郭家灘礦井沙層水文孔施工實(shí)踐

白保國(guó)

(陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

沙層水文鉆孔的施工質(zhì)量是保證各種水文數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。郭家灘井田是榆神礦區(qū)的重點(diǎn)建設(shè)礦井，位于陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)的東南部，是以碎屑巖裂隙含水層為主的水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的礦床，礦井潛水位較高，地表水較為豐富。沙層水文鉆孔的施工目的是查明地表主要含水層的分布、厚度及水文地質(zhì)特征，評(píng)價(jià)沙層地表水對(duì)礦井開采的影響，為選擇井筒作業(yè)方式以及煤炭開采過(guò)程中對(duì)地表水的預(yù)防措施提供依據(jù)[1-3]。為此，在先期開采地段內(nèi)按照相關(guān)施工標(biāo)準(zhǔn)[4-6]，布設(shè)8個(gè)專項(xiàng)水文鉆孔，對(duì)第四系松散沙層進(jìn)行抽水試驗(yàn)，采用穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)查明第四系松散沙層的富水情況。

1 地層及含水層

1.1 地層分布及厚度

郭家灘礦井地表地形相對(duì)較平坦，全部被新生界地層覆蓋，屬掩蓋式礦井。地貌以沙丘沙地、風(fēng)沙灘地地貌類型為主。

地層厚度：新近系上新統(tǒng)保德組紅土及第四系中更新統(tǒng)離石組黃土，受第四系沉積初期沖蝕影響，厚度變化大，鉆孔揭露厚度0～139.50 m，平均厚度38.23 m。第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組、第四系全新統(tǒng)風(fēng)積層和沖積層，地表廣泛分布。厚度變化較大，厚度0～67.85 m，平均厚度19.84 m。

1.2 含水層及富水性

孔隙潛水含水層：第四系全新統(tǒng)上更新統(tǒng)風(fēng)積、沖積、湖積層孔隙潛水含水層全區(qū)分布，由第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組和全新統(tǒng)風(fēng)積沙等組成，含水層巖性主要為細(xì)沙及中沙。含水層厚度1.70～62.47 m，水位埋深0.50～8.84 m，當(dāng)降深為1.60～19.78 m時(shí)，涌水量0.221～21.585 L/s，統(tǒng)降單位涌水量0.05～0.63 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.86～14.431 m/d，富水性弱-中等。根據(jù)其賦存條件和抽水試驗(yàn)資料劃分為2個(gè)富水等級(jí)。①富水性中等區(qū)分布于郭家灘西北部、西部及井田南部三道河則、四道河則流域，面積比較廣泛，約占礦井面積的67%。地形相對(duì)平緩，有利于大氣降水的滲入補(bǔ)給；②富水性弱的分布于郭家灘中部、東北部一帶及三道河則和四道河則之間的泉域界線附近。地形明顯抬高，該地段沙層含水層厚度變薄，地下水儲(chǔ)存條件變差，富水性變?nèi)酢?/p>

黃土弱含水層：第四系中更新統(tǒng)離石黃土弱含水層不連續(xù)分布，無(wú)出露，其上被薩拉烏蘇組及風(fēng)積沙覆蓋，呈平緩梁峁地形，局部被薄層風(fēng)積沙覆蓋，降水易于流失，不易滲入，滲水條件差。含水層巖性主要為粉砂質(zhì)黃土，厚度較薄，富水性弱。

紅土隔水層：新近系上新統(tǒng)保德組紅土隔水層大部分布，零星出露于郭家窯梁—西營(yíng)盤壕一帶，為一套棕紅、淺紫紅色粘土及亞粘土，含鈣質(zhì)結(jié)核，富水性極差，是區(qū)內(nèi)主要的相對(duì)隔水層。

2 鉆孔施工工藝

2.1 施工設(shè)備的選擇

鉆孔類型及深度：沙層水文鉆孔是對(duì)本區(qū)松散沙層第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組進(jìn)行鉆探施工，并進(jìn)行抽水試驗(yàn)。施工水文鉆孔包括水文兼探煤鉆孔和專門水文孔兩類，具體見(jiàn)表1。根據(jù)鉆孔深度不同，選擇施工鉆機(jī)機(jī)型及配套設(shè)備。

表1 鉆孔類型及深度

設(shè)備選擇：依據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)深度及水文兼探煤鉆孔要求，鉆探采用機(jī)械傳動(dòng)、液壓給進(jìn)立軸式多功能鉆機(jī)，如XY-5、XY-6B巖芯鉆機(jī)及ABB250-B6泥漿泵。專項(xiàng)沙層水文鉆孔選擇DPP-200巖芯車載鉆機(jī)及3AB-150泥漿泵。

2.2 鉆孔施工工藝

沙層鉆進(jìn)：準(zhǔn)確判斷沙層厚度及結(jié)構(gòu)。采用麻花鉆頭鉆取芯，使用φ130 mm麻花鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，每鉆進(jìn)1 m上鉆，采集沙層樣品，保證樣品完整、干凈，并按順序擺放，標(biāo)注回次編號(hào)；初見(jiàn)水位后換用φ127 mm取土器鉆進(jìn)，到達(dá)目的層后，再換用φ400 mm擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔。

土層鉆進(jìn)工藝：準(zhǔn)確判斷土層厚度及結(jié)構(gòu)。因該區(qū)有沙土互層現(xiàn)象存在，因此，在鉆進(jìn)中采用取土器上部加投球式短鉆桿單動(dòng)回轉(zhuǎn)壓入式組合鉆具鉆進(jìn)，解決了泥漿壓力給土樣的沖擊問(wèn)題，同時(shí)嚴(yán)格控制鉆程，輕壓慢鉆，以保證采取率和土層的不擾動(dòng)，效果良好。

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

成孔后用φ400 mm擴(kuò)鉆頭擴(kuò)孔至孔底，含水層段下入φ219 mm濾水管，濾水管孔隙率為25%，里層附紗網(wǎng)，外層鐵絲纏繞，間距3 mm左右；上部為不含水的沙層，下入φ219 mm實(shí)管至孔口，管壁與孔壁間填入2～4 mm厚的具有磨圓度的礫料至地表；用清水循環(huán)反復(fù)對(duì)抽水層段進(jìn)行清洗后，下泵進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的抽水，直至出水管出水清澈，然后進(jìn)行抽水試驗(yàn)，抽水段的鉆孔直徑為400 mm。以S1專項(xiàng)水文孔為例，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S1鉆孔結(jié)構(gòu)

2.4 擴(kuò)孔注意事項(xiàng)

防止沙層垮塌：在擴(kuò)孔過(guò)程中，應(yīng)防止沙層垮塌[7-8]。采用優(yōu)質(zhì)黃土、高納膨潤(rùn)土、純堿、纖維素、水調(diào)和成黏度大于28 s、比重不低于1.8 g/cm3的優(yōu)質(zhì)黃土泥漿進(jìn)行護(hù)壁，保證井底干凈無(wú)沉淀。

鉆具組合：擴(kuò)孔的鉆具組合為φ400 mm擴(kuò)孔鉆頭+φ68 mm鉆鋌+φ380 mm扶正器(1 m)+φ68 mm鉆鋌+φ380 mm扶正器(1 m)+φ50 mm鉆桿。

下套管前的準(zhǔn)備：為保證φ219 mm套管的順利入井，下套管前要進(jìn)行“試跑”[9-10]，用兩根φ219 mm絲扣套管進(jìn)行入井試驗(yàn)，順利完成“試跑”后，調(diào)整泥漿黏度、比重，下入組合鉆具，沖洗孔底沉淀。

3 抽水試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 工作方法及要求

工作方法：①止水材料選用棉線、珠子油、防水膠帶等，用管靴法止水，采用水位差法檢查止水效果；②洗井采用活塞、清水循環(huán)對(duì)抽水層段進(jìn)行清洗，均洗至水清沙凈；③抽水試驗(yàn)嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行，進(jìn)行穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，水位觀測(cè)使用電子式水位測(cè)試?yán)K，流量觀測(cè)使用90°三角堰箱。

試驗(yàn)要求：①采用穩(wěn)定流方法抽水，水位降深及降次、延續(xù)及穩(wěn)定時(shí)間、水位流量誤差均應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)程和規(guī)范要求。試抽中，盡機(jī)械能力作一次最大降深，正式抽水試驗(yàn)當(dāng)單位涌水量大于0.01 L/(s·m)時(shí)，做3次水位降深，每次降距不小于3 m，3次降距分布合理，第一點(diǎn)延續(xù)時(shí)間不少于24 h，穩(wěn)定時(shí)間都不少于8 h。當(dāng)單位涌水量小于0.01 L/(s·m)時(shí)，盡機(jī)械最大能力做一次最大降深，其抽水延續(xù)時(shí)間大于36 h。若涌水量大于140 m3/h時(shí)，因條件所限降深達(dá)不到上述要求時(shí)，最小降距也不得小于1 m。若含水層底板以上水柱不足10 m時(shí)，可酌情減少降低次數(shù)，但其最大降深應(yīng)超過(guò)含水層水柱的1/2。②抽水過(guò)程中要同步觀測(cè)水位、流量，觀測(cè)頻率按規(guī)范要求執(zhí)行。并每2 h觀測(cè)水溫、氣溫一次。停抽后應(yīng)認(rèn)真做好恢復(fù)水位觀測(cè)工作，觀測(cè)方法與勘探孔靜止水位觀測(cè)方法相同。要求止水可靠，洗井效果良好，記錄及時(shí)、準(zhǔn)確、清晰、完整。

3.2 抽水試驗(yàn)步驟

擴(kuò)孔：鉆探采樣工作和物理測(cè)井工作結(jié)束后，用擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)層位[11-13]。擴(kuò)孔時(shí)，鉆具上要有扶正器，下要有“引路”，并優(yōu)選規(guī)程參數(shù)，確保擴(kuò)孔時(shí)不發(fā)生偏斜。

下管：下管前必須進(jìn)行探孔校正孔深，確認(rèn)坐管臺(tái)階位置；破壁換漿；檢查排列入孔管材等工作；管子入孔時(shí)，每間隔10 m須有一組扶正裝置。

止水：坐管位置及下入孔內(nèi)的止水器和管材數(shù)量、質(zhì)量確認(rèn)無(wú)誤后，采用管內(nèi)外水位法檢查止水效果。

洗井：采用活塞洗井為主、替漿洗井為輔的方法洗井。

安裝抽水裝置：抽水采用潛水泵抽水，地面測(cè)量裝置按水文地質(zhì)設(shè)計(jì)及水文地質(zhì)人員的要求安裝齊全、正確。

抽水試驗(yàn)：嚴(yán)格按照水文地質(zhì)設(shè)計(jì)執(zhí)行，做好原始記錄，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性、完整性和準(zhǔn)確性。

3.3 試驗(yàn)效果

郭家灘礦井勘探及井筒檢查共施工沙層水文鉆孔11個(gè)，完成抽水試驗(yàn)11層次，抽水試驗(yàn)評(píng)級(jí)：優(yōu)質(zhì)10層次，合格1層次，具體見(jiàn)表2。

表2 抽水層段及質(zhì)量成果匯總

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)沙層水文鉆孔的施工，明確了郭家灘礦井主要含水層是薩拉烏蘇組，井筒周圍紅土層隔水效果較好，含水層厚度相對(duì)較小，水量可控。改變了郭家灘井田井筒作業(yè)擬采用“大面積低溫鹽水循環(huán)，降低地層溫度形成凍土帷幕”的冷凍法施工的最初設(shè)想，為選用“井筒周圍打降水井，邊降水邊施工”的普通降水法施工提供了可靠依據(jù)。采用普通降水法施工，可為建設(shè)方節(jié)省資金上億元，同時(shí)縮短了施工時(shí)間。在施工中，投球式松散層鉆進(jìn)取芯法鉆探新技術(shù)、新方法得到推廣使用。