郭家滩矿井沙层水文孔施工实践

白保国

(陕西省一八五煤田地质有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

沙层水文钻孔的施工质量是保证各种水文数据采集的关键环节。郭家滩井田是榆神矿区的重点建设矿井，位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区三期规划区的东南部，是以碎屑岩裂隙含水层为主的水文地质条件简单的矿床，矿井潜水位较高，地表水较为丰富。沙层水文钻孔的施工目的是查明地表主要含水层的分布、厚度及水文地质特征，评价沙层地表水对矿井开采的影响，为选择井筒作业方式以及煤炭开采过程中对地表水的预防措施提供依据[1-3]。为此，在先期开采地段内按照相关施工标准[4-6]，布设8个专项水文钻孔，对第四系松散沙层进行抽水试验，采用稳定流抽水试验查明第四系松散沙层的富水情况。

1 地层及含水层

1.1 地层分布及厚度

郭家滩矿井地表地形相对较平坦，全部被新生界地层覆盖，属掩盖式矿井。地貌以沙丘沙地、风沙滩地地貌类型为主。

地层厚度：新近系上新统保德组红土及第四系中更新统离石组黄土，受第四系沉积初期冲蚀影响，厚度变化大，钻孔揭露厚度0～139.50 m，平均厚度38.23 m。第四系上更新统萨拉乌苏组、第四系全新统风积层和冲积层，地表广泛分布。厚度变化较大，厚度0～67.85 m，平均厚度19.84 m。

1.2 含水层及富水性

孔隙潜水含水层：第四系全新统上更新统风积、冲积、湖积层孔隙潜水含水层全区分布，由第四系上更新统萨拉乌苏组和全新统风积沙等组成，含水层岩性主要为细沙及中沙。含水层厚度1.70～62.47 m，水位埋深0.50～8.84 m，当降深为1.60～19.78 m时，涌水量0.221～21.585 L/s，统降单位涌水量0.05～0.63 L/(s·m)，渗透系数0.86～14.431 m/d，富水性弱-中等。根据其赋存条件和抽水试验资料划分为2个富水等级。①富水性中等区分布于郭家滩西北部、西部及井田南部三道河则、四道河则流域，面积比较广泛，约占矿井面积的67%。地形相对平缓，有利于大气降水的渗入补给；②富水性弱的分布于郭家滩中部、东北部一带及三道河则和四道河则之间的泉域界线附近。地形明显抬高，该地段沙层含水层厚度变薄，地下水储存条件变差，富水性变弱。

黄土弱含水层：第四系中更新统离石黄土弱含水层不连续分布，无出露，其上被萨拉乌苏组及风积沙覆盖，呈平缓梁峁地形，局部被薄层风积沙覆盖，降水易于流失，不易渗入，渗水条件差。含水层岩性主要为粉砂质黄土，厚度较薄，富水性弱。

红土隔水层：新近系上新统保德组红土隔水层大部分布，零星出露于郭家窑梁—西营盘壕一带，为一套棕红、浅紫红色粘土及亚粘土，含钙质结核，富水性极差，是区内主要的相对隔水层。

2 钻孔施工工艺

2.1 施工设备的选择

钻孔类型及深度：沙层水文钻孔是对本区松散沙层第四系上更新统萨拉乌苏组进行钻探施工，并进行抽水试验。施工水文钻孔包括水文兼探煤钻孔和专门水文孔两类，具体见表1。根据钻孔深度不同，选择施工钻机机型及配套设备。

表1 钻孔类型及深度

设备选择：依据钻孔设计深度及水文兼探煤钻孔要求，钻探采用机械传动、液压给进立轴式多功能钻机，如XY-5、XY-6B岩芯钻机及ABB250-B6泥浆泵。专项沙层水文钻孔选择DPP-200岩芯车载钻机及3AB-150泥浆泵。

2.2 钻孔施工工艺

沙层钻进：准确判断沙层厚度及结构。采用麻花钻头钻取芯，使用φ130 mm麻花钻头进行钻进，每钻进1 m上钻，采集沙层样品，保证样品完整、干净，并按顺序摆放，标注回次编号；初见水位后换用φ127 mm取土器钻进，到达目的层后，再换用φ400 mm扩孔钻头进行扩孔。

土层钻进工艺：准确判断土层厚度及结构。因该区有沙土互层现象存在，因此，在钻进中采用取土器上部加投球式短钻杆单动回转压入式组合钻具钻进，解决了泥浆压力给土样的冲击问题，同时严格控制钻程，轻压慢钻，以保证采取率和土层的不扰动，效果良好。

2.3 钻孔结构

成孔后用φ400 mm扩钻头扩孔至孔底，含水层段下入φ219 mm滤水管，滤水管孔隙率为25%，里层附纱网，外层铁丝缠绕，间距3 mm左右；上部为不含水的沙层，下入φ219 mm实管至孔口，管壁与孔壁间填入2～4 mm厚的具有磨圆度的砾料至地表；用清水循环反复对抽水层段进行清洗后，下泵进行长时间的抽水，直至出水管出水清澈，然后进行抽水试验，抽水段的钻孔直径为400 mm。以S1专项水文孔为例，钻孔结构如图1所示。

图1 S1钻孔结构

2.4 扩孔注意事项

防止沙层垮塌：在扩孔过程中，应防止沙层垮塌[7-8]。采用优质黄土、高纳膨润土、纯碱、纤维素、水调和成黏度大于28 s、比重不低于1.8 g/cm3的优质黄土泥浆进行护壁，保证井底干净无沉淀。

钻具组合：扩孔的钻具组合为φ400 mm扩孔钻头+φ68 mm钻铤+φ380 mm扶正器(1 m)+φ68 mm钻铤+φ380 mm扶正器(1 m)+φ50 mm钻杆。

下套管前的准备：为保证φ219 mm套管的顺利入井，下套管前要进行“试跑”[9-10]，用两根φ219 mm丝扣套管进行入井试验，顺利完成“试跑”后，调整泥浆黏度、比重，下入组合钻具，冲洗孔底沉淀。

3 抽水试验及结果

3.1 工作方法及要求

工作方法：①止水材料选用棉线、珠子油、防水胶带等，用管靴法止水，采用水位差法检查止水效果；②洗井采用活塞、清水循环对抽水层段进行清洗，均洗至水清沙净；③抽水试验严格按照规范执行，进行稳定流抽水试验，水位观测使用电子式水位测试绳，流量观测使用90°三角堰箱。

试验要求：①采用稳定流方法抽水，水位降深及降次、延续及稳定时间、水位流量误差均应符合相应规程和规范要求。试抽中，尽机械能力作一次最大降深，正式抽水试验当单位涌水量大于0.01 L/(s·m)时，做3次水位降深，每次降距不小于3 m，3次降距分布合理，第一点延续时间不少于24 h，稳定时间都不少于8 h。当单位涌水量小于0.01 L/(s·m)时，尽机械最大能力做一次最大降深，其抽水延续时间大于36 h。若涌水量大于140 m3/h时，因条件所限降深达不到上述要求时，最小降距也不得小于1 m。若含水层底板以上水柱不足10 m时，可酌情减少降低次数，但其最大降深应超过含水层水柱的1/2。②抽水过程中要同步观测水位、流量，观测频率按规范要求执行。并每2 h观测水温、气温一次。停抽后应认真做好恢复水位观测工作，观测方法与勘探孔静止水位观测方法相同。要求止水可靠，洗井效果良好，记录及时、准确、清晰、完整。

3.2 抽水试验步骤

扩孔：钻探采样工作和物理测井工作结束后，用扩孔钻头扩孔钻进至设计层位[11-13]。扩孔时，钻具上要有扶正器，下要有“引路”，并优选规程参数，确保扩孔时不发生偏斜。

下管：下管前必须进行探孔校正孔深，确认坐管台阶位置；破壁换浆；检查排列入孔管材等工作；管子入孔时，每间隔10 m须有一组扶正装置。

止水：坐管位置及下入孔内的止水器和管材数量、质量确认无误后，采用管内外水位法检查止水效果。

洗井：采用活塞洗井为主、替浆洗井为辅的方法洗井。

安装抽水装置：抽水采用潜水泵抽水，地面测量装置按水文地质设计及水文地质人员的要求安装齐全、正确。

抽水试验：严格按照水文地质设计执行，做好原始记录，确保试验数据的科学性、完整性和准确性。

3.3 试验效果

郭家滩矿井勘探及井筒检查共施工沙层水文钻孔11个，完成抽水试验11层次，抽水试验评级：优质10层次，合格1层次，具体见表2。

表2 抽水层段及质量成果汇总

4 结语

经过沙层水文钻孔的施工，明确了郭家滩矿井主要含水层是萨拉乌苏组，井筒周围红土层隔水效果较好，含水层厚度相对较小，水量可控。改变了郭家滩井田井筒作业拟采用“大面积低温盐水循环，降低地层温度形成冻土帷幕”的冷冻法施工的最初设想，为选用“井筒周围打降水井，边降水边施工”的普通降水法施工提供了可靠依据。采用普通降水法施工，可为建设方节省资金上亿元，同时缩短了施工时间。在施工中，投球式松散层钻进取芯法钻探新技术、新方法得到推广使用。