郭家灘礦井沙層水文孔施工實踐

白保國

(陜西省一八五煤田地質有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

沙層水文鉆孔的施工質量是保證各種水文數據采集的關鍵環節。郭家灘井田是榆神礦區的重點建設礦井，位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區三期規劃區的東南部，是以碎屑巖裂隙含水層為主的水文地質條件簡單的礦床，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、厚度及水文地質特征，評價沙層地表水對礦井開采的影響，為選擇井筒作業方式以及煤炭開采過程中對地表水的預防措施提供依據[1-3]。為此，在先期開采地段內按照相關施工標準[4-6]，布設8個專項水文鉆孔，對第四系松散沙層進行抽水試驗，采用穩定流抽水試驗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、風沙灘地地貌類型為主。

地層厚度：新近系上新統保德組紅土及第四系中更新統離石組黃土，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。第四系上更新統薩拉烏蘇組、第四系全新統風積層和沖積層，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：第四系全新統上更新統風積、沖積、湖積層孔隙潛水含水層全區分布，由第四系上更新統薩拉烏蘇組和全新統風積沙等組成，含水層巖性主要為細沙及中沙。含水層厚度1.70～62.47 m，水位埋深0.50～8.84 m，當降深為1.60～19.78 m時，涌水量0.221～21.585 L/s，統降單位涌水量0.05～0.63 L/(s·m)，滲透系數0.86～14.431 m/d，富水性弱-中等。根據其賦存條件和抽水試驗資料劃分為2個富水等級。①富水性中等區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%。地形相對平緩，有利于大氣降水的滲入補給；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，地下水儲存條件變差，富水性變弱。

黃土弱含水層：第四系中更新統離石黃土弱含水層不連續分布，無出露，其上被薩拉烏蘇組及風積沙覆蓋，呈平緩梁峁地形，局部被薄層風積沙覆蓋，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黃土，厚度較薄，富水性弱。

紅土隔水層：新近系上新統保德組紅土隔水層大部分布，零星出露于郭家窯梁—西營盤壕一帶，為一套棕紅、淺紫紅色粘土及亞粘土，含鈣質結核，富水性極差，是區內主要的相對隔水層。

2 鉆孔施工工藝

2.1 施工設備的選擇

鉆孔類型及深度：沙層水文鉆孔是對本區松散沙層第四系上更新統薩拉烏蘇組進行鉆探施工，并進行抽水試驗。施工水文鉆孔包括水文兼探煤鉆孔和專門水文孔兩類，具體見表1。根據鉆孔深度不同，選擇施工鉆機機型及配套設備。

表1 鉆孔類型及深度

設備選擇：依據鉆孔設計深度及水文兼探煤鉆孔要求，鉆探采用機械傳動、液壓給進立軸式多功能鉆機，如XY-5、XY-6B巖芯鉆機及ABB250-B6泥漿泵。專項沙層水文鉆孔選擇DPP-200巖芯車載鉆機及3AB-150泥漿泵。

2.2 鉆孔施工工藝

沙層鉆進：準確判斷沙層厚度及結構。采用麻花鉆頭鉆取芯，使用φ130 mm麻花鉆頭進行鉆進，每鉆進1 m上鉆，采集沙層樣品，保證樣品完整、干凈，并按順序擺放，標注回次編號；初見水位后換用φ127 mm取土器鉆進，到達目的層后，再換用φ400 mm擴孔鉆頭進行擴孔。

土層鉆進工藝：準確判斷土層厚度及結構。因該區有沙土互層現象存在，因此，在鉆進中采用取土器上部加投球式短鉆桿單動回轉壓入式組合鉆具鉆進，解決了泥漿壓力給土樣的沖擊問題，同時嚴格控制鉆程，輕壓慢鉆，以保證采取率和土層的不擾動，效果良好。

2.3 鉆孔結構

成孔后用φ400 mm擴鉆頭擴孔至孔底，含水層段下入φ219 mm濾水管，濾水管孔隙率為25%，里層附紗網，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；用清水循環反復對抽水層段進行清洗后，下泵進行長時間的抽水，直至出水管出水清澈，然后進行抽水試驗，抽水段的鉆孔直徑為400 mm。以S1專項水文孔為例，鉆孔結構如圖1所示。

圖1 S1鉆孔結構

2.4 擴孔注意事項

防止沙層垮塌：在擴孔過程中，應防止沙層垮塌[7-8]。采用優質黃土、高納膨潤土、純堿、纖維素、水調和成黏度大于28 s、比重不低于1.8 g/cm3的優質黃土泥漿進行護壁，保證井底干凈無沉淀。

鉆具組合：擴孔的鉆具組合為φ400 mm擴孔鉆頭+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。

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

3 抽水試驗及結果

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、清水循環對抽水層段進行清洗，均洗至水清沙凈；③抽水試驗嚴格按照規范執行，進行穩定流抽水試驗，水位觀測使用電子式水位測試繩，流量觀測使用90°三角堰箱。

試驗要求：①采用穩定流方法抽水，水位降深及降次、延續及穩定時間、水位流量誤差均應符合相應規程和規范要求。試抽中，盡機械能力作一次最大降深，正式抽水試驗當單位涌水量大于0.01 L/(s·m)時，做3次水位降深，每次降距不小于3 m，3次降距分布合理，第一點延續時間不少于24 h，穩定時間都不少于8 h。當單位涌水量小于0.01 L/(s·m)時，盡機械最大能力做一次最大降深，其抽水延續時間大于36 h。若涌水量大于140 m3/h時，因條件所限降深達不到上述要求時，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，可酌情減少降低次數，但其最大降深應超過含水層水柱的1/2。②抽水過程中要同步觀測水位、流量，觀測頻率按規范要求執行。并每2 h觀測水溫、氣溫一次。停抽后應認真做好恢復水位觀測工作，觀測方法與勘探孔靜止水位觀測方法相同。要求止水可靠，洗井效果良好，記錄及時、準確、清晰、完整。

3.2 抽水試驗步驟

擴孔：鉆探采樣工作和物理測井工作結束后，用擴孔鉆頭擴孔鉆進至設計層位[11-13]。擴孔時，鉆具上要有扶正器，下要有“引路”，并優選規程參數，確保擴孔時不發生偏斜。

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

止水：坐管位置及下入孔內的止水器和管材數量、質量確認無誤后，采用管內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，地面測量裝置按水文地質設計及水文地質人員的要求安裝齊全、正確。

抽水試驗：嚴格按照水文地質設計執行，做好原始記錄，確保試驗數據的科學性、完整性和準確性。

3.3 試驗效果

郭家灘礦井勘探及井筒檢查共施工沙層水文鉆孔11個，完成抽水試驗11層次，抽水試驗評級：優質10層次，合格1層次，具體見表2。

表2 抽水層段及質量成果匯總

4 結語

經過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，含水層厚度相對較小，水量可控。改變了郭家灘井田井筒作業擬采用“大面積低溫鹽水循環，降低地層溫度形成凍土帷幕”的冷凍法施工的最初設想，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。采用普通降水法施工，可為建設方節省資金上億元，同時縮短了施工時間。在施工中，投球式松散層鉆進取芯法鉆探新技術、新方法得到推廣使用。