趙海平，金江峰，靳慧潔

(1.河南省地質(zhì)環(huán)境勘查院，河南 鄭州 450007;2.河南省地礦局測繪地理信息院，河南 鄭州 450006)

據(jù)聯(lián)合國調(diào)查報告表明，越來越嚴(yán)重的飲水和衛(wèi)生危機(jī)每年導(dǎo)致非洲數(shù)百萬人死亡，飲用水不潔問題在非洲地區(qū)對于人類的威脅遠(yuǎn)大于暴力沖突，就目前非洲需要解決的供水問題仍然以農(nóng)村和小城鎮(zhèn)人畜用水為主。雖然非洲部分地區(qū)地表水資源比較豐富，但由于氣候炎熱，病菌及有害微生物在水中能大量繁殖，必須對水質(zhì)進(jìn)行處理才能飲用，而處理設(shè)備的運(yùn)營和維護(hù)是一個難題，目前解決人畜供水水源的最好辦法仍然是采用地下水。

隨著改革開放的深入，1997年以來，本單位作為河南省地礦行業(yè)水文地質(zhì)勘察專業(yè)隊(duì)伍，為響應(yīng)聯(lián)合國的非洲經(jīng)濟(jì)技術(shù)援助計劃、解決非洲部分地區(qū)人畜用水問題，并為河南省地礦行業(yè)開辟國際工勘市場，先后在非洲的坦桑尼亞、肯尼亞、烏干達(dá)、盧旺達(dá)、加納、幾內(nèi)亞，塞內(nèi)加爾及南部蘇丹等非洲國家，根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和施工環(huán)境，采用氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)共完成城鎮(zhèn)及農(nóng)村人畜供水井工程施工項(xiàng)目十余個，完成供水井近二千余眼，鉆進(jìn)工作量近十萬余米，為解決非洲部分地區(qū)人畜用水作出了積極努力，取得了當(dāng)?shù)孛癖姷母叨荣潛P(yáng)和國際社會的普遍認(rèn)可，并為河南地礦行業(yè)開辟國際工勘市場做出了較大貢獻(xiàn)，也為我國地礦行業(yè)“走出去戰(zhàn)略”和河南地礦在非洲國家實(shí)施的地質(zhì)找礦、資源開發(fā)戰(zhàn)略計劃奠定了良好的基礎(chǔ)。本文以肯尼亞共和國那庫魯城市供水施工項(xiàng)目和幾內(nèi)亞共和國52眼井供水項(xiàng)目為例，簡要介紹本單位采用氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在非洲國家人畜供水井施工中的經(jīng)驗(yàn)與措施，僅供借鑒與參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目簡介

非洲城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村人口分布密度的不同，一般供水井共分兩類，一類是城鎮(zhèn)供水井，另一類是鄉(xiāng)村供水井?？夏醽喒埠蛧菐祠敵鞘泄┧┕ろ?xiàng)目是2004年世界銀行貸款項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于肯尼亞共和國西部那庫魯?shù)貐^(qū)的東非大裂谷斷裂帶上，共設(shè)計供水井12眼，井深120～300 m不等，單井出水量不小于70 m3/h，主要解決納庫魯市城鎮(zhèn)居民生活飲用水問題;幾內(nèi)亞共和國52眼井供水項(xiàng)目是2001年世界銀行資金項(xiàng)目，目的是為解決泰勒梅樂、桑格雷地、博凱等省區(qū)部分鄉(xiāng)村人畜飲水衛(wèi)生問題，項(xiàng)目共設(shè)計供水井52眼，井深60～90 m不等，單井出水量不小于500 L/h。

1.2 地層條件

非洲大陸各時代地層均有發(fā)育，以太古界、元古界地層為主，分布范圍主要以中、東非和西非南部地區(qū)的坦桑尼亞、烏干達(dá)、民主剛果、蘇丹、幾內(nèi)亞、盧旺達(dá)、加納及尼日利亞、塞內(nèi)加爾等國為主。地表一般為幾米到十幾米松散堆積物或風(fēng)化層，以棕紅色粉土及混合土為主，下部為中、弱風(fēng)化層到完整基巖，基巖巖性主要為一套中深變質(zhì)的鐵鎂質(zhì)—長英質(zhì)火山巖、火山碎屑巖系。上部風(fēng)化層基本不含水或含水量很小，且一般水質(zhì)較差，鐵錳質(zhì)含量較高，下部基巖裂隙及斷層帶中的地下水補(bǔ)給、徑流條件較好，水量豐富、水質(zhì)良好，是人畜用水的主要供水源。

1.3 主要技術(shù)要求

1)供水井結(jié)構(gòu)設(shè)計。城鎮(zhèn)供水井下泵段鉆進(jìn)孔徑不小于Φ300 mm，井管直徑不小于 Φ254 mm，終孔孔徑不小于Φ155 mm(裸孔段);鄉(xiāng)村供水井覆蓋層鉆進(jìn)孔徑不小于Φ245 mm，基巖段鉆進(jìn)終孔孔徑不小于 Φ155 mm，井管直徑不小于 Φ140 mm。

2)井深設(shè)計。城鎮(zhèn)供水井，一般井深120～150 m，部分地區(qū)可達(dá)300 m;鄉(xiāng)村供水井，一般井深60～90 m。

3)成井材料。成井管材為 uPVC井管;礫料采用二氧化硅含量不小于85%、粒徑2～3 mm的石英砂。

4)止水固井及抽水試驗(yàn)。距地表5 m左右注入水泥漿至地表固井，防止污水流入。抽水試驗(yàn)采用深井潛水泵或手壓、腳踏泵進(jìn)行，水量計量、水位觀測、試驗(yàn)記錄等滿足國內(nèi)《水文地質(zhì)勘查規(guī)范要求》。

5)水量。城鎮(zhèn)供水井水量一般不小于50 m3/h;鄉(xiāng)村供水井水量不小于500 L/h;

6)抽水裝備(水泵)。城鎮(zhèn)供水井配用深井潛水電泵;鄉(xiāng)村供水井配用手壓、腳踏泵。各類抽水設(shè)備技術(shù)性能必須符合國際標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 施工條件

1)地層條件復(fù)雜，基巖一般為火山巖，巖石可鉆性級別一般在8級以上;基巖裂隙不發(fā)育，含水量偏小。

2)非洲地區(qū)地廣人稀、井位分布凌亂，單井距離較遠(yuǎn)，地表覆蓋層松軟，施工道路狹小，大型設(shè)備運(yùn)移和材料運(yùn)輸困難。

3)電力匱乏，無施工電源和施工供水水源。

2 設(shè)備、機(jī)具選型

為適應(yīng)當(dāng)?shù)厥┕きh(huán)境和道路條件，便于設(shè)備搬遷和運(yùn)輸，選用的鉆機(jī)為:雙驅(qū)動太脫拉車載式SPC-300H型鉆機(jī);英格索蘭(Engersoll-Rand)750/900型空壓機(jī)，根據(jù)井深、井徑采用單機(jī)或雙機(jī)并聯(lián)使用;采用 DHD系列、J系列沖擊器及與之匹配的 Φ300 mm、Φ250 mm、Φ165 mm、Φ155 mm 合金球齒鉆頭;單根長度6 m的89 mm或114 mm鉆桿;其他附屬設(shè)備及運(yùn)輸車輛若干。

3 鉆進(jìn)工藝措施

3.1 工藝方法選擇

開孔松散層和不穩(wěn)定的基巖風(fēng)化破碎帶采用合金回轉(zhuǎn)、泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，下入臨時性護(hù)壁管;下部基巖采用采用氣動潛孔錘鉆進(jìn)。

3.2 主要工藝措施

3.2.1 覆蓋層回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

城鎮(zhèn)供水井開孔采用Φ377 mm三翼合金或壓輪鉆頭清水自然造漿護(hù)壁鉆進(jìn)至完整基巖，下入Φ325 mm臨時性護(hù)壁井管(下完井管后拔出);基巖下泵段鉆進(jìn)孔徑 Φ300 mm至設(shè)計深度，下入 Φ254鋼管;下部基巖鉆進(jìn)孔徑不小于Φ155 mm，裸孔。

鄉(xiāng)村供水井開孔采用Φ245 mm三翼合金或壓輪鉆頭清水自然造漿護(hù)壁鉆進(jìn)至完整基巖，下入Φ200 mm臨時性護(hù)壁井管;下部基巖鉆進(jìn)孔徑Φ155mm或Φ165 mm至終孔，

3.2.2 潛孔錘鉆進(jìn)

城鎮(zhèn)供水井基巖下泵段鉆進(jìn)采用J250B型沖擊器配的Φ300 mm合金球齒鉆頭鉆進(jìn)，下部至終孔采用 DHD360或JG150型沖擊器配 Φ155 mm或 Φ165 mm合金球齒鉆頭鉆進(jìn)。

鄉(xiāng)村供水井基巖段鉆進(jìn)采用DHD360或JG150型沖擊器配用Φ155 mm或Φ165 mm合金球齒鉆頭鉆進(jìn)至終孔。

鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的選擇:鉆壓 3.5～5.0 kN;轉(zhuǎn)速 25～30 r/min;供風(fēng)量 20～40 m3/min，使空氣上返風(fēng)速不小于 15 m/s;空壓機(jī)額定風(fēng)壓 2.0～2.4 Mpa;以滿足沖擊器沖擊碎巖、清洗孔底、攜帶巖屑的需要。

基巖潮濕層段鉆進(jìn):每鉆進(jìn)3 m左右向孔內(nèi)加2～3桶水，啟動空壓機(jī)向孔內(nèi)送風(fēng)后反復(fù)提拉鉆具，使之產(chǎn)生井噴將孔內(nèi)巖屑帶出地表，可有效清洗孔底，提高鉆進(jìn)效率，預(yù)防孔內(nèi)巖粉糊、埋、卡鉆事故的發(fā)生。

基巖水下段鉆進(jìn)時，巖屑隨水流同時返出地表。形成氣、液、固三項(xiàng)流，保證了孔底清潔。氣動潛孔錘水下鉆進(jìn)的過程也既洗井的過程，有利于預(yù)防巖粉堵塞含水層通道，較大幅度提高了單井出水量。

4 成井工藝措施

管材選擇:選用Φ254鋼管和Φ140 mmuPVC井管及濾水管。.鋼管壁厚不小于7 mm，濾水管孔隙率不小于30%;uPVC井管壁厚不小于5 mm;濾水管為縫隙式，孔隙率不小于25%。

下管方法:井管單根間連接采用絲扣連接，利用鉆機(jī)自身功能采用起吊法下管。

采用人工投礫法投礫，礫料采用二氧化硅含量不小于85%、粒徑2～3 mm的石英砂。

洗井:潛孔錘鉆進(jìn)過程即洗井過程，一般鉆進(jìn)終孔后即可轉(zhuǎn)入抽水試驗(yàn)。

抽水試驗(yàn):城鎮(zhèn)供水井采用深井潛水泵，鄉(xiāng)村供水井采用手壓、腳踏泵。一般手壓、腳踏泵抽水2～3 h水位即趨于穩(wěn)定。根據(jù)單井出水量因地制宜采用量桶法、堰板法計算單井出水量，采用電子水位計測量水位。

5 固井和抽水設(shè)備安裝

由于非洲地表多為風(fēng)化混和土及粉土，滲透性較好，地表水易于滲漏，且uPVC井管重量輕，耐腐蝕性強(qiáng)，但強(qiáng)度相對鋼管偏低，所以回填至距地面3～5 m時用水泥漿固井，一是防止地表污水滲入，二是防止uPVC井管破碎。手壓、腳踏泵主要由泵頭、泵座、泵管及泵芯組成，泵與井臺的安裝見圖1，泵座嵌入井臺中，使其牢固可靠。深井潛水泵的安裝與國內(nèi)安裝方法相同。

圖1 手壓泵和井臺剖面圖

6 主要事故預(yù)防及處理措施

(1)潮濕層段粘鉆、糊鉆事故:發(fā)生事故后，首先必須保持孔內(nèi)鉆具具有一定的上下活動余地不得拉死，保持鉆具系統(tǒng)供風(fēng)通暢，然后采用從孔口倒入一定量的泡沫溶液對粘附在鉆具上的巖渣、巖粉進(jìn)行稀釋，并進(jìn)行數(shù)次強(qiáng)力憋壓吹空、排渣，緩解處理巖粉粘糊鉆事故。對該類事故的預(yù)防措施有以下幾種:

①確保供風(fēng)量，提高空氣上返速度，使上返風(fēng)速達(dá)到15～25 m/s，以實(shí)現(xiàn)清潔孔底、預(yù)防糊鉆、快速鉆進(jìn)突破潮濕層段。供風(fēng)量的確定可根據(jù)下式計算:

式中:V為空氣上返速度，m/s;Q為空壓機(jī)額定供風(fēng)量，m3/min;D為鉆孔直徑，m;d為鉆桿外徑，m;K1為孔深修正系數(shù)，孔深 100 ～200 m 時，K1=1.05—1.1;孔深 500 m 時，K1=1.25～1.3;隨孔深增加而增加。K2為孔內(nèi)涌水時的風(fēng)量增加系數(shù)，中、小涌水量時，K2=1.5，隨涌水量的增加而遞增。

②采用空氣泡沫或濕式空氣鉆進(jìn)法鉆進(jìn)，以稀釋巖粉、巖渣對鉆具粘糊?？諝馀菽驖袷娇諝忏@進(jìn)法遵循空氣泡沫、濕式鉆進(jìn)的配比要求和操作規(guī)程。

③加強(qiáng)間歇性停止回轉(zhuǎn)、憋壓排渣。即每鉆進(jìn)2 m左右就進(jìn)行一次保持鉆頭在孔底的停止回轉(zhuǎn)憋壓，當(dāng)氣壓憋到一定程度時，提動鉆具瞬時釋放達(dá)到井噴排渣的效果，可有效清除孔底沉渣，消除巖粉、巖渣粘糊鉆桿，達(dá)到快速鉆進(jìn)潮濕層段的目的。

(2)孔壁掉塊、巖渣卡、埋鉆事故處理措施:遇鉆具回轉(zhuǎn)阻力大且具有憋車現(xiàn)象、氣壓表壓力升高、孔口返風(fēng)量及排渣不正常時，應(yīng)及時停止進(jìn)尺上提鉆具，上提鉆具遇阻時，不得強(qiáng)力提拔，防止將鉆具拉死，上下活動鉆具，活動鉆具期間增大供風(fēng)量進(jìn)行沖孔排渣。鉆具活動開后根據(jù)具體情況可采用灌注泡沫或憋壓井噴等方式進(jìn)行專項(xiàng)排渣，孔內(nèi)清潔后再進(jìn)行鉆進(jìn)。遇較大孔段破碎帶且嚴(yán)重塌孔、掉塊時，可根據(jù)鉆孔類型、條件和鉆孔目的，分別采取終孔、水泥封孔、技術(shù)套管封隔等處理措施。

(3)沖擊器折斷事故:一般情況該類事故沒有專用的沖擊器打撈工具，常采用的方法為擴(kuò)孔套撈的方式進(jìn)行處理。預(yù)防措施為:下鉆時仔細(xì)檢查沖擊器外缸上下端接口處是否有裂縫，如有裂縫應(yīng)及時更換外缸;鉆進(jìn)中密切觀察氣壓表變化和沖擊器工作狀態(tài)(聲音和孔口返風(fēng)量)，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時停風(fēng)提鉆檢查。

(4)工具及其他物件掉入孔內(nèi)的事故處理措施:應(yīng)根據(jù)鉆孔情況和落入物品的類型及尺寸，可選擇套撈、鉤抓、磁吸打撈或磨削消滅等方法處理。

(5)其他鉆桿事故則采用常規(guī)的處理方式。

7 結(jié)論與建議

(1)氣動潛孔錘鉆進(jìn)在基巖地層鉆進(jìn)效率高，成井質(zhì)量好，施工成本低，非常適應(yīng)于在非洲地區(qū)淺、中深的基巖地層供水井施工。最高鉆進(jìn)效率達(dá)到37 m/h;一般井深60 m左右深的井，10～12 h即可竣工一眼。

(2)成井質(zhì)量好:空氣鉆進(jìn)過程即洗井過程，大幅度減少了泥漿、巖屑對含水層的堵塞，可有效降低洗井時間，大幅提高單井出水量。

(3)優(yōu)化設(shè)備配置。采用性能可靠、機(jī)動性強(qiáng)的車載式鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)、鉆桿、成井材料全部車載化的裝備配套方案，大幅度降低了搬遷、運(yùn)輸和鉆進(jìn)輔助時間及單井施工周期，提高了綜合經(jīng)濟(jì)效益。

(4)為解決非洲部分地區(qū)人畜用水作出了積極努力，取得了當(dāng)?shù)孛癖姷母叨荣潛P(yáng)和國際社會的普遍認(rèn)可，并為河南地礦行業(yè)開辟國際工勘市場做出了較大貢獻(xiàn)，也為我國地礦行業(yè)“走出去戰(zhàn)略”和河南地礦在非洲國家實(shí)施的地質(zhì)找礦、資源開發(fā)戰(zhàn)略計劃奠定了良好的基礎(chǔ)。

(5)專用uPVC井管具有重量輕、使用壽命長、耐腐蝕性強(qiáng)、下管工藝簡單快捷、成本低等優(yōu)勢，在水文水井淺井施工中具有廣闊的推廣應(yīng)用價值，值得引進(jìn)推廣。

[1]劉三意，等.我國鉆掘設(shè)備的發(fā)展趨勢及幾種最新機(jī)型.探礦工程(巖土挖掘工程).2007，34(6).

[2]許劉萬，等.中國水文水井鉆探技術(shù)及裝備應(yīng)用現(xiàn)狀.探礦工程(巖土挖掘工程).2007，34(1).

[3]孫丙倫.應(yīng)用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝成功解決鉆井施工疑難問題.探礦工程(巖土挖掘工程).2007，34(6).

[4]靳雙喜，等.氣動潛孔錘鉆進(jìn)試驗(yàn)報告.1989.