多层含水层分层止水技术研究进展_李晓龙.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 多层含水层分层止水技术研究进展 李晓龙 1,2,3， 董书宁1,3， 刘恺德4 （1．中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077； 2．西安科技大学 地质与环境学院， 陕西 西安 710054； 3．陕西省煤矿水害防治技术重点实验室， 陕西 西安 710054； 4．西京学院 陕西省混凝土结构安全与耐久性重点 实验室， 陕西 西安 710123） 摘要 分层抽水能够实现精确获取含水层的水文地质参数， 而分层止水效果则决定着分层抽 水的成功与否， 为了系统研究分层止水技术的研究成果， 在查阅近年来公开发表文献等资料的 基础上， 采用绘图、 综合分析的方法， 对分层止水技术研究现状进行总结， 并指出存在问题及发 展趋势。 研究成果表明“异径分台阶止水” 、“一孔同径分层止水” 均可实现分层止水。“异径分台 阶止水” 管外止水主要采用填砾、 黏土球止水， 管内止水常采用胶塞止水器止水；“一孔同径分层 止水” 主要采用 Packer 分层止水技术， 该技术是分层止水技术的发展趋势。 关键词 分层止水； 止水材料； 抽水试验； 含水层； 水文地质 中图分类号 TD745＋．2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 02-0084-07 Research Progress of Stratified Water Stop Technology for Multilayer Aquifer LI Xiaolong1,2,3, DONG Shuning1,3, LIU Kaide4 （1．China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China;2．College of Geology and Environment, Xi’ an University of Science and Technology, Xi’ an 710054, China;3．Shaanxi Provincial Key Lab of Mine Water Disaster Prevention and Control Technology, Xi’ an 710054, China;4．Shaanxi Key Laboratory of Safety and Durability of Concrete Structure, Xijing University, Xi’ an 710123, China） Abstract Stratified pumping can obtain accurately hydrogeological parameters, and the effect of stratified water stop determines the success of stratified water pumping． To summarize the research achievements of the stratified water stop, on the basis of literatures published in recent years, with the of drawing, analysis, we summarize the layered water stop technology research status quo, and point out existing problems and developing trend． Research results show that “variable diameter and different steps to stop water” , “one hole with the same diameter to stop water”can achieve stratified water stop, of which “variable diameter and different steps to stop water”outside the casing mainly fills with gravel and clay ball, often uses glue plug device to stop water inside the casing, Packer is mainly used in the stop water of “one hole with the same diameter to stop water” , which is the development trend of stratified water stopping technology． The research results provide a reference for project of the stratified water stop． Key words stratified water stop; sealing material; pumping test; aquifer; hydrogeology 近年来因水文地质条件不清，造成矿井采掘失 衡， 矿井防治水工作难度加大， 对煤矿安全生产造成 严重的影响[1]。分层抽水可准确获取地下水的水力 学参数， 取得含水层在空间的化学场、 动力场、 温度 场的数据，对于深刻认识水文地质条件，合理概化 水文地质模型， 精确评价地下水资源， 指导矿井防治 水工作， 实现 “保水采煤” 的愿景， 起着至关重要的 作用。 早在 20 世纪 50 年代，我国水文地质工作者通 常采取针对每 1 个含水层施工 1 个钻孔，或按试验 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．019 李晓龙， 董书宁， 刘恺德． 多层含水层分层止水技术研究进展 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2 ） 84-90． LI Xiaolong, DONG Shuning, LIU Kaide． Research Progress of the Stratified Water Stop Technology for Multilayer Aquifer［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 84-90．移动扫码阅读 84 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 1管外永久止水、 管内变径止水示意图 Fig.1Water-exclusion outside casing permanently, water- exclusion inside different diameters casing 图 2管内变径止水示意图 Fig.2Water-exclusion inside different diameters casing 含水层的顺序，将含水层依次用套管隔开，以实现 分层抽水，但此方法需花费大量的人力、物力和时 间， 尤其当钻孔深度过大， 含水层呈层状结构时， 施 工难度更大。也有学者提出采用混合抽水的方法解 决分隔含水层的困难，以求取各含水层的水文地质 参数，但混合抽水结果往往无法分析，且计算公式 复杂，求取的水文地质参数误差较大，可见分层止 水成井、分层抽水的重要性与紧迫性，为此我国水 文地质工作者紧紧围绕分层抽水技术的相关设备、 技术、 材料等方面开展了大量的研究工作[2]。 分层抽水的前提是止水成井，包括管外止水和 管内止水，止水效果决定着分层抽水的成功与否， 止水材料、 设备则对止水工作产生直接影响[3]。现阶 段我国水文地质勘查分层止水技术已形成“异径分 台阶止水” 、“一孔同径， 分层止水” ； 止水材料有水 泥、 黏土球、 止水胶带、 海带、 黄豆、 膨胀橡胶、 油绳、 油棉线、 桐油石灰、 牛肉、 封隔器 （Packer） 等。2016 年， 中国地质调查局水环中心采用 Packer 封隔分层 止水技术圆满完成了 5 层水文地质钻孔分层抽水 试验，是目前国内外最复杂的地下水分层抽水试 验。虽然分层止水技术已取得一些成绩，但总的来 说， 针对不同地质条件、 经济条件、 工况， 分层止水 技术应用仍较复杂。 为此， 对我国多层含水层分层止水 技术的研究现状进行系统总结，并提出存在问题及研 究方向， 以期为多层含水层分层止水技术提供借鉴。 1异径分台阶止水技术研究现状 含水层的个数决定钻孔结构， 一般情况下， 含水 层个数与钻孔孔径级数相同，自上而下孔径逐级减 小， 故通常采取多级扩孔， 大径成井， 以下入多级井 管、 滤水管， 实现分层止水。异径分台阶止水技术包 括自上而下分层止水、自下而上分层止水，一般同 一钻孔仅能做 2～3 层抽水试验。 1.1自上而下分层止水技术 自上而下分层止水成孔工艺 一次成孔， 逐层止 水； 分阶段成孔， 依次对各含水层分层止水。 1） 管外永久止水， 管内变径止水。 1984 年， 金立 元等针对潜水含水层、承压含水层组分层抽水试 验， 采用分层填砾、 黏土球的方法进行管外止水， 采 用井内预设止水圆盘工艺进行管内止水，亦采用异 径截锥型滤水管接头与特制的胶塞进行管内止水。 针对承压水顶托力过大造成井内止水塞无法下入的 情况， 在原胶塞的基础上设计了能开、 关的 “卸压活 门” 装置， 使胶塞顺利下至止水位置， 实现分层止水[4]。 井结构示意图、 异径截锥示意图、 特制胶塞示意图、 圆盘止水示意图如图 1。 2017 年， 郝国利等人在张家 口后备水源地勘查项目分层抽取 2 层地下水时， 采 取大口径一径到底， 管外填砾、 黏土球止水， 管内变 径止水，既实现分层抽水，亦可观测上下含水层水 位变化。管内变径止水示意图如图 2[5]。 2） 管外管靴止水， 管内逐层抽水。1988 年， 韩树 青在陕北煤田水文地质勘探时， 针对松散含水层、 承 压含水层分层止水， 地层构造简单， 裂隙不发育的地 层， 采用管靴止水法， 提出小口径套管在止水位置焊 接止水环， 止水环下部缠绕 1.2～1.5 m 长的油棉线， 依靠套管自重将油棉线压实坐于变径位置，实现管 外止水[6]。 1994 年， 国永久分析了管靴止水器的工作 85 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 原理[7]。2013 年， 李学良参考文献[6]方法， 在河南省 平顶山市深部煤炭资源勘查水文孔分层抽水时， 提 出借助岩心管将黏土球、砖块、扫把杆等送入到隔 水层段合理位置架桥隔开上下含水层，随之下入井 管、滤水管，井管在变径处连接止水压盘实现管外 止水，止水压盘下部缠绕 1 m 长的油浸棉盘根线， 待抽取上层水结束后，拔出所有套管，下钻透开架 桥， 再次扩孔， 重复上述流程， 抽取下层水[8]。2015 年， 张云峰、 孙增兵、 王斌斌等人也分析了管外变径 海带止水的缺点[9]。 3） 管外永久止水， 管内双封压缩止水器止水。 2008 年，张建良针对第四系 2 个含水层分层止水， 采用管外填砾、 黏土球止水， 管内止水装置止水， 包 括压缩止水器、 双封止水器、 花眼钻杆， 止水材料为 橡胶、 海带[10]。 双封压缩止水器分层抽取 2 层地下水 示意图如图 3。2013 年， 邱长健、 郭丽娟， 2017 年， 敖 文龙等亦分析、 借鉴此技术， 实现了分层止水[11-13]。 2017 年， 何计彬等分析了此技术存在的问题[14]。另 1994 年， 国永久分析了异径压缩止水器工作原理[7]。 4） 管外止水圆盘止水， 管内架桥止水。2007 年， 图 3双封压缩止水器分层抽取 2 层地下水示意图 Fig.3The using of double seal compression water exclusion device in stratify extracting two layers of groundwater 王淑梅等在辽宁省康平县某井筒检查孔分层抽取 4 层地下水时， 将焊接好的沉淀管、 滤管、 井管一次入 井，管外各层变径止水处预留止水圆盘，并用止水 胶带缠绕， 管内 3 处变径均装入长度不小于 5 m 的 木塞， 附黏土止水， 实现管内架桥， 待上部含水层抽 水结束后， 透开第 1 个止水木塞， 再次下入大于下一 级，小于上一级井管的套管分隔上部含水层，逐次 完成分层抽水[15]。2011 年， 王海波针对两淮煤田新 生界松散含水层抽取 “底含” 水试验， 提出采用止水 圆盘异径压力黏土加注浆法，即向止水圆盘上部井 管与井壁环空注入水泥浆完成管外止水，止水圆盘 下部第 1 根套管内预制 2 m 长的水泥柱， 待环空候 凝合格后， 下钻扫开水泥柱， 抽取下层水[16]。 5） 管外变径止水， 管内逐层抽水。2016 年， 赵宗 昌分析了逐层钻穿含水层，下止水管隔离上部含水 层， 完成抽水试验后， 起拔止水套管， 再钻穿下部含 水层以抽水的缺点[17]。 1.2自下而上分层止水技术 1） 管外止水托盘止水， 管内止水圆盘止水。 2004 年， 曾可平等在准噶尔盆地施工水文勘探孔， 针对 2 层含水层分层止水，管外采取止水位置预先安装 2 个止水托盘， 附以海带、 锥形止水橡胶圈止水， 管内 隔水管底部焊接止水托盘，托盘底部安装止水橡 胶， 或在托盘上部捆绑 2～5 m 长的海带以实现管内 止水。隔水管底部预留水眼抽取下层水， 之后可采取 拔出抽水管， 封闭隔水管进水口， 选用灌满铁砂粉钢 管， 利用反丝钻具将钢管送至变径止水处， 实现永久 止水， 亦可将下部抽水管拔出， 封闭隔水管进水口， 对 托盘上部一定范围内的隔水管割圆孔， 使上层水进入 隔水管[18]。2013 年， 安文久在甘肃民勤县水源孔两层 含水层分层抽水试验中，亦采用此方法完成管外、 管 内止水[19]。 2） 多级套管逐层完成分层止水。2015 年， 张云 峰、孙增兵等人在新疆准东煤田水文地质勘探孔分 层抽取 3 层地下水时， 提出将钻孔扩孔为三级孔径， 依次下入一级、 二级套管至相应变径处， 且均在套管 底部缠绕厚海带止水，下入三级井管及滤管完成下 部含水层抽水，之后拔出井管、滤管，注浆封堵该 层， 同理逐次完成上部含水层抽水[9]。 3） 管外止水托盘止水， 管内止水器止水。2016 86 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 4钻孔简易同径止水示意图 Fig.4Simple water exclusion with same diameter borehole 图 5反丝钢管止水示意图 Fig.5Reverse steel pipe water exclusion 年，赵宗昌等以白水煤矿井筒检查孔 3 层含水层 分层抽水试验为例，采取钻进至第一含水层底界 时停钻进行抽水试验。下部 2 个含水层采用小径 钻至终孔， 扩孔下入一级套管， 套管外焊止水托盘 隔开第一含水层， 第二含水层下入二级滤管， 第三含 水层将钻杆兼作出水管、 止水管， 并在钻杆外焊接可 压缩止水器隔开第二含水层， 待第三含水层抽水结束 后， 水泥封堵此含水层， 再次抽取第二含水层水[17]。 4） 管内胶塞止水， 管外水泥止水。2017 年， 万 亿、韩柳等进行新疆伊犁谷地水文地质环境地质调 查评价项目勘探孔分层抽取 2 层含水层水时，采取 大口径一径到底， 下入二级井管、 滤管， 利用钻杆通 过井管与孔壁环空注水泥完成管外下部含水层止 水， 管内变径胶塞止水[20]。 2一孔同径分层止水技术研究现状 一孔同径分层止水主要包括传统分层止水技 术、 Packer 分层止水技术， 传统分层止水技术一般可 实现 2 层含水层的分层止水， Packer 分层止水技术 可实现多层含水层分层止水。 2.1传统分层止水技术 1 ） 管外止水器止水。19651978 年， 云南省地 质局第八地质队设计钻孔简易同径止水器，在止水 位置孔壁处完成止水，止水材料为桐油石灰，实现 一孔多用。止水器由异径接头、 短管、 岩心管接箍、 连接锁母和连接接头组成， 短管一般长 0.8～1.2 m， 若 孔壁不完整可适当加长。止水器的下端连接支撑管 （套管或钻杆） ， 当支撑管下至孔底， 反转止水管回 动使连接锁母与连接接头脱离，止水管就压缩止水 物堵塞孔壁间隙， 达到止水目的[21]。 钻孔简易同径止 水示意图如图 4。 1994 年， 东煤地质局国永久分层抽 取 2 层地下水， 设计了同径压缩止水器， 包括外套压 缩管、内套伸缩管，外套管下压附在内套管上的止 水材料，使止水材料在外压环下部托盘间横向膨胀， 充满孔壁和套管的空间， 分隔上下含水层[7]。1994 年，中国煤田地质总局第二水文队王永全等在某矿 区水源地大口径井分层抽取 2 层水时，利用止水器 采取同径止水法， 结合钻杆、 单向逆止阀、 水泥封隔 上部含水层， 候凝合格后， 继续钻进下部含水层[22]。 2） 管外永久止水， 管内止水塞止水。1996 年， 杨 建新、刘王新在南阳油田水源地抽水试验孔分层抽 取 2 层水时， 采取大口径一径到底， 管外填砾、 黏土 球止水， 管内采用钻杆、 钢板、 橡胶圈制作的止水塞 止水。为了克服抽上层水时，止水塞受水泵的抽吸 作用和水头压力作用向上浮动，造成止水塞在井内 错位，以及抽完水后止水塞不易对扣拔出，特设计 “笼状式” 吊装水泵装置[23]。 3） 管外永久止水， 管内反丝装置止水。2008 年， 张建良分析了 2 层含水层常用分层止水方法的缺 点， 即管外填砾、 黏土球止水， 抽取上层水时管内采 用钻杆连接 7～10 m 长的反丝钢管， 钢管外侧加工 3 组止水装置， 止水材料为膨胀橡胶， 抽取下层水时 采取自井口直接下入带有 3 组止水装置的钢管至 止水位置[24]。反丝钢管止水示意图如图 5。2017 年， 何计彬等分析了此技术存在的问题[14]。 2.2Packer 分层止水技术 2015 年，中国地质调查局水文地质环境地质调 查中心吴宏涛、 郑继天等依托 “黑河流域重点地区水 文地质调查” 、“三江平原高标准农田区水文地质调 查” 项目， 研制了地下水分层抽水采样系统， 主要由充 气封隔系统 （Packer ） 、 抽水系统、 压力传感系统组成。 87 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 9胶筒式封隔器抽水示意图 Fig.9Rubber-sleeve packer in pumping water 图 7管内分层止水器具安装示意图 Fig.7Installing of stratified water exclusion device in casing 图 8双封隔器连接实物图 Fig.8The connection of physical double packer 将上、 下充气封隔器下入井中止水位置， 使试验目的 层段与其上、 下非目的层段隔离[25]。分层抽水原理示意 图如图 6， 管内分层止水器具安装示意图如图 7， 双封 隔器连接实物图如图 8。 2017 年， 孙芳强等在新疆三工 河流域采用此技术实现了第四系含水层同径止水[26]。 2016 年， 张建伟、 杨卓静等在黑河流域水文地 质调查时， 针对深孔分层止水， 设计了封隔器， 由高 压氮气瓶、 导气管、 胶桶和水管组成， 封隔装置放置 于两含水层止水实管处[27]。 2017 年，何计彬等在陕甘宁革命老区 1∶5 万水 文地质调查项目中利用特制充气胶筒式封隔器完成 第四系、 第三系 3 个含水层的分层抽水试验[14]。 胶筒 式封隔器抽水示意图如图 9。 3存在问题及研究方向 1） 异径分台阶止水技术， 随着含水层个数的增 多， 井径不断增大， 井壁稳定性差， 井斜要求高， 易 出现扩径现象， 多级扩孔费用高， 耗费管材多， 技术 操作难度大， 止水效果较差， 获取的分层水文地质参 数准确性较一般。因此亟待研究、 推广应用 “一孔同 径 Packer 分层止水” 技术。 2） 异径分台阶止水技术一般仅能实现 2 层含水 层分层止水， 虽文献 ［15， 17-18］ 完成了 3～4 层含水 层的分层止水，但需多次下入、拔出多级井管、 滤 管， 效率低下， 止水效果的不确定性极大， 可能造成 止水失败， 或者钻孔报废， 因此应重点研究简化钻孔 结构， 缩小井径， 一次成孔， 节省管材的止水技术， 或 优化抽水次序， 结合成井工艺， 实现分层止水。 3） 止水材料、 器具宜采用无污染的多种材料相 结合的方法， 形成多层止水结构， 确保止水质量。 4） 目前管外止水主要采用填砾、 黏土球的方法， 二者的填入位置至关重要。若出现填砾超高止水位 置的事故， 处理无果会造成止水材料无法填入； 若止 水位置在 300～500 m 时，无法实施常规黏土球止 水。此时可重点尝试采用双封隔器灌注水泥分层止 图 6分层抽水原理示意图 Fig.6The principle of stratify groundwater extraction 88 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 10双封隔器灌注水泥分层止水示意图 Fig.10Cementing for stratified water exclusion 水技术实现分层止水。双封隔器灌注水泥分层止水 示意图如图 10。 5） 遇水膨胀橡胶作为一种新型的止水橡胶材 料， 具有优异的止水堵漏功能， 既能适应结构变形， 起弹性密封作用，又具有吸水膨胀，以水止水的特 殊功效。因此应重点研发环保膨胀橡胶材料， 提高止 水性能， 结合止水器具实现止水功能。 4结论 1 ） 现阶段，“异径分台阶止水” 管外止水通常采 用填砾、黏土球永久止水，或者止水圆盘辅以止水 材料止水；管内止水常采用胶塞止水器具，辅以止 水材料止水， 亦有采用管内架桥止水。 2） “一孔同径分层止水” 是多层含水层分层止水 的主要发展方向，尤以 Packer 分层止水技术为主， 可真正实现 “一孔同径， 分层抽水” ， 缩短施工周期， 便捷获取水文地质参数，亦可实现多层水文地质孔 的长期分层监测。 3） 管外填砾、 黏土球止水， 止水效果存在不确定 性，可能出现填砾位置偏差等，因此在具体止水过 程中， 应综合多种成井工艺、 止水方法、 止水材料、 止水器具以实现分层止水。 参考文献 ［1］ 李晓龙， 王英， 安秀煜， 等．澄合矿区百良煤矿矿井水 害隐蔽致灾因素 ［C］ //煤矿隐蔽致灾因素及探查技术 研究.北京 煤炭工业出版社， 2015 76-81. ［2］ 葛亮韬．关于混合抽水试验分层计算方法的探讨 ［J］ . 水文地质工程地质， 1957， 4 （1） 31-38. ［3］ 张海．水文地质勘探孔分层抽水试验技术实践 ［J］ .城 市建设理论研究 （电子版） ， 2018 （17） 92. ［4］ 金立元.多层含水层抽水试验分层止水方法介绍 ［J］ . 地下水， 1984， 4 （2） 29-33. 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采空区充填注浆、 影响区域残余变形监测” 的综合防 治技术， 取得良好治理效果。 关键词 采空区； 波速测试； 压水试验； 发育特征； 注浆充填法 中图分类号 TD327文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 02-0090-07 Exploration and Comprehensive Treatment Technology of Overburden Fracture in Underlying Goaf of Reservoir HUANG Jianfeng1,2, WU Zhang2, WANG Yutao2, DUAN Peiran1,2, LI Yongqiang1,2, ZHANG Hao1,2 （1．China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2．China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China） Abstract Taking the grouting filling treatment project in the goaf of 8712 working face of Huoshizui Coal Mine as the background, based on the theory of mining subsidence and the of combining borehole wave velocity test and pressure water test, the characteristics of fracture development in overburden strata after fully mechanized caving are expounded． The results show that during the overall movement of the overlying strata after fully mechanized caving mining, the integrity of the rock mass was damaged to varying degrees, and a tensile gap with a horizontal width of about 60 m was ed at the edge of the goaf． The comprehensive treatment technology of “seepage-proofing at the bottom of the reservoir, full-clay filling and grouting in the goaf, and monitoring the movement and deation of the affected area”has achieved good governance effects． Key words goaf; velocity measurement; water pressure test; development characteristics; grouting filling 煤炭资源大规模开发对我国国民经济发展有巨 大的推动作用，同时引发生态环境恶化的问题也日 益凸显。据相关统计，煤矿井工开采平均每采出万 吨原煤， 地表土地沉陷面积约为 0．2～0．33 hm2， 我国 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．020 黄健丰， 吴璋， 王玉涛,等．水库下伏采空区覆岩裂隙探查与综合防治技术 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2 ） 90-96． HUANG Jianfeng, WU Zhang, WANG Yutao, et al． Exploration and Comprehensive Treatment Technology of Overburden Fracture in Underlying Goafof Reservoir ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 90-96．移动扫码阅读 90 ChaoXing