
(2)碾砂鑽頭(圖1)：是用鋼管製成，內外各加焊一層3mm厚的鐵板，為的是使鑽頭外徑較岩心管外徑大一些，鑽進時不易卡鑽，內徑較岩心管內徑小一些，鑽出的岩心細，不會憋水。
(3)合金鑽頭(圖2)：在煤系岩層和質軟的石灰岩中，可使用硬質合金鑽頭，我們採用了單雙粒鑲法，並吸取了楚庫洛夫型鑽頭的理論，經使用結果，效果很好，節省了合金數目，效率並未降低。
圖1
圖2
(4)岩心管：用粗徑鋼管製成，為防止鑽孔偏斜，在岩心管上每隔2～3m，也可加焊一個3mm厚鐵板箍圈(或不是整圈，而由6～8塊長方形鐵板圍組而成也可)(圖3)。
圖3
圖4
(5)取粉管的裝置：大口徑鑽具也應使用取粉管，以防止掉塊，發生卡鑽事故，同時也可帶出錐粉，有利鑽進，取粉管的連接最好是用絲扣連接或是利用導向裝置將其穩定於鑽桿上也可(圖4)。
(6)岩心管接頭(圖5)：也是用同級鋼管製做，應注意堅牢，防止脫落。
圖5
(7)鑽具相互之間均以方扣相連，為的是接卸方便，具體規格見「鑽具製造與機械修配技術總結」。規格統一，便於應用。
(三)保證鑽孔垂直的幾項主要措施
依照規范來講，用500型鑽機，鑽進10 吋以上口徑的大孔，是超過規定的，但由於我們鑽孔保證了垂直，運轉起來即輕快得多，鑽進工作也就能順利進行，具體注意事項如下：
1.鑲孔壁管要直，表層若是堆石層或風化岩石時，在上部可採用開挖的方法，開挖一定深度後，鑲入井壁管。ϕ12″鑽具鑽進，應鑲ϕ14″鋼管，ϕ14″鑽具鑽進，因沒有更大的鋼管，故只可鑲入木套管或是澆注混凝土作為井壁管。總之不論用什麼作為井壁管，均要求其垂直不偏，這樣才能保證鑽孔開孔直，以後也容易保證垂直。
2.使用長鑽具，鑽頭岩心管與錐粉管總長度應為6～8m，別怕鑽具重，鑽機帶不動，只要是孔直，鑽進仍然輕松，並不費勁，鑽具也不易折斷，使用長鑽具是保證孔直的一個很重要的措施，一定要做到。
圖6
3.使用導向器，鑽進10m，即應加用導向器(圖6)，每一根鑽桿或兩根鑽桿使用一個，其主要功用可保證孔直，又能預防鑽桿磨損與折斷。
4.加用鑽鋌，為避免鑽桿過度扭甩和防止因過大加壓後，引起鑽孔歪斜，所以盡量少加壓力，而以鑽具自重鑽進為宜，如使用木製導向器，在水中有浮力，這就更需要鑽具自身有一定重量，所以應該使用加重鑽桿或是鑽鋌。
5.立軸與井壁中心要對正，在鑽進中須經常注意找正。500型鑽機用ϕ12″或ϕ14″鑽具時，鑽具過粗，起下鑽具時，橫軸箱部分有阻礙，不能垂直上下起落，所以開口部分應要大一些，好讓鑽具順利下落和起出。
6.其他
(1)基礎應堅實，安裝機械要穩牢。
(2)使用鋼粒鑽進。
(3)轉速與水量要適當。
(四)採取和打撈岩心
大口徑鑽進，岩心的直徑大，不易折斷，最好是靠其天然裂斷面提取較為方便，每次鑽進後，盡量將此段岩心取出，否則將給下次鑽進帶來困難，鑽具不易到底，具體辦法如下：
1.在堅硬完整岩層中鑽進時，憑借給進把的感覺及觀察鑽進具體情況，覺得岩心已斷時，不管進尺多少，即應下卡料，提出岩心，而後再行鑽進，若岩心總也沒斷，最好是多鑽些，超過2～3m，再下卡料，卡住扭斷提升，因為岩心長易斷，否則卡料也卡住了，扭也扭不斷，反而造成了事故，增加麻煩。
2.在堅硬完整的岩層中，若岩心實在不易扭斷時，可採用沖擊鑽沖碎岩心，而後撈出的辦法。我們在閃長玢岩中鑽ϕ14″口徑的鑽孔時，即採用過ϕ12″的十字鑽頭(重約1 t左右)沖擊的辦法，每次可沖碎岩心長度50cm左右，將岩粉撈出後，再次沖擊，這個方法的缺點是拿不出岩樣，費時也較長，但在困難中確是有效而安全的辦法。
3.岩石比較破碎，有時會發生「研磨」情況(即岩心堵塞在鑽頭中不再進尺)，應立即起鑽，岩心可全部拿出。
4.岩層很破碎，有時需要進行打撈，可用彈簧鑽頭撈取，彈簧鑽頭是在鑽頭內鑲好彈簧片或鋼繩，用以卡取岩心，彈簧片可以用廢岩心管製作，淬火後錘煉而成，柔韌而有力，ϕ10″鑽頭鑲8～10片，ϕ12″鑽頭鑲10～12片即可。
5.岩心卡住後，提升鑽具要平穩，緩慢上升，不使鑽具受震，防止岩心脫落，影響鑽進。
(五)技術操作中的幾個問題
1.立軸回轉數，若依每秒一米的線速度來計算，則10″、12″鑽頭的轉數均應小於80轉/分，這樣效率極低，根據操作經驗證明，8～10″鑽具鑽進，立軸回轉數約為120～150轉/分，12″～14″鑽具鑽進，立軸回轉數約為100～120 轉/分，鑽頭線速度約為1.7～2m/s，較小口徑鑽頭速度要快。
2.軸心壓力：鑽頭大，工作底面積大，所需壓力也大。以單位面積10kg/cm2計算，則10″鑽具需壓力860kg，14″鑽具需壓力1120kg。若鑽具自重不夠時，可考慮加用鑽鋌，鑽孔深了有時還需利用平衡器減壓，操作中應適當地掌握軸心壓力，以利進尺。利用500型鑽機進行大口徑鑽孔時，若採用鐵砂鑽進，則軸心壓力約為8～12kg/cm2即可，太大了，鑽機帶動也費勁。
3.用水量：大口徑鑽進用水量要多一些，在完整岩層中鑽進時，用水量約為70～90L/min，14″鑽具鑽進用水量約為100～180L/min，所以一台200/40型水泵即夠用，但岩層破碎或有大溶洞，鑽孔內漏水量大時，需水量也大，常常大於200L/min，所以需用兩台水泵供水。
4.水口問題：水口不能過長或過寬，它的形狀、大小對沖洗液流速及岩粉沉澱影響很大，10″以上的鑽具，可以割2個水口，出水均勻，不僅可以提高鑽進效率，預防鑽桿折斷，而且也利於開鑽起動。
5.投砂方法：採用一次投砂與零星給砂相結合的辦法，先一次投入較多量的鐵砂。閃長玢岩中14″鑽具鑽進，一次投砂約為12～14kg，12″鑽具鑽進投砂約為10～12kg，均可進尺1m左右。5度石灰岩中鑽進，8″鑽具每次約投入8～10kg，10″鑽具每次投入10～12kg，可進尺1～1.5m左右。當鑽進很正常，但孔內含砂不多時，可再零星給些鐵砂，鑽進一些再起鑽，要注意孔內砂量不宜過多，一般以不超過0.5m為宜。
(六)工作中的體會
1.大口徑鑽進中，保證鑽孔垂直是最主要的關鍵，要經常觀測，歪斜若超過規定，立即糾正。一般規定在開孔鑽進5～10m後，即應觀測一次，以後每進尺10～20m再行觀測。事實證明，若是鑽孔垂直，則利用500型鑽機鑽進8～14″鑽孔，完全是可以的。
2.加強檢查工作。口徑粗，扭力大，所以在每次下鑽前對鑽具的檢查極為重要，尤其是對絲扣部分，更應加強檢查，防止事故，不合規格的鑽具，嚴禁使用。
3.使用三套鑽具。一、二套作為鑽進用，另一套專為打撈岩心用。
4.水泵要好用，壓力及排水量要大。因鑽具粗，鑽孔大，流速慢，故一般岩粉多由錐粉管取出，水泵應保持一定的壓力與水量，隨鑽進隨將孔底岩粉沖上，利於鑽進。
5.ϕ50鑽桿特製碗形鎖接頭連接既堅牢又好用，應該推廣使用。
6.鑽具總長度為6～8m，這是保證孔直的一個主要措施。
二、10吋供水孔的泥漿鑽進
(一)一般情況
1.會興地區地層情況，表層是黃土，在施工區域內，表層黃土厚度為10～25m。下面是卵石層，厚度為12～20m，卵石直徑最大的達80cm。而後即是砂層，砂粘、粘砂和粘土等相互交錯。其中在「三門系」砂層中含有豐富的地下水源。
2.供水生產開採用ATH-8型深井泵抽水，所以需要下入8″鐵管做過濾管，為此要求最終孔徑應大一些。
3.鑽孔深度為30～100m。
4.鑽孔結構：
(1)表面土層開挖，在一般情況下，挖穿卵石層為止。採用雙掛釣支撐維護井壁。
(2)開挖至32m，仍未挖穿卵石層時，停止開挖，改為鑽進。
(3)用10″鑽具加鑲肋骨鑽進，直鑽到孔底，可保持孔徑為290mm。
5.採用設備：500型鑽機、水泵各一台，中間架一個，電動機一個，12m高木製鑽塔一個，泥漿攪拌機一台(附帶動力機)，另外選用50mm鑽桿，並以特製碗形鎖接頭相連。
6.為保證鑽孔垂直，便於順利下放過濾管起見，規定鑽具長度為6～8m。
7.採用泥漿鑽進。
8.開動兩部鑽機同時工作。
(二)泥漿的配製與檢查
1.每台鑽機備有泥漿攪拌機一台，容量為0.6m3左右，每分鍾約為60轉。
2.採用會興鎮「三門系」的灰綠色粘土作為原料，攪拌時間為1.5～2小時。
3.配製與使用泥漿的技術標准：
黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史
4.勤檢查泥漿質量，勤測定，不合規格的泥漿，禁止使用，應另換新漿。
5.如果地層變換了，欲使用稠度較稀的泥漿時，應該使用攪拌機攪拌稀漿逐漸調換，不可在泥漿箱中加水變稀，也不得使用清水代替泥漿送入孔內。
6.如果在卵石層鑽穿後，沒下套管保護孔壁，則在以後鑽進中應特別掌握泥漿的稠度及比重，不能太稀，雖對進尺有些影響，也應維持適當的稠度與比重，為的是保護孔壁，防止坍塌。
7.粘土在攪拌前，先用水濕泡2～3天，以利攪拌均勻。
(三)開孔工作
1.挖卵石層而到砂層時(圖7)
圖7
(1)在試坑底部挖一小凹坑，深約 1～1.5m，將ϕ12″套管一根根地連好，下入凹坑中。
(2)套管放入後，要仔細找正，使其垂直，而後用木段、木方將套管在坑內固定，並使套管僅能上下運動，不能左右推動。
(3)用6～8m的ϕ10″鑽具，下入套管中，試其是否能順利到底，並且回轉無阻。若發現ϕ12″套管彎曲，長鑽具下不到底時，應即糾正。
(4)用吊錘輕輕敲打ϕ12″管，並在套管內部用鑽具撈砂鑽進，使ϕ12″套管進入砂層中2m左右。
(5)用粘土將凹坑填平，分層夯實，尤其是粘土與管壁及凹坑壁接合處必須夯緊。
(6)凹坑填平後，在試坑底部再回填粘土及黃土，分層夯實，其厚度約為2～2.5m。
(7)向ϕ12″套管內注入泥漿，泥漿不漏可以循環了，即可正式開鑽。
2.若挖到32m仍為卵石層時，只可將ϕ12″套管座在卵石層上了。以後施工步驟與前同，僅是挖小凹坑要深一些，放入套管後，凹坑底部可先用水泥封住，上部再回填黃土粘土，分層夯實，回填厚度可深一些，防止泥漿漏出。
3.封管工作很重要，應仔細小心去做，防止漏漿返工。
4.若卵石層疏鬆，上下串漿時，有時須將卵石層部分全部回填夯實，方可將漿止住，不再外冒。
(四)各種地層中的鑽進
1.砂層中鑽進
(1)使用肋骨合金鑽頭(圖8)。ϕ10″鑽頭割成8個鋸齒，齒深50～60mm，其上鑲5×5×10或7×7×13塊狀合金，合金外出刃2.5～3mm，內出刃3～3.5mm，或可更多一些，以消滅岩柱，肋骨厚度10mm，高50mm，寬20mm，約略呈斜形，鑲在鋸齒上，距鑽頭底邊2cm左右，肋骨下端，加鑲合金，防止很快地將肋骨磨損成溝。
圖8
(2)操作時約略下壓，運轉中不要上下提動，下進一拍子後，可稍提升一次，為的是使沖洗液大力沖洗一下，將井內砂粒攜出孔外。
(3)砂層中進尺快，注意鑽機能拉轉，有進尺即可，不要加太大的壓力。
(4)水量要大，轉速約為120～140轉/分。平均效率為7～9米/班。
2.粘土、砂質粘土層中鑽進
(1)鑽頭與砂層用的鑽頭相同，除硬合金已鑲內出刃外，還可在鋸齒邊上，割一小斜口，向內打彎，擴大內出刃范圍，有利鑽進。
(2)操作中要輕壓快轉，每鑽進10～15cm，提升鑽具一次，距離不超過5cm，同時要開大水門，使泥漿沖洗孔底一次。
(3)粘土層中鑽進，泥漿要稀，甚至可以使用清水，但因要維護卵石層和砂層的孔壁，所以泥漿也不能太稀，這樣就影響進尺效率了。
(4)同樣的是壓力不可以太大，不要上下常提動，水量要大，轉速120 轉/分左右即可。
3.礫石層中鑽進
圖9
圖10
(1)鑽頭割成的鋸齒要大(即水口小)(圖9)。合金內外出刃要小一些，肋骨底部與鑽頭底部相齊，肋骨上加鑲合金。
(2)小的卵石層可用合金鑽進，遇有超過鑽頭直徑的大塊孤石時，應採用鐵砂鑽進，鐵砂由鑽桿內下投。鑽頭所用的肋骨要大、要多(圖10)。或是使用基岩鑽粒鑽進中所用的鑽頭形式，在鑽頭外面加焊一圈10mm厚的鐵板，用以保持鑽孔口徑，在鑽穿孤石後，原用的鋸齒肋骨鑽頭可以順利下去，繼續鑽進，不再擴孔，若所用肋骨小，磨損多，即使將孤石鑽穿後，口徑也小，常需再行擴孔後，原有鑽具才能下去，這樣既不經濟，又影響效率。
(3)礫石層中鑽進時，也不要上下常提動鑽具，每鑽進一段後，應將卵石撈盡，而後再行鑽進。
(4)在卵石層鑽進時，即採用彈簧鑽頭，在鑽頭內鑲有彈簧片或鑲鋼繩，邊鑽進，邊將卵石拿出。若沒有拿盡時，在鑽完一段後，應專下打撈鑽頭撈取。
(5)卵石層中鑽進，應用慢速，約為80～100轉/分。
(6)小徑卵石易鑽，進尺效率高。直徑大又純為卵石層者，進尺效率低。
(7)鑽進中注意泥漿稠度，不應低於24秒，以防止孔壁坍塌。
(五)鑽孔後的清洗工作
為不影響水文地質觀測條件，在鑽孔結束後，要大力進行清洗工作。
1.當鑽孔竣工後，用長鑽具自上而下再清掃一次，通行無阻，即可下入8″過濾管。
2.下完過濾管後，用提筒提取過濾管內的泥漿，提抽至一定程度時砂層即行坍塌，地下水湧入管內，管內水位不再下降時，停止。
圖11
3.再下沖洗器(圖11)，用水泵送水自上而下，自下而上逐段地，反復地上下沖洗，將過濾網上的泥漿沖洗干凈。沖洗器是用ϕ146mm的岩心管做成，長約1～1.5m，四周鑽有一二百個ϕ2～3mm的小孔，作為噴水之用。
4.沖洗完畢後，下入揚水管及風管，先利用空氣壓縮機抽水洗孔2～3天，將過濾管內的泥漿及細砂等抽出，防止損壞深井泵。用空氣抽水洗孔，因埋藏深度限制，出水量小，僅為3～4L/s。
5.因此，最後仍需下入深井泵抽水洗孔，水量大，能達到8～10L/s，加速洗孔效率，至抽出的水完全清凈時止。在一般情況下，空氣抽水與深井泵抽水洗孔總計約6～8日。
6.洗孔結束後，即可開始正式抽水試驗。做一次降低或三次降低。
(六)採取岩樣
地質要求，每兩米需取岩樣一個，利用小徑鑽具(ϕ127mm)採取岩樣。
1.粘土層中用勺形鑽採取土樣。
2.砂層中可用勺形鑽或鋸齒合金鑽頭干鑽撈取。
3.礫石層中可用彈簧鑽頭撈取。
4.憑借給進把感覺、進尺快慢及鑽進情況，很易分清地層情況，要詳細記在記錄上，作為校對地層資料的參考。
5.在鑽進中，採用「先取樣，後進尺」的辦法，取完樣後，即鑽進，不再注意岩心。
(七)事故的預防
1.在鑽場設置能起重3～5 t的絞磨和雙滑車。如因故停鑽或發生卡鑽時，立即用之提升。
2.鑽機因故停鑽時，需立即提升鑽具，不超過1～2小時，可提升15～20m，如超過兩小時，需將鑽具提出孔外，防止淤卡。
3.注意檢查泥漿質量，不合格者棄之不用，另換新漿。
4.要使用肋骨鑽頭，加大岩心管與孔壁間的間隙，防止卡鑽。
5.勤檢查鑽具，防止折斷事故。
6.若要下套管封孔時，下好套管後，應先用長鑽具試探一下，長鑽具能順利下去，再行封孔。
(八)幾點體會
1.根據不同的地層，換用不同粘度的泥漿，在泥漿鑽進中，泥漿質量與供應很重要。我們這次是一個機組設一個攪拌機，並指定專人負責泥漿工作，完全保證了泥漿質量與泥漿供應，構成了鑽進的有利條件，全部鑽進時間，沒有發生一次事故，又提高了鑽進效率。
2.大口徑不同地層的供水孔泥漿鑽進，技術復雜，班長應親自負責操作與指揮，憑借給進把的感覺與鑽進具體情況，掌握壓力、轉速與泥漿的規格等，小心操作，防止事故。
3.經過本期工程實踐證明，在卵礫石層中是完全可以使用泥漿鑽進的，效率也不低，同時也可以不下套管，僅用泥漿保護孔壁。所以下次再遇到此類地層情況鑽進時，開孔即可用機鑽，而不再採取開挖辦法了。
4.在土層或砂粘層中，使用泥漿鑽進時，鑽頭內出刃要大一些，這樣岩柱細，易於折斷，隨鑽具轉動而破碎。壓力水泵要好用，壓力要大，流量也要大，邊鑽進，邊將岩粉沖出，鑽孔內不存岩柱，每次下鑽均能順利到底，提高了鑽進效率。為此對水泵要維護好，常檢查修理，使其永遠維持正常運轉，是保證順利進尺的主要因素。同時，在條件允許下，應另用動力機帶動水泵，更為方便，可以防止事故。
5.其他一些體會與基岩中鑽進相同。
(原載於《三門峽工程》1959年第三期)
④ 礦井防治水方法研究
（一）煤層底板高壓灰岩水帶壓開采技術
對於華北型煤田，防範煤層底板水的主要方法是帶水壓安全開采。雖然深部高壓水存在，若充分利用隔水層的防護作用，可消減部分水壓值，在不進行或很少進行疏水降壓的情況下將可實現帶壓開采。當礦井採煤工作面突水系數Ts大於0.06MPa/m時，應當採用降壓疏干或（和）煤層底板注漿加固方法減小突水系數，以保證煤礦安全生產。
1.帶壓開采技術
與華北型煤田類似，鄭煤集團各礦井二1煤開采應採用帶壓開采技術。所謂帶壓開采就是煤層底板受承壓水威脅，充分利用煤層底板至承壓含水層間隔水層性能，在不採取或在國家經濟、技術條件許可情況下，採取某些技術措施後，實現安全採掘的一種綜合性防治水技術。國內外對該技術曾做過大量研究，特別是近幾年在我國進行了較為廣泛而深入的研究，取得了顯著成績。
評價帶壓開采安全的標準是突水系數。20世紀60年代由煤炭工業組織的焦作會戰提出的突水系數是
鄭州煤礦區水害防治規劃研究
式中：P——水壓值（MPa）；
M——隔水層厚度（m）。
20世紀70年代煤炭科學研究總院西安分院和其他有關單位對上式所表示的突水系數進行了修正，提出以下突水系數公式：
鄭州煤礦區水害防治規劃研究
式中：Cp——采動後底板導水破壞深度（m），其他符號同前。
該公式1984年5月由煤炭工業部正式批准作為礦井水文地質規程防治底板突水的依據，並於1986年寫入「煤礦防治水工作條例（試行）中」。
突水系數在以往的應用中取得了顯著成效，解放了受水害威脅的大量煤炭資源，特別是在突水可能性分區上已有了較為明確的界限值，所以在評價鄭煤集團各煤礦二1煤帶壓開采時，我們採用了煤炭科學研究總院西安分院提出的公式。
就整個華北型煤田而言，關於底板奧陶系灰岩突水可能性分區問題，可以考慮以下方案：
Ⅰ區：奧陶系灰岩承壓水面以上的地區；
Ⅱ區：奧陶系灰岩承壓水面以下，但突水系數Ts＜0.06MPa/m；
Ⅲ區：突水系數Ts介於0.06～0.15MPa/m的地區；
Ⅳ區：突水系數Ts＞0.15MPa/m的地區。
Ⅰ區不存在底板奧陶系灰岩突水問題；Ⅱ區為可能發生底板突水危險地區，應在加強礦井防治水工作的情況下進行帶壓開采；Ⅲ區發生底板突水危險較大，僅在構造簡單的地段採取可靠安全技術措施後才可進行帶壓開采；Ⅳ區是發生底板突水最危險的地段，底板突水是不可避免的，只有在採取疏水降壓把突水系數Ts減小到0.15MPa/m以下才能實施帶壓開采。
按照以上公式，我們初步計算了奧陶系灰岩含水層對二1煤層的突水系數。結果顯示，本井田內存在突水系數超過臨界突水系數，需要進行底板水防治和底板改造。
為了在本井田實施帶壓開采技術，必須做好以下工作：
1）把防治水工作的重點放在二1煤層頂板砂岩水和底板奧陶系灰岩水上，採用綜合物探、化探和鑽探等各種手段，查明陷落柱、斷層和裂隙密集帶等，以及固井質量差的廢舊鑽孔；並採用留設防水煤柱或底板加固等手段對地質異常體進行改造，做到採煤工作面底板不出水或不出大水，以節約排水費用，保護水資源和生態環境。
2）根據涌水量預測結果，適當加大礦井和採煤工作面排水能力，以防不測。
3）發展突水預測預報技術。實現突水預測預報的可視化和適時化，建立水害預警系統，推進礦井防治水信息系統集成。
4）在採掘過程中為防治底板出現災害性突水，應堅持先探後掘、先探後采和先注漿後掘進、先注漿後回採的技術原則。為了節約工程量和保證安全，在採取鑽探、物探、化探等綜合手段時，應堅持物化探先行、鑽探驗證的技術方法，以杜絕採掘巷道誤揭陷落柱和落差大的斷層。
5）關於避災路線和通訊聯系。在有突水危險，尤其是有大危險突水的地區，安全暢通的避災路線是保證不發生人員傷亡的有效途徑。同時應具備暢通的通訊聯系，以達到及時將井下的情況迅速報告和將調度命令傳達到每一個井下工作人員的目的。
6）礦井防治水工作管理。煤礦設專門負責礦井防治水領導小組，配備探水鑽和專職探水組。嚴格地講沒有徵兆的突水是不存在的，所以每個生產班應設水情觀測員負責水文地質資料收集和突水前兆觀測。
2.中間指示層
為了研究奧陶系灰岩含水層與太原組薄層灰岩的水力聯系，在帶壓開采工作面各布置了一個中間層地下水動態監測孔，本規劃還要求在今後設計的每一個采面中，至少應布置一個中間層地下水動態監測孔。終孔層位在L1-4薄層灰岩底面。
3.煤層底板注漿加固改造
應根據物探及鑽探探測結果，分析煤層底板的實際情況，對煤層底板存在垂向越導通道的區段，進行注漿加固，以防堵為主，確定注漿層位。注漿層位可以是奧陶系灰岩頂部含水層、薄層灰岩含水層和隔水層中的可注層位及構造薄弱帶。目前焦作和肥城等大水礦區已成功地在九里山、韓王等多個礦區實施底板注漿加固改造，取得了巨大經濟效益。
應對准備注漿加固的工作區編制專門設計方案，其中包括注漿層位、注漿孔布置、注漿方法、注漿系統和注漿工藝等。
4.疏干降壓
疏干降壓一般應在主要充水含水層（薄層灰岩含水層）中進行。可以採用疏干鑽孔、疏干巷道等。對於鄭煤集團各礦井，由於煤層下部的L7，L8灰岩處於煤層底板采動破壞帶內，由於采動裂隙的存在，L7，L8灰岩水勢必通過采動裂隙進入回採空間，增大工作面的涌水量，在個別富水區段還可能引起涌水量過大而影響生產，因此，應對L7，L8灰岩進行超前疏干降壓，減少其對工作面回採的影響。准備實施疏干降壓的礦井，應進行數值模擬計算，以確定疏干漏斗和疏干水量的變化。
疏干降壓應編寫專門設計，內容包括疏干降壓工程布置，疏干降壓計算結果以及疏干降壓的安全措施等。
（二）頂板砂岩水控制技術
1.頂板砂岩富水性探測
由於在不同岩石所組成的地質體中，岩石的含水性對其相對電阻率有較大的影響，含水地層具有相對電阻率較低的物性特點，且含水程度的差異與地層電阻率的變化幅度相對應，所以，通常採用電磁探測技術測量地下地質體中的電性分布規律進而達到探查礦區導含水地質體的分布及其導含水條件。這種對地層電性參數的獲取是三維地震等彈性探測方法所不能及的。
在工作面形成以前，應首先在地表進行瞬變電磁法勘探，探查頂板砂岩的富水性。
在採煤工作面形成後，直流電法在下巷中進行，而音頻電穿透則需同時在上巷和下巷中進行。直流電法對地質異常體在垂向上的分布分辨比較清晰，而音頻電穿透法對地質異常體的位置分辨比較清晰，因此兩者結合可以取得滿意的效果。
（1）音頻電穿透法
音頻電穿透法是利用電磁波在介質中傳播時，其電流強度隨介質層電阻率的大小而有規律變化的特徵，進而計算出穿透各點的視電阻率相對關系，做出反映探測區域富水性強的等視電阻率平面等值線圖，並可結合具體水文地質條件推斷出頂底板含水體的性質、富水性大小、空間形態及分布范圍，為防治水工作提供依據。該方法的主要用途如下：
1）採煤工作面底板下100m內富水區域探測；
2）採煤工作面頂板100m內富水范圍探測；
3）工作面內老窯分布范圍探測；
本規劃選用這種方法探測井下工作面隱伏含水斷層、破壞帶和裂隙帶空間位置及其賦水性變化。
（2）井下直流電法
井下直流電法主要用於巷道頂底板探查，工作面頂板探查和掘進堵頭超前探測。具體解決以下問題。
1）巷道頂底板探查：①利用現有的巷道工作，探查深度可達100m，可探測含水層深度，局部富水體深度范圍、導升高度及沿巷道方向分布寬度；②提供沿巷道方向垂向電阻率切片剖面，用於解釋工作面巷道底板100m深度內的含水、導水體，潛在的突水通道、底板隔水厚度、含水層厚度、含水層原始導升高度；③要求巷道內無大范圍積水。
2）工作面頂底板探查：①改變工作方法利用巷道側壁可以探測工作面內的隱伏含水構造；②利用多條巷道（上巷、下巷、切眼等）的數據進行立體成圖——對工作面底板不同深度進行類似「CT」成像的斷面、平面切片，分離出電法含水異常區域，得到視電阻率異常斷面圖、平面圖，進行立體解釋。
3）掘進堵頭超前探查：①利用巷道超前探測使用三極空間交會探測法，可以預測堵頭前方80m范圍內存在的導、含水構造（斷層、陷落柱、裂隙破碎帶、老窯巷道），提供前方80m范圍內岩石的視電阻率變化信息；②異常為相對異常，可以肯定解釋正常區不會存在突水或出水的危險，解釋的異常區不能肯定一定出水；③預測堵頭的後方必須有不小於前方探測深度的施工空間；④智能傻瓜化資料處理，容易掌握使用。
2.采動三帶的探測
煤層頂板采動三帶的探測採用水文地質鑽孔觀測法和物探方法結合的探測方法。
（1）水文地質鑽孔觀測法
水文地質鑽孔觀測法的實質是在采空區地面布置一定數量的觀測鑽孔，在鑽進過程中測定鑽孔沖洗液的漏失量、鑽孔水位變化，並記錄各種異常現象，經綜合分析確定垮落帶和斷裂帶的最大高度及破壞特徵。
1）觀測內容和方法：①鑽孔沖洗液漏失量觀測。沖洗液漏失量是指鑽進單位時間或單位進尺沖洗液的漏失量。通過對鑽孔中沖洗液漏失量的觀測，可以確定斷裂帶的頂點以及了解垮落帶和斷裂帶內覆岩的破壞特徵。沖洗液漏失量的測定方法有兩種：一是使用流量表觀測，另一種是測定水池中水量的變化。②鑽孔水位觀測。在鑽孔沖洗液正常循環過程中以及沖洗液完全漏失前，應對鑽孔中的水位變化進行觀測，這也是確定斷裂帶頂點和覆岩破壞的重要標志。③鑽孔沖洗液循環中斷狀況觀測。此時應記錄鑽孔深度和鑽孔沖洗液循環中斷的時間。④記錄鑽進過程中的異常現象。在鑽進過程中，及時記錄掉鑽、卡鑽及鑽具振動等異常現象，此外還應注意有無吸風或瓦斯湧出現象。
2）觀測結果的分析整理。導水裂縫帶高度主要是根據鑽孔沖洗液消耗量和鑽孔水位觀測等結果加以確定，垮落帶高度則主要是根據鑽進異常現象加以確定。各觀測鑽孔一般均在第四系下套管止水後開始觀測，一般可分為3種類型，其一是從某一孔深位置開始，鑽孔沖洗液消耗量明顯增大，孔內水位顯著下降，而且向下鑽進時繼續保持這種趨勢，直至鑽孔沖洗液全部漏失，孔內水位很低或無水；其二則是從某一孔深位置開始，鑽孔沖洗液突然全部漏失，孔內水位很低或無水；其三是導水裂縫帶頂界以上的岩層程度不同地出現鑽孔沖洗液全部漏失現象，甚至同時伴有孔內水位很低或無水現象。位於淺部區且岩柱尺寸較小的鑽孔一般均屬前兩種類型，而位於深部區及岩柱尺寸較大的鑽孔一般則屬後一種類型。鑽孔沖洗液法具有簡單、易操作、可靠、實用、觀測數據較能反映實際導水情況等優點，是獲取冒落帶和導水裂縫帶高度及特徵的基本方法。
i.裂隙帶頂點的確定。有下列情況之一時，即可認為進入了裂縫帶：①若岩體的原始滲透性較差，當鑽孔的沖洗液漏失量顯著增加，即大於1L/min或0.1L/s·m時；②鑽孔水位顯著降低，水位下降速度加快，甚至無水時；③岩心有縱向裂縫及輕微吸風現象時。
ii.垮落帶頂點的確定。鑽孔進入垮落帶以前，沖洗液早已完全漏失，孔內無水。此時應根據鑽進中的異常現象及岩心破碎情況來確定垮落帶的頂點。
iii.垮落帶和導水裂縫帶高度的確定。垮落帶和導水裂縫帶的高度，分別等於鑽孔孔口至煤層的垂直距離減去垮落帶和裂縫帶起始點的鑽孔孔深。考慮到垮落帶和裂縫帶內覆岩的壓縮量，因此有
H垮=H-h1+W
H導=H-h2+W
式中：H——鑽孔孔口至煤層頂面的垂直距離（m）；
h1——垮落帶起始點至鑽孔孔口的垂直距離（m）；
h2——裂縫帶起始點至鑽孔孔口的垂直距離（m）；
W——垮落帶和裂縫帶內覆岩的壓縮量，相當於打鑽過程中地表點的下沉值（m）。
3）鑽孔的孔位、孔徑、孔數及施工時間。鑽孔孔數一般以5個為宜，分布布置在采空區地面沿煤層走向和傾向主斷面上，每個主斷面上布置3個鑽孔，其中一個位於兩個主斷面的交點上，鑽孔位置應選在能獲得垮落帶和裂縫帶的最大高度的地方，走向主斷面上鑽孔應位於距開切眼30～50m、距停采線20～30m的采空區內，傾向斷面上采空區中央應布置一觀測鑽孔，其餘兩個鑽孔應設在距回風巷和運輸巷3～5m的采空區一側地表。鑽孔孔徑一般為91mm。
（2）形變-電阻率探測法
1）基本原理。岩體的電阻率大小不僅取決於岩性，還與岩體中的裂隙大小、裂隙數量及充水程度密切相關。地下煤層采出後，上覆岩體遭受破壞，裂隙增多，阻礙了電流傳導，導致電阻率增大。但若裂隙內充水，因水的導電性能優於岩體，電阻率便相應降低。因此，對比開采前後岩體電阻率的變化規律，就可探測出覆岩的破壞高度和破壞形態。
2）觀測方法。首先，在某一固定點上測量岩體電阻率隨深度的變化，以確定岩體的破壞高度。固定O點，對稱地打入A1B1及M1N1電極，M1N1的距離一般可取為A1B1距離的1/30～1/3。通過測量電流及電位差，即可計算出探測高度為A1B1/2時的視電阻率ρs1。加大供電極距到A2B2，測量電極距按比例擴大至M2N2，獲得探測深度為A2B2/2時的視電阻率ρs2。依此進行，即可得出視電阻率ρa隨探測深度的變化曲線。實際上真正的探測深度H與供電極距AB具有如下關系：
鄭州煤礦區水害防治規劃研究
式中換算系數K因地而異，可依實測資料反演得出。
之後，固定某一探測深度H，測量岩體視電阻率ρa隨某一剖面的變化。對比開采之後視電阻率的變化情況，則可確定出覆岩的破壞高度和沿某剖面覆岩的破壞形態。鑽孔沖洗液消耗量觀測法（簡稱為鑽孔沖洗液法）是通過直接測定鑽進過程中的鑽孔沖洗液消耗量、鑽孔水位、鑽進速度、卡鑽、掉鑽、鑽孔吸風、岩心觀察及地質描述等資料來綜合判定垮落帶和導水裂縫帶高度及其破壞特徵的一種方法。
3.頂板砂岩水的預疏放
對頂板砂岩水進行預疏放為工作面回採大幅度降低水壓，以防頂板冒落時大流量突水沖潰工作面，減少工作面涌水對回採的影響。一般採取兩種形式：
1）頂板疏放鑽孔。在用物探手段查明頂板富水區的前提下，為了減少頂板砂岩水對回採的影響，探明工作面頂板上方岩層賦水狀況，對二1煤頂板上覆含水層進行預疏放，對頂板砂岩水提前疏水降壓，降低由於頂板冒落引起頂板水集中湧入工作面的峰值強度，消除或減弱工作面回採時砂岩水對開採的威脅。在工作面上巷施工放水鑽孔，將頂板砂岩水相對集中的涌水方式改為相對分散的、循序漸進的逐段放水方式。分析水文地質條件，調查礦井裂隙發育方向，提高單個鑽孔放水效率，擴大放水區域，減少放水孔數量。為獲得頂板砂岩資料，將放水鑽孔水文地質條件探測分解消化於逐段放水之中。
2）疏水巷。當放水鑽孔對頂板砂岩含水層疏放效果不理想時，可以在適當地段修建疏水巷道，該巷道應與頂板砂岩徑流方向垂直，盡可能切穿頂板砂岩裂隙，以達到最佳的放水效果。通過疏水巷道對工作面頂板砂岩含水層的襲奪，形成以疏水巷道為中心的降落漏斗，達到減少工作面涌水的目的。
4.排水措施
由於煤層頂板主要為數百米的砂岩弱含水層，含水性雖然較弱，但存在局部強含水段。採用放頂煤工藝後，頂板破壞加大，導水裂隙發育向上延伸可達百米以上，上下溝通多個含水段。採煤後隨著頂板垮落，上覆砂岩水多從老塘以老塘水形式湧出，老塘水受到堵塞時積聚，當壓力升高超過臨界值時突然湧出，危害嚴重，因此需考慮對涌水採取排水措施。
（1）采空區埋設花管
為了將采空區積水引出采空區，可預先在采空區每隔20m設置一根花管，沿下巷向上巷布置，花管長100m左右。將采空區水引至下巷排出。需要說明的是由於二1煤較軟，因此並不能完全將涌水排除，該花管只能減少涌水在采空區的積聚，減小大量積水對工作面生產的危害。
（2）施工泄水巷
1）專用泄水巷。專用泄水巷在工作面下巷北側，距離下巷約5m，在煤層底板下的細砂岩中修建，泄水巷涌水採用自流形式。每隔50m施工一條聯絡巷，或在低凹地段設置聯絡巷，將工作面涌水排除，這樣可以在水量較大的情況下仍不影響生產。
2）施工雙下巷。在距離工作面下巷約20m處再施工一條巷道，該巷道對工作面可以作為泄水巷，可以將工作面涌水排出，同時該巷道也可以作為相鄰工作面的上巷。每隔50m設一條聯絡巷，以保證工作面涌水順利進入泄水巷。缺點是增加了掘進巷道，同時增加了維護費用。
⑤ 地質鑽鑽孔如何下套管
成孔灌注樁工程泥漿護壁工藝
本工藝標准適用於工業與民用建築中地下水位高的軟、硬土層泥漿護壁成孔灌注樁工程
材料及主要機具：
1.1 水泥：宜採用325號～425號普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥。
1.2 砂：中砂或粗砂，含泥量不大於5%。
1.3 石子：粒徑為0.5～3.2cm的卵石或碎石，含泥量不大於2%。
1.4 水：應用自來水或不含有害物質的潔凈水。
1.5 粘土：可就地選擇塑性指數IP≥17的粘土。
1.6 外加早強劑應通過試驗確定。
1.7 鋼筋：鋼筋的級別、直徑必須符合設計要求，有出廠證明書及復試報告。
1.8 主要機具有：迴旋鑽孔機、翻斗車或手推車、混凝土導管、套管、水泵、水箱、泥漿池、混凝土攪拌機、平尖頭鐵鍬、膠皮管等。
2 作業條件：
2.1 地上、地下障礙物都處理完畢，達到「三通一平」。施工用的臨時設施准備就緒。
2.2 場地標高一般應為承台梁的上皮標高，並經過夯實或碾壓。
2.3 製作好鋼筋籠。
2.4 根據圖紙放出軸線及樁位點，按上水平標高木橛，並經過預檢簽字。
2.5 要選擇和確定鑽孔機的進出路線和鑽孔順序，制定施工方案，做好技術交底。
2.6 正式施工前應做成孔試驗，數量不少於兩根。
3.1 工藝流程：
鑽孔機就位 → 鑽孔 → 注泥漿 → 下套管 → 繼續鑽孔 → 排渣 → 清孔 →
吊放鋼筋籠 → 射水清底 → 插入混凝土導管 → 澆築混凝土 → 拔出導管 → 插樁頂鋼筋
3.2 鑽孔機就位：鑽孔機就位時，必須保持平穩，不發生傾斜、位移，為准確控制鑽孔深度，應在機架上或機管上作出控制的標尺，以便在施工中進行觀測、記錄。
3.3 鑽孔及注泥漿：調直機架挺桿，對好樁位（用對位圈），開動機器鑽進，出土，達到一定深度（視土質和地下水情況）停鑽，孔內注入事先調制好的泥漿，然後繼續進鑽。
3.4 廠套管（護筒）：鑽孔深度到5m左右時，提鑽下套管。
3.4.1 套管內徑應大於鑽頭100mm。
3.4.2 套管位置應埋設正確和穩定，套管與孔壁之間應用粘土填實，套管中心與樁孔中心線偏差不大於50mm。
3.4.3 套管埋設深度：在粘性土中不宜小於lm，在砂土中不宜
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要分
⑥ 地球物理測井是什麼
地球物理測井（以下簡稱測井）是用專門的儀器沿鑽井井身測量岩石的各種物理特性、流體特性（如導電性、導熱性、放射性、彈性，等等），根據不同岩石及其內部流體的這些特性的差別，可以間接劃分地層，判別岩性和油、氣、水層。測井具有工藝簡便、成本低、獲取資料迅速、效果好等特點，取得的資料是油氣田地質研究、油氣田開發工作必不可少的資料。測井技術發展很迅速，不但能定性判斷岩性，還可以定量確定岩石物性、地層產狀；不但用於油氣勘探地質解釋，還用於鑽井、試油、採油工程等。下面簡要介紹幾種常用的測井方法。
一、視電阻率測井
視電阻率測井的實質是利用地下不同岩石導電性能的差別，間接判斷鑽穿岩層的性質，在井中下入測井儀，沿井身測定岩層電阻率的變化情況，與鑽井過程中取得的地層岩心、岩屑等資料結合，可以較准確地劃分井中地層界線和確定地層岩性。
（一）井下岩石電阻率的測量
視電阻率測井裝置如圖3-3所示，主要是包括供電線路、測量線路和井下電極系三部分。井下電極系是通過電纜與地面供電—測量系統連接。電極共有四個：A、B、M、N。其中A、B為供電極，接入供電線路；M、N為測量電極，接入測量線路。接入同一電路中的電極稱為成對電極。在井下，幾個電極組成電極系，根據井內成對電極和不成對電極的距離不同，可以組成電位電極系和梯度電極系（見圖3-4）。成對電極在不成對電極下方的電極系，稱底部梯度電極系。
圖3-19電阻式井徑儀工作原理
1—儀器腿；2—腿軸；3—凸輪；4—連桿；5—可變電阻（二）井徑測井曲線的應用
滲透性岩層井壁有泥餅，會使井徑縮小；泥岩層、疏鬆岩層井壁易垮，井徑變大；堅硬、緻密層井徑與鑽頭直徑相近。因此可用井徑曲線粗略判斷鑽穿地層的岩性。
另外，可根據平均井徑、套管直徑及固井井段的長度，計算固井水泥用量。井徑還可以作為地球物理測井曲線解釋參考資料。
⑦ 定向井施工技術
地熱資源開發利用需要「回灌開發」模式。回灌開發是在同一施工地點開鑿兩眼或兩眼以上地熱井,一眼作為開采井,另一眼作為回灌井。受城市用地面積的限制以及運行管理的需要,多以「對井」的方式成井。對井井口直線距離在2.5～10m之間,為防止開采、回灌地熱流體短時間內相互干擾,井底距離一般保持在800m以上,這就需要有定向井施工技術的支持。
(一)定向井設計
定向井設計原則是為實現鑽井目的,合理選擇目標點的層位、確定靶區半徑,盡可能選擇簡單的井身剖面類型;設計的基本數據包括地面井位坐標、井底坐標、方位角、井底水平位移、造斜點位置、最大井斜角。定向井設計前要了解設計井區的地質條件,如地層、岩性、壓力、傾角、傾向、斷層等。還要了解地層造斜特性(以便利用地層的方位漂移規律),分析井區已有定向井資料等,從設計上避免井下復雜情況發生。
地熱井不同於石油開采井。首先,地熱井要有泵室,泵室為直井段;其次,以扶盆地熱儲層在一定范圍內目的層可近似看作水平無限延伸(斷裂型地熱井除外),因此,定向井目標靶區半徑可適當放大,這些都為定向井設計提供了方便。
1)井身剖面設計:定向井井身剖面類型多種多樣,常見的有三段制(多目標、較淺井)和五段制(小位移、較深井),選用的原則是保證達到鑽井目的;盡可能簡單,利於安全、快速地進行作業以降低鑽井成本。地熱定向井多用五段制,即直井段、增斜段、穩斜段、降斜段、直井段。
2)造斜點設計:造斜點的選擇是定向井成功的關鍵因素之一。一方面定向井施工要求造斜點岩石結構比較穩定、可鑽性比較均勻,避免岩石破碎段、流砂層或易坍塌等復雜地層,同時岩石的硬度應能起到對造斜鑽具的支撐作用。另一方面造斜點的深度應根據設計井的垂直井深、水平位移大小和選用的井身剖面類型而決定。實際工作中往往把造斜點選擇在盡可能淺的地層中,以利於用盡量小的井斜達到理想的成井水平位移。
3)最大井斜角設計:井斜角是鑽具行跡與垂直方向的夾角,主要依據鑽井設備定向能力、垂直井深與目標水平位移確定。大量的鑽井實踐證明,井斜角小於15°,方位不穩定,容易漂移。井斜角大於45°,施工難度較大,井壁易失穩,所以,最大井斜角最好控制在15°～45°之間。
(二)定向井施工安全措施
由於定向井井眼形狀復雜,水平位移較大,易發生井下復雜情況和產生井下事故。
1)壓差卡鑽。在定向井施工中,斜靠在井壁上的鑽具與井壁的接觸面積大,作用在井壁上的正壓力也增大,易發生壓差卡鑽。預防措施主要是採用潤滑性能優良的鑽井液:①加入潤滑劑使泥餅摩擦系數小於0.2;②採用混油泥漿、混油量8%～15%;③下套管及電測井之前加1.5%～2%的固體潤滑劑,保證順利施工。
2)鍵槽卡鑽。定向井鑽進和起下鑽過程中,鑽具長時間拉、摩、碰井壁,容易形成鍵槽。預防措施有:①在曲率較大的井段,定期下入鍵槽破壞器,破壞鍵槽;②認真記錄起下鑽遇阻遇卡位置,結合測斜資料分析,提前破壞處理。
3)其他防卡措施:鑽井液應具有良好的凈化系統,至少配備三級凈化裝置,保證鑽井液含砂量不大於0.5%;控制鑽井液,使其屈服值不小於6Pa,提高攜帶岩屑能力,保證井眼乾凈。
(三)定向井施工實例
目前,天津地區地熱定向井有90對之多,積累了在中低溫沉積盆地地熱定向井的施工經驗,下面以SR19D,SR20D基岩地熱定向「對井」為例,對地熱定向井施工工藝進行探討。
1.地層及岩性
該「對井」鑽遇地層為第四系平原組,新近系明化鎮組、館陶組,古生界寒武系,新元古界青白口系景兒峪組、龍山組,中元古界薊縣系霧迷山組(目的層),見表4-3。
2.定向井工藝
(1)定向工具的選擇
該「對井」定向井段為Φ311mm(
表4-3 設計對井鑽遇地層及岩性
(2)定向井設計
1)井身結構設計。根據鑽井所在區域地質情況和地熱鑽井技術特點,設計為四開井,井身結構及套管程序為:一開鑽頭直徑Φ444.5mm,套管直徑Φ339.7mm,下深400m;二開鑽頭直徑Φ311mm,套管直徑Φ244.5mm,進入基岩2m左右封閉鬆散軟地層;三開鑽頭直徑Φ215.9mm,套管直徑Φ177.8mm,進入取水目的層霧迷山組白雲岩2m左右下管;所有套管必須符合美國石油協會指定的API標准。四開鑽頭直徑為Φ152.4mm,裸眼成井,井身結構見表4-4。
表4-4 定向井井身結構表
2)井身剖面的設計。根據施工井地層特點和井身結構設計定向井為五段制井身剖面,即直井段、增斜段、穩斜段、自然降斜段和直井段。
3)造斜點的確定。根據施工設計和實際鑽進地層分析,SR19D造斜點定在820m,SR20D造斜點定在765m的新近系膠結較好的泥岩中。
4)設計方位角、水平位移、造斜率和最大井斜角。根據地層產狀、鑽井深度和構造情況,設計SR19D井方位角為135°,水平位移為400m,SR20D井方位角為315°,水平位移為400m,井眼曲率為12°/100m以內,最大井斜角21°。
(3)定向井施工工藝措施和注意事項
1)直井段採用塔式鑽具結構,嚴格按規定參數鑽進,井斜角控制在1°以內。
2)定向造斜井段選在新近繫上部的泥岩井段,採用有線隨鑽定向速度較快,但造斜率一般應控制在12°/100m以內,採用2.5°彎接頭一般50～70m可達到8°井斜,完成定向工作,在定向造斜時還考慮了轉盤增斜作用,使用的牙輪鑽頭鑽進時方位多向順時針方向漂移即右手漂移規律,因此該井在定向造斜過程中比設計方位提前6°～10°,目的是利用右手漂移規律在鑽達目的層時中靶精度更高。
3)轉盤鑽增斜井段,每鑽進30m要測斜一次,根據軌跡測量情況調節鑽壓和轉速,以控制增斜速度和方位,井眼軌跡圓滑,鑽至最大井斜角21°可以進行穩斜鑽進。
4)斜井段700～1300m為Φ311mm大井眼,鑽進過程中岩屑較多,要求泥漿泵排量要大,並根據井內情況和岩屑返出情況,每鑽進100～200m進行一次短提下鑽,以清理下井壁的「岩屑床」,起鑽時要觀察井口,防止出現「抽吸」,必要時接方鑽桿循環。
5)穩斜段,按照設計要求採用3隻扶正器穩斜鑽具結構,就可滿足新近系Φ311mm井段穩斜要求,每鑽進50m要測斜一次,根據軌跡測量情況調節鑽壓和轉速,控制增斜速度和方位,可以達到按所需軌跡施工的目的。而基岩地層Φ215.9mm井段穩斜時,情況相對較復雜,由於地層塑性小,剛性較大,因此鑽井過程中受岩層傾角和走向影響,非常容易出現降斜和「跑方位」情況,施工中採用4隻扶正器的穩斜鑽具結構,並根據測量井斜和方位情況及時調整鑽具結構,如採用微增結構或增斜結構進行穩斜, SR19D井遇到穩斜穩不住情況,利用增斜鑽具穩斜較理想。
6)四開Φ152.4mm井段為工作的目的層,主要岩性是白雲岩,裂隙發育、漏失嚴重,採用自然降斜鑽具結構。
3.鑽井液調配
一開井段:鑽遇地層為第四系。岩性:粘土、砂層、砂質粘土。鑽井液用搬土漿。
二開井段:鑽遇地層為新近系。岩性:砂岩、泥岩、砂泥岩。井眼尺寸:Φ311mm,鑽井液類型:聚合物防塌鑽井液。本井段難點:穩定井壁、大井眼攜砂、潤滑防卡。
1)鑽井液性能為:密度1.05～1.08g/cm3,黏度35～38s,API失水≤8mL,塑性黏度7～10mPa·s,動切力3～6Pa,10s切力0.5～1.0Pa,10min切力1.0～3.0Pa,pH8.5～9。
2)二開鑽水泥塞時,加入適量的純鹼,避免水泥對鑽井液的污染。定向鑽進前,加入極壓潤滑劑、潤滑防塌劑、胺鹽等鑽井液材料,保證鑽井液性能穩定。上部地層機械鑽速較快,及時排放沉砂,降低劣質固相對鑽井液的污染。
3)完鑽前50m調整好鑽井液各項性能,保證電測和下套管施工的順利進行。
三開井段:鑽遇地層主要為古生界寒武系和新元古界。岩性:泥質灰岩、泥頁岩、泥岩、灰岩。井眼尺寸:215.9mm。鑽井液類型:抑制性防塌鑽井液。本井段難點:泥岩防縮徑、井眼凈化、潤滑防卡、防漏。
1)鑽井液性能:密度1.10～1.15g/cm3,黏度38～48s,API失水≤12mL,塑性黏度8～15mPa·s,動切力5～8Pa,10s切力1.0～2.0Pa,10min切力2.0～4.0Pa,pH8.5～9.0。
2)鑽水泥塞時,加入適量的純鹼,避免水泥對鑽井液的污染。鑽進過程中,補充極壓潤滑劑、防塌護壁劑、高溫降濾失劑等鑽井液材料,保證鑽井液性能穩定。
四開井段:清水鑽進。
4.根據地層情況採取的堵漏措施
SR19D,SR20D兩井相距很近,但在施工中發現兩井鑽遇地層相差較大。尤以古生界寒武系最為突出。SR19D井寒武系厚度為164m,其中昌平組缺失,井底沒有出現異常。SR20D井的寒武系厚度355m,其中昌平組厚78m。當鑽進至1526m時進尺開始加快至3m/min,當鑽進至1534m時出現大漏基本不返漿,上返的少量岩屑中含有大量的風化的灰岩,滴酸起泡劇烈,為防止井下重大事故發生,果斷甩掉3個扶正器,繼續鑽進。1558m再次出現大漏不返漿,提鑽,實施靜止堵漏。3天的堵漏過程中,多次出現井下危險,但由於採取措施及時、方法得當,保證了生產的安全進行。
⑧ 下套管的條件
鑽孔遇到如下情況時,應下套管隔離孔壁:
1)鬆散層。包括砂礫卵石層、流砂層、黏土層、遇水膨脹及溶蝕層以及嚴重坍塌縮徑、超徑地層。
2)裂隙破碎帶。包括較厚的節理裂隙發育的破碎帶、嚴重坍塌掉塊地層。
3)漏失或涌水地層。包括含水構造或大裂隙貫通層位及溶洞、老窿、地下河等嚴重漏失或涌水地層。
4)地質層位隔離。因地質特殊需要,將不同地層進行隔離及水文孔各含水層分層抽水試驗、地熱井封堵低溫度層等。
5)隔離鑽孔事故段。處理孔內事故後,孔壁會有殘留金屬異物;側向鑽進繞過事故障礙物和定向造斜後,孔壁會產生鍵槽,需用套管隔離該孔段。
6)地下易溶礦及液、氣體開采。開采地下易溶礦(鹽礦、芒硝、明礬等),抽排井內液體、氣體時用套管隔離上部地層。
7)特殊工程的需要。用於各類長期觀測孔(如地震觀測、地下水位、地溫觀測、地面沉降監測等)、礦山工程孔(如尾砂充填、救援、凍結、通氣、通纜孔等)的套管隔離。
8)減小鑽探設備負荷。例如遇到鑽孔加深,鑽探設備能力不足時,鑽孔需要下套管由大徑換小徑,以適應設備的負荷能力。
深孔鑽探的套管設置主要以隔離復雜地層為目的。若施工周期短,地層較穩定,應盡量用泥漿護壁,少下或不下套管。因為每下一層套管孔徑便縮小一級,套管柱的連接、固定、密封、扶正及強度等方面都可能出現問題。套管層數越多,則孔內事故隱患越多。
⑨ 怎樣進行水工混凝土天然建築材料砂礫石的工程地質勘探工作
蔡石泉 倪志文 劉述淮
天然建築材料——砂礫石的普查與勘探工作，在水利建設工程地質勘測中占相當重要的地位，因為水工混凝土建築物的造價，在某種程度上，就取決於建築材料的質量、儲量以及開采運輸條件，也取決於建築材料產地距離施工場地的遠近；同時，其他附屬建築物如：鐵路、公路、混凝土拌合樓等的位置與交通路線的輔設也決定於砂石材料的產地。
一、天然建築材料產地的選擇
修建水工建築物所需的天然建築材料，通常有堅硬的石質岩石以及符合一定技術要求的鬆散和粘結岩石。這里只介紹作為建築混凝土壩所需之骨料——砂礫石的產地選擇。
首先，應在所設計水工建築物的布置地區的附近進行勘測。如果建築物附近地區缺乏砂礫石材料時，才能向較遠的地段進行勘測。所選擇產地之儲量應滿足設計要求之數量，質量應符合技術規范的要求(具體要求見後)，除此而外也應考慮交通運輸條件，最好是與運輸干線毗連。
砂礫石產區一般皆布置在河流的高漫灘及低漫灘上或砂礫層復蓋甚薄的一級階地上。在這些地區進行地質勘探的同時應進行水文地質工作，了解當地含水層厚度，以及該層之涌水量、滲透系數，以便考慮產地之供水條件與開采方法。如產地適於機械化開采，則應保證產區之數量足夠機械不間斷開采數月才行。剝土層不宜太厚，過厚將增加不必要的工作量，最好剝土層體積不超過有用岩層(砂礫石層)體積之15%～20%，特殊情況可不遵守上述條件。
二、在不同設計階段中砂礫石材料勘探的內容與要求
在河流技術經濟報告階段，一般不進行專門性的建築材料調查，而主要是依據過去出版的或未出版的和案資料，以及踏勘資料和訪問當地居民的資料，來解決有關建築材料的問題。天然建築材料的勘測工作，通常只分兩個設計階段——初步設計和技術設計階段。在各個階段的勘探結果中應闡明下列各點：(1)砂礫石產地位置；(2)與設計階段相應的礦產儲量類別；(3)砂礫石層的產狀質量，以及沖洗的必要性；(4)產地的水文地質條件；(5)剝土層的厚度及性質；(6)產地與壩址之距離以及交通運輸的條件；(7)產地的開采條件。
(1)初步設計階段
根據普查工作結果，選擇有希望的離施工場地較近的產地，按固體礦產產地進行B級勘探。為了獲得B級儲量以及評定其質量，應該初步確定產地地形、地層和地質構造、水文地質條件，岩層產狀和砂礫石質量。因此應採取試樣按混凝土骨料要求進行砂礫石質量的實驗室研究。1：5000或1：10000的地質測繪，以便查明河流發育史，作為布置勘探線尋找砂礫石之依據。勘探線一般以垂直河床為原則，勘探線間距一般不超過400m，在每條勘探線上布置二個或三個以上的勘探坑孔，而坑與孔的分布最好是在縱橫方向都是互相間隔的(如圖1)。勘探方法則以試坑最好，其次為沖擊鑽。所有坑孔應穿過全部有用岩層(砂礫岩層)而確定其下部為下墊層時始能停止。
工作結果應合乎B級要求，因而應說明：(1)剝土層的平均厚度及性質；(2)砂礫石的成層性質、分布面積、厚度、有無不適用的夾層存在，砂礫石是否需要沖洗；(3)砂礫石質量，可用目測以及利用試驗室研究結果進行分析；(4)通向施工場地最適宜路線；(5)水文地質條件以及地表水年內的變化；(6)最有利的開采方法。
圖1 鑽孔和試坑間隔布置示意圖
(2)技術設計階段
技術設計階段的勘探工作是在初步設計階段勘探工作結束後所挑選出最好的一個或一個以上的產區內進行的。技術設計階段中的砂礫石材料產地之儲量，應以A2級精確度進行計算。
技術設計階段勘探線的布置，一般是在上階段的勘探線間平行插入一條新的勘探線，使新舊勘探線的間距不超過200m，這樣就形成了A2級儲量的勘探網。
勘探工作中除取樣進行混凝土骨料要求試驗外，並應在產地取樣作半生產性沖洗試驗以及混凝土抗壓強度試驗。根據實驗室研究結果，最後確定建築材料的適用性；並詳細計算產地之儲量以及可開采量。最後提出最合理最經濟的開采方法。
(3)施工詳查階段
一般不進行施工詳查階段的天然建築材料勘探，只有在以前進行的勘測工作，由於一系列的原因，在水力樞紐范圍內，沒有確定天然建築材料的設計要求的儲量(A2級的)時，才在編制施工詳圖階段，進行勘探工作和取樣。在這種情況下，同樣是把砂礫石的儲量由B級提高到A2級。
三、勘探方法
當勘探隊接到設計方面的任務書，而將勘探坑孔布置圖確定以後，交測量人員進行野外定位，施工前由技術人員到現場檢查後才進行開挖。如已布置的試坑位置不適宜開挖時，則可將試坑改為鑽孔或將其位置略加移動。在移動坑孔位置時，必須考慮新的坑孔位置盡可能不離所在的勘探線，否則將破壞整個勘探網，而給儲量計算帶來不必要的麻煩。
勘探方法系利用人力沖擊鑽進與試坑開挖。
(1)試坑開挖工作
一般砂礫石產區多分布在河漫灘上，因此勘探試坑的開挖將可能大部分在地下水位以下進行，由於地層鬆散，更加上地下水的流動沖刷，將會把砂礫石層中的細小顆粒全部沖掉，而引起砂礫石的坍塌，直接影響到工人的安全。因此，不用支撐是不能進行工作的。在這種情況下，我們一般採用的是「倒塔式」支撐。
圖2「倒塔式」支撐側視圖與俯示圖
「倒塔式」支撐是從上而下，從大到小每層收縮的數個正方形木框所組成(如圖2)。其形狀如寶塔的倒觀。這種支撐一般每隔0.5m縮小0.20～0.25m。試坑之最終截面一般不得小於 1.0m×1.0m，故試坑開口截面的選定，應根據試坑深度及支撐縮小的次數而推算。
試坑中的地下水，應根據地下水位高低以及涌水量大小，選擇不同馬力抽水機進行排水。
在均一的砂礫石層中，試坑開挖一般是較為順利的。如遇流砂層及大孤石則應進行特殊處理。流砂層在0.3～0.5m厚時(可用鋼筋或手搖鑽試探)，可以採用秸料或蘆葦以及其他桿狀植物，編成與試坑一樣長的小卷下入坑內，使其與支撐連接好，防止流砂上涌。
如含水量不大流砂層較厚時(1.0～2.0m)則可以用5mm之木板排樁(板樁頭部必須鐵皮包裹)，打幹試坑支撐內部與外部(根據實際情況決定)，可以邊挖邊打井邊下框架，直至穿過流砂層為止。
大孤石的處理如限於工地上設備簡陋，可以採用坑口架設三角架，架置滑車絞鏈，利用繩索捆牢大孤石用「絞鏈」絞起，然後再用水平「滑車絞鏈」拉出坑口。對於已超出坑口直徑的孤石，可採用爆破法(一般這種情況很少)。
用試坑開挖的優點是：(1)截面大，地質值班人員可以下入試坑內，直接從坑壁上觀察到砂礫石的一般情況，可以精確地測出有害夾層或凸鏡體的位置、厚度以及天然狀態下的產狀。這對正確評定砂礫石層質量與取樣提供了准確的資料；(2)開挖工作不會破壞砂礫石的天然顆粒級配。這些優點是用鑽孔做不到的。
(2)人力沖擊鑽
砂礫石材料勘探鑽孔之最小孔徑(內徑)不得小於150mm。這是因為它能保證把最粗的礫石從孔內提取上來。勘探砂礫石的鑽進方法一般分為：
1)鑽桿回轉式鑽進(通常稱推磨式鑽進)，這種鑽進常採用的鑽頭有：勺形鑽頭及盤形鑽頭。
2)大錘沖擊式鑽進，鑽進時使用卡簧鑽頭為最宜。此法在礫石粒徑小於150mm的產區應用最為適宜。
3)鑽桿沖擊式鑽進，所採用的鑽頭有：十字鑽頭、工字鑽頭、一字鑽頭、活門鑽頭等。
4)鋼繩沖擊式鑽進，使用活門鑽頭(砂層一般常用活門鑽頭)。
鑽孔結構是勘探工作中最重要的一件事，結構選擇是否正確，設備是否適當，對達到深度保證正常鑽進和正確地採取岩樣和試樣，起決定性作用。如地層簡單，岩層緻密，則可不下套管保護孔壁或防止鑽孔坍塌，鑽孔結構很簡單，反之則較為復雜。
選擇鑽孔結構一般根據：理想地質柱狀圖，鑽孔計劃深度、試樣採取質量要求，以及鑽探方法、鑽具的類型和鑽進方法。
採用鑽孔進行勘探，可以鑽得很深，也可在水上進行勘探，這是它的優點。但鑽孔內所取出之岩樣，容易被破壞其天然級配，對其質量的了解不如試坑全面。
四、地質記錄與取樣
地質記錄與取樣兩項工作，是地質工作中最基本也是應該最熟練的工作。
記錄工作是項細致而又復雜的工作，在工作中常因原始記錄質量不高，而給內業整理工作造成很多困難。在這時盡管發現了不少問題，可是去解決這些問題是很不容易的，因為坑孔已經填塞或坍塌，是無法重新校對和檢查的。所以，做記錄的地質同志必須完全懂得建築材料勘探中的地質要求，在工作中應細致與詳盡的記述坑孔內的情況。
現將三門峽工程某砂礫石材料產地在進行 A2級勘探時，第425號試坑的地質記錄(經過室內整理)作為一個例子，來說明地質記錄的格式以及內容(圖3)。
圖3 柱狀圖
從柱狀圖的地質說明中，我們不僅知道每層的名稱而且可以清楚地了解每層較詳細的情況，以及一些水文地質資料，這就對內業整理工作，提供了正確的資料，也幫助整理同志更清楚地了解每個坑孔的具體情況。
從坑孔中所取出的樣品分岩樣與試樣兩種：岩樣每隔0.5m或變層時取樣一次，每次裝一小袋，上註明取樣地點、深度、編號以及取樣日期等，岩樣作為檢驗坑孔地質情況的標本，其作用相當於岩心，僅供地質人員和檢查之用。
試樣則系送實驗室分析之用，一般取樣工作系在砂礫石層中進行，對覆蓋層與砂礫石層下之無效岩層是不進行采樣的。在礫石與砂層中採用全巷取樣，即在有效岩層——砂礫石中從上至下取出來一定的重量作為試樣，其方法可在坑壁上挖0.4～0.5m寬，深0.25～0.5m的立槽，從槽內取出的砂礫石則作為試樣。如在地下水以下或岩層鬆散，難在坑壁上刻槽，則用倍數吊桶法，即五桶砂礫石中選一桶，或五鏟中選擇一鏟作為試樣，當然也可用其他倍數進行取樣。所取試樣如超過篩分試驗所需量，可用四分法縮減，一般試樣取1000kg，然後將此1000kg砂礫石試樣進行野外的篩分。這種野外篩分的目的是可以找到一個更接近自然形態更有代表性的天然顆粒級配，比從送實驗室的幾十千克試樣所篩分出成果，要精確得多。野外篩分後可以分別得到最大粒徑數，以及150～80mm，80～40mm，40～20mm，20～5mm等的百分數(砂由實驗室進行)。篩分後應分別從各種不同粒徑的試樣中選取3～4kg，進行岩石成分、礫石顆粒表面性質、形狀等試驗工作(見表1、2)。
表1 礫石顆粒表面性質形狀鑒定
表2 礫石的岩石成分鑒定
以上野外簡易試驗的工作，是和實驗室工作緊密配合的，因此，野外所獲得的資料應隨試樣交由實驗室整理，以便提出完整的試驗成果。
送實驗室進行骨料要求試驗的試樣的重量，一般是150kg，這150kg的試樣必須要保持它的天然顆粒級配。
在取樣過程中，非常重要的一個問題，就是對有害夾層以及有害顆粒(如煤塊、粘土塊)的處理。無論是倍數吊桶法也好，還是刻槽取樣法也好，一般講，在有效岩層中(砂層及砂礫石層)夾有較薄的粘土夾層或淤泥層時，就應該依照正常的取樣方法取樣，而不應當將粘土等有害物質選出。因為在正式開采時是不可能一層一點地來挑選那些有害物質的，而是要將有害夾層混在砂礫石中一齊開采出來。所以，在勘探時所取的試樣應當盡可能與開采時砂礫石質量相接近。
如果這種有害物質或顆粒比較集中，或構成較厚的層次，而其層位在砂礫石層之上部或下部(如圖4)。則應分別取樣，或將這種層次列為無效層，則不必取樣。那麼開采時就可以不去開采或者當無效層挖去，這樣做對砂礫石質量來講是沒有任何影響的。
圖4根據不同的地質情況，進行不同取樣的示意圖
五、水工混凝土對砂礫石物理性質的一般規定
天然建築材料無論是野外或室內定名，皆應根據工程地質分類按不同粒徑給予適當的名稱。工程地質分類與建築材料分類是有區別的。因此，在內業整理分析資料時，應將合乎質量要求的砂礫石層的名稱，即原依工程地質分類定名換算成建築材料分類標准，如不合乎質量要求的砂礫石層則不必換算，而用其原工程地質分類定名與描述。如有效層只有一層，為了工作方便起見也可直接用建築材料分類定名與描述(參閱表3)。
按鬆散岩石顆粒成分，可將其組成顆粒分成下列數組：
黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史
建築材料分類：
表3
在評定砂礫石質量，主要是根據蘇聯「水工建設中的天然建築材料技術規范」的規定*。
1.砂礫石混合的質量試驗
砂與礫石應按下列不同粒徑求出百分比：
天然顆粒級配(混合的，單位mm)：＞150，150～80，80～40，40～20，20～10，10～5，5～2.5，2.5～1.2，1.2～0.6，0.6～0.3，0.3～0.15，0.15～0.005，＜0.005的百分數，以及換算成100%的礫石與砂的百分數(參閱表4，5)。
並應求出礫石中最大粒徑D，所謂最大粒徑D是指通過該篩的礫石不小於整個試樣95%的篩子孔徑大小。
2.礫石的質量
表4
3.砂的質量
表5
對砂礫石質量的評價(物理性質方面)主要將試驗資料與國家標准進行比較，來分析與研究各產地的砂礫石質量，最後可以根據混凝土抗壓強度做出結論。
六、儲量計算
儲量計算是整理砂礫石材料產區地質資料不可分割的一部分，儲量計算的結果，可以獲得產區與勘探階段相適應的砂礫石的數量，從而作為設計的依據。
儲量計算可分為：地質儲量計算和勘探儲量計算兩種。在技術經濟調查報告階段，根據地質資料，估計砂礫石分布面積與深度，得出一粗略的儲量，或根據少數坑孔計算，則可得到「C」級儲量。在初步設計與技術設計階段時，則應根據勘探坑孔的地質資料進行計算，在勘探網范圍內所計算出的結果，屬於「B」級或「A2」級，而勘探網范圍外所計算出的數量為次一級儲量。例如，在進行「A2」級，勘探網范圍內的儲量屬於「A2」級，勘探網之外則屬於「B」級。這樣可以獲得A2+B級儲量，或B+C級儲量。
儲量計算的精確度，一般在初步設計階段時，其計算誤差不得超過產地總儲量的20%～40%，技術設計階段的誤差不得超過10%～15%。計算數字位數只需達到設計所需提出的相當位數即可。其他位可以零代替(根據И—13規程)。
儲量計算方法有：算術平均法；平行斷面法；三角法；等值線法等。計算時可以用二種或二種以上方法計算，以便相互校正，具體方法的選擇取決於勘探地區的具體情況，一般常用前三種方法。
在岩層厚度、坑孔間距及勘探線的分布不均的情況之下，可採用算術平均法，這種方法很簡單，獲得結果較正確，即在平面圖上圈定儲量計算范圍，求其面積，然後根據面積內的勘探資料計算平均厚度。
計算公式：
Q=FH(體積法) Q=FHD(重量法)
Q——儲量(單位m3/t)；F——面積；D——比重；H——平均厚度。
平行斷面法：在該面積內沿平行線或接近於平行線排列的坑孔，作垂直剖面圖(圖5)。
圖5 平行斷面儲量計算平面圖
圖6 三角形儲量計演算法示意圖
三角法：當坑孔間距不等或勘探線不夠規則時，可採用此法。在平面圖上聯結各勘探點成許多三角形；利用三角形的面積求出儲量(圖6)。
黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史
a，b——為三角形之底和高；h——為有效岩層之厚度；Q1——為一個三角形之儲量；Q1+Q2+Q3+…=Q為產區之總儲量。
最後，應該計算出覆蓋層與有效層之比。
同樣，也用以上方法計算其覆蓋層體積。
表6 平行斷面法計算表
七、內業整理與報告的編制
(一)內業整理
一般分下列三個方面：
1.顆粒成分的整理
把在野外以及在試驗室內所求得的有效岩層砂礫石顆粒成分，均列入一個匯總表中，同時在這個表中計算出每個坑孔，每層和整個產地砂礫石成分的加權平均值。在地質剖面上分出的扁豆體(凸鏡體)和薄夾層的顆粒成分，不單獨進行分析，把它們包括在較厚的成分內。有時，個別砂礫石層分層不明或成層不經常，那麼最好是將幾個岩層合並為一個大層，並根據這一個大層計算顆粒成分的加權平均值。
有效層(砂礫石層)的顆粒成分的加權平均值應以表格形式列入本文報告中，把它繪在適用標准曲線圖上。如果加權平均顆粒成分的累積曲線沒有超出界線，那麼砂礫石是適用於水工建築物混凝土骨料的標准(參閱圖7、8)。
圖7 混凝土的礫石顆粒成分曲線圖
附註：①所謂D最大是指通過該篩的礫石不小於整個樣品的95%的篩子孔徑大小；②對混凝土適用的礫石，其顆粒成分不超出斜線面積范圍
圖8 混凝土的砂礫顆粒成分曲線圖
註：對混凝土合適的砂子，其顆粒成分不超出斜線面積范圍
加權平均顆粒成分按下列公式計算：
黃河三門峽水利樞紐工程地質勘察史
式中：B——某層顆粒加權平均含量；
b1——第一試驗層或第一試驗段的同一種顆粒含量；
b2——第二試驗層或第二試驗段的同一種顆粒含量；
m1、m2…mn——試驗段或試驗層的厚度。
為了計算加權平均成分，可以採用輔助表(參閱表7、8)，在輔助表中寫入坑孔編號、取樣深度、試驗段厚度及試驗段厚度乘上顆粒最初百分率含量的結果。在任何情況下全部顆粒的總量都應該等於試驗段厚度乘100。每類顆粒的加權平均成分很容易地用試驗段總量厚度除以乘數的和求得。
如圖-×-×則合乎標准、—×—×則不合乎標准，顆粒偏細。
表7 儲量計算表
表8 顆粒成分加權平均計算輔助表（建築材料分類）
表9 岩石顆粒成分表(建築材料分類)
在砂礫石混合成分中換算成砂和礫石的總含量，可將不同粒徑的礫石的百分含量乘上100。再用礫石的總含量除，用同樣的方法也進行砂的換算。
砂和礫石的顆粒換算根據一般所採用的方程式計算：——
對於礫石40：100=10：X、則
(礫石總含量)(某顆粒百分數)
對於砂子60：100=8：X、則
(砂子總含量)(某粒徑百分數)
每個坑孔的換算結果均須列入匯總表內，同時在這表內還應該列入各層與整個產地的資料。
2.物理性質的整理
所有試驗成果資料，應匯於總表中，列入表中的平均值，如算術平均值一樣，根據試驗數值計算出。並應列表說明：平均值、變化范圍(即最大或最小)和試驗次數。
砂與礫石是否適用制備水工混凝土骨料，則必須將物理性質平均指標與國家標准要求相比較的基礎上作結論。
3.圖件整理工作
砂礫石材料勘探結束後，應提交坑孔檢驗表、縱橫剖面圖、平面圖等。在地質情況較為簡單地區，地質地貌圖與坑孔平面布置圖可以綜合在一起，在技術設計階段並應提交地下水位等高線圖、有用岩層與覆蓋層等厚線圖。
柱狀圖的比例尺根據坑孔深度而定，深度在10m上下的坑孔，一般用1：50的比例尺(參閱圖2)。
繪制砂礫石材料勘探剖面圖的方法與一般地質剖面圖沒有多大的區別，但為了儲量計算方便常將岩層分界線用直線表示。剖面圖的比例尺也應根據具體情況確定，總的要求是以能在圖上清楚的表示地質情況，地下水位以及取樣深度，儲量計算界線等為原則。
平面圖內容包括兩個：一為地質情況，岩層水平分界線，地貌分界線等，地質方面內容要求較為簡單不必過於復雜(如產地地質情況的確相當復雜，則應單獨繪制地質圖)。二為實際材料圖，圖上的數字必須十分准確，柱狀圖、剖面圖、平面圖彼此之間沒有矛盾和出入。並在圖上註明坑孔編號、高程、水位、砂礫石層厚以及覆蓋層厚度等。如為了研究與分析各坑孔質量具體情況，也可以在平面圖上表示某些試驗項目的指標。並按質量情況，分成數區。
表10××產區礫石質量
表11××產區砂的質量
(二)報告的編制
建築材料普查與勘探技術報告：通常是工程地質總報告的一個組成部分，它由以下兩部分組成：文字和圖表附件。文字部分應包括必要的圖紙和表格，文字的附錄包括顆粒成分總表，岩石物理性質總表以及其他圖件等，排列在參考文獻目錄的後面。
建築材料產地普查和詳細勘探報告通常包括：①緒言；②普查工作成果；③勘探成果；④總的結論。如果建築材料報告不包括在總報告中，而單獨成立一報告時則應增加「區域地質概述」和「區域氣候概述」。
在第一部分「緒言」中需指出野外隊的任務(所需儲量及其用途)和任務的提出者，所設計水力樞紐的簡單資料(水力樞紐的主要建築物及回水高程)，野外工作進行時期主要的完成工作量(表格形式)及完成量與計劃的比較，野外工作和室內整理工作的執行者。
在第二部分「普查工作成果」中包括普查和初步勘探時的全部資料。每個產地要進行描述，並對整個做出結論。對產地進行描述時，要指出：產地距壩址的相對位置，完成坑孔的數量，地質和水文地質情況，質量符合「C」級的儲量，以及有關利用材料的建議。
第三部分「勘探工作成果」最好根據它們的功用分類，然後再詳細描述。對每個產地的描述都成為一個單獨的章，每章中應包括：①概論；②產地地質和水文地質簡述；③勘探工作和取樣試驗；④質量鑒定；⑤儲量計算；⑥結論。
在「概論」中應指出：產地的地理位置，產地距施工場地的距離，交通運輸及其他情況如何，產地地形特點，地面高程和成因類型。對以前的工作也應加以簡略敘述。
在「產地地質和水文地質簡述」中，須指出岩層產狀特性和成因，各個岩層的顆粒成分及厚度，同時要說明有用岩層及含水情況。
在「勘探工作和取樣試驗」中，列入完成鑽孔的全部資料，坑孔最深最淺，平均的深度、勘探方法、孔徑大小、排水情況、檢查坑孔號數及數量、勘探線間和線上坑孔間平均距離等。此外還應說明取樣方法與數量。
在質量鑒定一節中，包括兩種資料：(1)小顆粒成分資料，附帶說明蠻石含量及大小；(2)物理性質及有害雜質物的資料。然後將各項試驗成果與國家標准進行比較產地質量估價。
「儲量計算」一節中應指出，已經勘探過的面積和計算儲量的面積，認為勘探范圍內某段不適用的原因，那些屬於土層?那些屬於有用岩層?儲量計算范圍應標明在平面與剖面上。並附上儲量計算的結果。
結論：在這部分中應指出產地距壩址的位置，砂礫石質量與數量上的簡述，有關利用或改善以及今後工作的建議。
最後在「總的結論」中，應寫出普查時所調查過的每類產地和已勘探的每一產地的簡要情況。然後，進行所有產地的比較評述，並提出有關利用或進一步勘探產地的意見。
(原載於《水文地質工程地質》1957年第8期)
⑩ 地基與基礎處理
(一)大直徑鑽孔樁施工
大直徑鑽孔樁施工是指成樁直徑在800mm以上的鑽孔樁。
鑽孔灌注樁施工應根據地質條件、樁徑大小、入土(岩)深度和設備條件,選用適當鑽具和鑽孔方法,以保證順利地鑽到預計孔深,然後,清孔、下水鋼筋籠、灌注水下混凝土等。其成孔和成樁工藝見圖2-33所示。
圖2-33 水上鑽孔灌注樁施工程序
1—用振動器下套管;2—用抓鬥挖掘,3—安裝鑽機,4—反循環鑽進;5—丈量孔深;6—下鋼筋籠;7—下入導管清孔;8—灌注混凝土,9—起拔套管,10—樁完成
大直徑鑽孔樁的施工方法包括:回轉、沖擊、沖抓、螺旋鑽、潛水鑽、沉管成孔、鑽孔擴底施工等。但不包括爆擴灌注樁、人工挖孔灌注樁的施工。
1.泵吸反循環鑽進成孔
1)泵吸反循環鑽進成孔具有施工效率高、樁孔質量好、成本費用低、施工安全等優點,在樁孔施工中應優先採用。
2)泵吸反循環鑽進工藝適用於填土層、砂土層、黏土層、淤泥層、砂層、卵礫石層和基岩鑽進成孔。但填土層中的碎磚填石和卵礫石的塊度不得大於鑽桿內徑的4/5,否則易堵塞鑽頭水口或管路,影響沖洗液的正常循環。施工的樁孔直徑一般在600mm以上,孔深一般不超過70～80m。
3)沖洗液循環系統設置應遵守下列規定:①規劃布置施工現場時,應首先考慮沖洗液循環、排水、清渣系統的安設,以保證泵吸反循環作業時,沖洗液循環通暢,污水排放徹底,鑽渣清除順利;②地面循環系統一般分為自流回灌式和泵送回灌式兩種(圖2-34)。應根據施工場地、施工地層和設備情況,合理選擇循環方式。由於自流回灌式循環系統設施簡單,清渣容易,循環可靠,應優先使用;③循環系統中沉澱池、循環池、循環槽(或回灌管路和回灌泵)等的規格,應根據鑽孔容積,砂石泵的型號規格來選定;循環池的容積,應不小於樁孔實際容積的1.2倍,以保證沖洗液正常循環。沉澱池的容積一般為4～8m3。樁孔直徑小於800mm時,選用4m3;小於1200mm時,選用6m3;大於1200mm時,選用8m3。溢流池的容積不小於樁孔實際容積的1.2倍,以確保灌注混凝土時,沖洗液不致外溢;循環槽(或回灌管路)的斷面積應是砂石泵出水管斷面積的3～4倍。若用回灌泵回灌,則泵的排量應大於砂石泵的排量;循環槽(或回灌管路)的坡度不宜小於1∶100。④沉澱池和循環池等可用磚塊砌制或用4～6mm鋼板加工製作。⑤沉澱池應滿足鑽渣清除外運的方便。
圖2-34 泵吸反循環泵送回灌系統示意圖
1—砂石泵;2—鑽機;3—樁孔;4—泥漿溢流槽;5—除渣設備;6—出水管;7—沉澱池;8—水龍頭;9—循環池;10—轉盤;11—回灌管路;12—回灌泵;13—鑽桿;14—鑽頭;15—沉澱物
4)沖洗液凈化。①清水鑽進時,鑽渣在沉澱池內通過重力沉澱後予以清除。沉澱池應交替使用,並及時清除沉渣;②泥漿鑽進時,宜使用多級振動篩和旋流除砂器或其他機械除渣裝置進行除砂清渣。振動篩主要清除較大粒徑的鑽渣,篩板(網)規格可根據鑽渣粒徑的大小分級確定,旋流除砂器的有效容積,要適應砂石泵的排量,除砂器數量可根據清渣需要確定。
5)鑽進參數應根據不同地層情況、樁孔直徑,並獲得砂石泵的合理排量和經濟鑽速按表2-19的值加以選擇。
表2-19 泵吸反循環鑽進推薦參數和鑽速表
注:①本表鑽進參數以GPS15型鑽機為例;砂石泵排量要考慮孔徑大小和地層情況靈活選擇調整,一般外環間隙沖洗液流速不宜大於10m/min,鑽桿內上返流速應大於2～4m/s。②樁孔直徑較大時,鑽壓宜選用上限,轉速宜選用下限,以獲得下限鑽速;樁孔直徑較小時,鑽壓宜選用上限,以獲得上限鑽速。
2.正循環鑽進成孔
1)正循環鑽進成孔適用於填土層、黏土層、淤泥層、砂土層、基岩,也可在卵礫石不大於15%,粒徑小於10mm的部分砂卵礫石地層施工。施工的樁孔直徑一般不宜大於800mm。
2)正循環鑽進成孔應採用泥漿護壁,泥漿的性能指標應符合前述規定。
3)泥漿循環系統的設置應遵守下列規定:①循環系統由泥漿池、沉澱池、循環槽、廢漿池、泥漿泵、泥漿攪拌設備、鑽渣分離裝置等組成,並應具有排水、清渣、排廢漿設施和鑽渣轉運通道等。一般宜採用集中攪拌泥漿,集中向各鑽孔輸送泥漿的方式(參閱反循環成孔)。②沉澱池不宜少於2個,可串聯並用,每個沉澱池的容積為4～6m3。泥漿池的容積為鑽孔容積的1.2～1.5倍,一般不宜小於8～10m3。③循環槽應設1∶200的坡度,槽的斷面積應能保證沖洗液正常循環而不外溢。④沉澱池、泥漿池、循環槽可用磚塊砌築和水泥砂漿砌築牢固,不得有滲漏或倒塌。泥漿池等不能在新堆積的土層上,防止下陷開裂,漏失泥漿。
4)應及時清除循環槽和沉澱池內沉澱的鑽渣,必要時可配備機械鑽渣分離裝置。鑽進砂土層或容易造漿的黏土層,應控制沖洗液相對密度和黏度變化,並可用絮沉,適時補充低相對密度、低黏度稀漿或加入適量清水,調整泥漿性能。泥漿池、沉澱池和循環槽應定期進行清理。清出的鑽渣應及時運出現場,防止鑽渣廢漿污染施工現場及街道。
①沖洗液量可由下式計算:
Q=60×10·F·V (2-1)
式中:Q為沖洗液量(L/min);F為環空面積(m2);V為上返流速(m/s),如表2-20。
表2-20 沖洗液上返流速表單位:m/s
②轉速。一般砂土層鑽頭回轉速度,推薦為1.2～1.6m/s,相應轉速為40～80r/min;較硬或非均質地層,鑽頭回轉速度可適當調變。
③鑽壓。在鬆散地層中,給進壓力應以保證沖洗液暢通,鑽渣清除及時為前提,靈活加以掌握;在基岩中鑽進可通過配置加重鑽鋌或加重塊提高鑽壓。鑽壓可按表2-16所示進行選擇。
3.潛水鑽鑽進成孔
1)潛水鑽進適用於填土層、砂土層、黏土層、淤泥層和強風化基岩。施工孔徑可為4600～1200mm。潛水鑽的主要設備和機具包括潛水電鑽、卷揚機、電纜捲筒、水管捲筒、泥漿泵、砂石泵、方型鑽桿、電纜線、進漿膠管、正反循環鑽頭、配電櫃、給、排水設備等。潛水鑽設備簡單、體積小、無噪音,具有正反循環功能,適合於城市狹小場地施工。潛水鑽成孔的現場布置和沖洗液循環系統設置,宜採用泵吸反循環為主的循環方式。選用泥漿作沖洗液,其性能指標同前述。
2)潛水電鑽、卷揚機和砂石泵的電纜均應接入配電箱,便於控制,應注意通入潛水電鑽的電纜不得破損、漏電,並須指定專人負責收放電纜和進漿膠管。電纜的安全架設和收放操作,應嚴格遵守電氣操作安全規定。
3)鑽進時潛水電鑽產生較大的反扭矩。因此,必須將鑽桿卡固在導向滾輪內以承受反扭矩,並使鑽桿不旋轉。
4)為防止潛水電鑽因鑽桿折斷或其他原因而掉落孔內,應在電鑽上加焊吊環,系一保險鋼繩並通出鑽孔外吊住;還需在電鑽的電纜線和進漿管上用油漆標明尺度,便於和鑽桿上所標尺度相校核。
5)鑽進中應根據鑽速和進尺情況及時放鬆電纜線及進漿膠管。應勤放少放,以免放得過多,造成電纜或膠管纏繞鑽頭而發生事故。
6)潛水電鑽的泵吸反循環或正循環的啟動、主要操作要點、鑽進參數選擇、鑽速控制、事故處理等可按本章第四節和第五節的有關規定執行。如果利用壓縮空氣作反循環,則混合器的沉沒深度以不超過空壓機工作壓力為限。
4.沖抓錐成孔
1)沖抓錐成孔是用具有沖擊功能並由錐瓣直接抓取土石的沖抓錐來鑽進成孔。它的沖擊作用在於使錐瓣易切入地層中,而不以擊碎土石為主要目的。這種方法適用於雜填土層、黏土層、砂土層、砂卵礫石層、漂礫層等,不宜用於基岩鑽進成孔。施工直徑一般為700～1200mm,孔深一般在20m以內。當孔深超過20m,則因提升下落沖抓錐時間長,鑽進效率降低,可改用沖擊鑽進成孔。
2)沖抓錐成孔的主要設備和機具包括:鑽架、卷揚機、沖抓錐、自掛離線構、出渣車及泥漿攪拌機等。
3)沖抓錐按操縱錐瓣開合方式不同,分:雙繩沖抓錐和單繩沖抓錐。雙繩沖抓錐由兩根鋼絲繩直接控制錐瓣開合,無須自動掛鉤機構,設備安裝簡便,且可多次沖擊再提沖抓錐,故宜優先採用。
4)提升沖抓錐的鋼絲繩,應選用同向捻制、纖維心、無死折跡、無斷絲的,其安全系數不得小於12。
5)沖抓錐與護筒中心線對正,先將沖抓錐懸空停穩,然後慢慢放入護筒內,檢查處於錐中心的起重鋼絲繩是否在護筒中心位置,若偏離中心位置,應調整鑽塔位置,使鋼絲繩居中。
6)沖抓錐鑽進時,可根據需要直接向孔內灌入泥漿,倒入黏土或投入泥球。倒入黏土後,將錐瓣收攏的沖抓錐放入孔內,沖擠黏土使之與鬆散的孔壁膠結,然後提起沖抓錐張開錐瓣進行沖抓鑽進。
5.沖擊鑽成孔
1)沖擊鑽成孔適用於雜填土層、黏土層、卵礫石層、漂礫石層和風化基岩。在含有較大卵。礫石層、漂礫層中施工,成孔效率較高。沖擊鑽施工的樁孔直徑一般為600～1200mm。最大可達3000mm左右。沖擊成孔的主要設備和機具包括:沖擊式鑽機、沖擊鑽頭、抽砂筒等。常用沖擊鑽頭有一字形和十字形;抽砂筒有碗形閥門,單扇活門多種形式,可根據施工需要合理選擇鑽機類型和鑽頭形式。
2)沖擊成孔使用高相對密度、高黏度的泥漿護壁和浮渣,也可直接向孔內投入黏土或泥環護壁。
3)抽砂筒撈渣應遵守下列規定。①抽砂簡直徑應為樁孔直徑的70%～50%;②開孔階段,孔深不足3～4m時,不宜撈渣,應盡量使鑽渣擠入孔壁;③每鑽進0.5～1.0m應撈渣一次,每次撈渣4～6筒為宜。當卵石、漂石層小時進尺小於5cm,在鬆散地層,小於15cm時,應及時撈渣,以減少鑽頭的重復破碎現象;④每次撈渣後,應及時向孔內補充泥漿或黏土,保持孔內水位高於地下水位1.5～2.0m。
6.螺旋鑽成孔
1)長螺旋鑽適用於地下水位以上的填土層、黏土層,砂礫石層等干作業成孔。施工樁孔直徑一般為300～600mm。成孔效率高,施工現場沒有泥漿污染,在適合條件下,宜優先採用。
2)螺旋鑽成孔的設備機具主要包括:導向架、卷揚機、螺旋鑽桿、動力機、出土器、鑽頭等。螺旋鑽分長螺桿和短螺桿,鑽頭的形式有:尖底式、平底式、耙式、筒式等,應根據不同地層和施工條件,選用不同形式的鑽頭和鑽桿。
3)鑽進時應遵守下列規定。①開鑽前應縱橫調平鑽機,安裝導向套。②開孔時或穿過硬土層分界處時,應慢速回轉,控制進尺不宜過快,並保持鑽桿垂直。③鑽進時應保持鑽具工作平穩,盡量減少螺桿晃動,防止鑽孔超徑或偏斜。④鑽進速度應根據孔底阻力大小(電流值變化),及時調整並保持均勻給進,不得忽大忽小造成機具損壞。⑤鑽進過程中,隨時清理孔中積土。遇到孔內滲水、塌孔、縮徑等異常情況時,應將鑽具從孔內提出,然後會同有關部門研究處理。⑥採用長螺旋鑽具鑽進至要求深度時,一般應在原處空轉清土,然後停止回轉,提升鑽具。如孔底虛土超過允許厚度,應使用掏土工具掏出或用夯實工具夯實清底。⑦採用短螺旋鑽具鑽進時,每次鑽進深度應與螺旋長度大致相同。⑧遇較大的卵、礫石、探頭石、發生卡鑽、夾鑽時,不得強行鑽進或提升,防止蹩斷螺桿。應緩慢回轉,上下活動,以解除卡、夾鑽事故。
7.沉管成孔
1)沉管成孔是以錘擊或振動沖擊將帶有樁尖的鋼管,沉入地層形成樁孔,施工中沒有渣土排出和廢水污染。適用於填土層、黏土層、砂土層、砂層。沉管的直徑一般為φ300～600mm,採用「復打」後,樁徑可增加30%左右。沉管的主要設備機具包括:卷揚機、動力設備、鑽塔、沖錘或振動錘、鋼管、錘墊和樁尖等。
2)樁尖有混凝土預制樁尖和活瓣樁尖兩種:預制樁尖的混凝土標號不得低於300號,樁尖的尺寸和配筋布置應符合設計要求,樁尖埋設時應與設計位置相符合,鋼管應垂直套入樁尖,並保持兩軸一致;活瓣樁尖與鋼管連接應牢靠,活瓣轉動應靈活,合攏時間隙小;磨損過多時應及時更換。
3)沉管受力應均勻,錘擊或振動力須通過鋼管中心,防止偏心受力、損壞樁尖、鋼管偏斜。
4)沉管過程中,地下水有可能進管內時,應在管內灌入1.5m左右的封底混凝土再沉管。
5)應嚴格控制最後一陣沖擊的貫入度或最後兩個兩分鍾振動的貫入速度,其值應遵守設計要求,或根據試樁和當地長期的施工經驗確定。採用「復打」時,應清除管外的泥、砂,前後兩次沉管軸線應重合。復打施工必須在第一次灌注的混凝土初凝之前進行完畢(包括第二次灌注混凝土)。振動沉管時,應採用收緊鋼絲繩加壓或配重加壓,以提高沉管效率。
8.鑽孔擴底成孔
1)鑽孔擴底是樁孔施工到預定深度時,撐開鑽頭的擴孔刀刃使之旋轉切削地層擴大孔底。鑽孔擴底成孔適宜於較硬實的砂土層、黏土層和砂卵礫石層,淤泥層不宜擴底。
2)鑽孔擴底應遵守下列規定:①鑽進速度不宜大於500mm/min。②鑽進至設計標高後,應保持空轉不進尺,逐漸撐開擴刀,切土擴底。應注意觀察動力設備運轉情況,隨時調節擴孔刀片切削土量,防止出現超負荷現象。擴底完畢應繼續空轉幾圈,才能收攏擴刀。③必須在擴刀完全收攏後,才能提升鑽具。鑽具提出孔口前,應將孔口積土清除干凈。④樁孔擴底完畢,應清除孔底虛土或沉渣。⑤水下擴孔必須採用泥漿護壁,並適當提高泥漿的黏度和相對密度。
(二)三層管旋噴施工
分別使用輸送水、氣、漿三種介質的三重注漿管。在以高壓泵產生20MPa左右的高壓水噴射流的周圍,環繞一股0.7MPa左右的圓筒狀氣流,進行高壓水噴射流和氣流同軸噴射沖切土體,形成較大的空隙。再由泥漿泵注入壓力為2～5MPa的漿液填充,當噴嘴作旋轉和提升運動,最後便在土中凝固為直徑較大的圓柱狀固結體。三重管旋噴注漿施工見圖2-35所示。
圖2-35 三重管旋噴注漿示意圖
噴射成樁時,開始先送高壓水,再送水泥漿和壓縮空氣,在一般情況下,壓縮空氣晚送30s。在樁底部邊旋轉邊噴射1min後,再進行邊旋轉、邊提升、邊噴射。
(三)標貫作業
標貫作業即標准貫入試驗。
1.試驗設備組成
標准貫入試驗設備由標准貫入器(圖2-36)、觸探桿、穿心錘組成。貫入器外徑為51mm,內徑35mm,長500mm,端部為管靴;穿心錘為63.5kg,自由落距76cm;觸探桿一般採用外徑為42mm的鑽桿。
圖2-36 標准貫入器(單位:mm)
1—貫入器靴;2—由兩個半圓形管合成的貫入器身;3—出水孔;4—貫入器頭;5—觸探桿
2.試驗要點
1)與鑽探配合進行,先鑽進到需要進行標准貫入試驗的土層,清孔後換用標准貫入器,並測量深度尺寸。
2)將貫入器打入試驗土層中,先打入15cm不計擊數(稱為預打),繼續貫入土中30cm,記錄其錘擊數,此數即為標准貫入擊數N63.5。若砂層比較密實,貫入30cm的錘擊數超過50擊時,也可選記小於30cm的錘擊數,並按下式換算成貫入30cm的錘擊數。
地勘鑽探工：初級工、中級工、高級工
式中:n為所選取的任意貫入量的錘擊數;△S為對應錘擊數n的貫入量(cm)。
3)拔出貫入器,將貫入器中土樣取出進行土樣描述,然後換以鑽探工具繼續鑽進至下一試驗深度,再重復以上操作。一般可每隔0.5～1m進行一次試驗。
4)在不能保持孔壁穩定時,可下套管保護孔壁。
5)當觸探桿長度大於3m時,錘擊數N63.5應按下式進行觸探桿長度校正:
N63.5=α·N (2-3)
式中:N63.5為標准貫入試驗錘擊數;α為觸探數,可按表2-21確定;N為實測貫入30cm的錘擊數。
表2-21 觸探桿長度校正系數α
3.指標應用
根據錘擊數N63.5確定砂土和黏性土的容許承載力(表2-22)和砂土的密度(表2-23)。
表2-22 土的容許承載力
表2-23 砂土的密度