郭家滩矿井沙层水文孔施工实践.pdf

124白保国 郭家滩矿井沙层水文孔施工实践 2020 年 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 摘要榆神矿区煤炭开采面临的主要问题是处理好煤和水的关系，做好矿井水文地质情况的勘查 和研究工作对矿井生产安全起着至关重要的作用。为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，郭家滩矿井在先期开采地段内布设8个专项水文钻 孔，在探讨了钻孔施工工艺后，对第四系松散沙层进行了抽水试验。结果表明，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；改变了井筒作 业原定的施工设想，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 供了依据;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。 关键词含水层；沙层水;水文钻孔;抽水试验;井筒作业 中图分类号TD265 文献标志码B 文章编号1671 -749X2020 05-0124- 04 Construction pra ctice of hydrologica l drilling in sa nd la yer of Guojia ta n mine BAI Ba o -g uo Shaanxi 185 Coalfield Geology Co., Ltd., Yulin 719000, China Abstra ct Th e ma in pr o blem o f c o a l mining in Yush en mining a r ea is t o d ea l w it h t h e r ela t io nsh ip bet w een c o a l a nd w a t er , so d o ing a g o o d jo b in t h e explo r a t io n a nd r esea r c h o f mine h yd r o g eo lo g ic a l c o nd it io ns pla ys a n impo r t a nt r o le in t h e sa f et y o f mine pr o d uc t io n. In o r d er t o f ind o ut t h e d ist r ibut io n, t h ic kness a nd h yd r o g eo lo g ic a l c h a r a c t er ist ic s o f t h e ma in a q uif er in t h e mine, a nd t o eva lua t e t h e impa c t o f sa nd la yer w a t er o n t h e mining, eig h t spec ia l h yd r o lo g ic a l bo r eh o les w er e c o nst r uc t ed in t h e f ir st mining sec t io n o f Guo jia t a n mine, a nd t h e pumping t est w a s c a r r ied o ut o n t h e Qua t er na r y lo o se sa nd la yer . Th e r esult s sh o w t h a t t h e ma in a q uif er o f Guo jia t a n mine is Sa la w usu f o r ma t io n,t h e la t er it e la yer a r o und t h e sh a f t h a s g o o d w a t er r esist ing ef f ec t, t h e a q uif er t h ic kness is r ela t ively sma ll, a nd t h e w a t er vo lume is c o nt r o lla ble. Th e r esea r c h pr o vid es a ba sis f o r t h e selec t io n o f sh a f t o per a t io n mo d e a nd t h e pr event io n mea sur es o f sur f a c e w a t er in t h e pr o c ess o f c o a l mining . In t h e c o nst r uc t io n,t h e new d r illing t ec h no lo g y a nd met h o d o f ba ll-t h r o w ing t ype lo o se la yer c o r ing met h o d h a ve been w id ely used . Key words a q uif er ； sa nd la yer w a t er ； h yd r o lo g ic a l d r illing ； pumping t est ； sh a f t o per a t io n oo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 收稿日 2020-06-04 作者简介白保319 68-,男，陕西乾县人,2015年毕业于中国地 质大学资源勘探专业，工程师,现从事钻探技术工作。 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为 此,在先期开采地段内按照相关施工标准〜句，布设 8个专项水文钻孔，对第四系松散沙层进行抽水试 第5期 白保国郭家滩矿井沙层水文孔施工实践 125 验,采用稳定流抽水试验查明第四系松散沙层的富 水情况。 11地层及含水层 1-1-11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。 地层分布地层由老到新依次有三叠系上统永 坪组（丁3刃，侏罗系下统富县组（J/）,侏罗系中统延 安组（助）、直罗组（环）、安定组（），白垩系下统 洛河组（K』），新近系上新统保德组（凡6）,第四系 中更新统离石组（Q2Z）,第四系上更新统萨拉乌苏 组（Q3S）,第四系全新统风积层（Q/“）和冲洪积层 （Q““）。新近系上新统保德组红土为郭家滩矿井 的第1个相对隔水层，之上的地层由老到新依次有 第四系中更新统离石组（Q2。，第四系上更新统萨 拉乌苏组（Q3S）,第四系全新统风积层（Q；“）和冲洪 积层（Q；““）。 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o 139. 50 m,平均厚度 38.23 mo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。 1.21.2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 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，呈平缓梁昴地形，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一西营盘壕一带，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。 22钻孔施工工艺 2.12.1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O 表表1钻孔类型及深度钻孔类型及深度 钻孔类型钻孔号钻孔深度 GK7-3562.15 水文兼探煤钻孔 GK10-5545.56 GK15-2514.16 S157.46 S267.00 S389 .68 专项水文钻孔 S416.12 S551.89 S625.60 S746.00 S845.9 0 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。 2.22.2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Q130 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 （/127 mm取土器钻进，到达目的层后，再换用 （/400 mm扩孔钻头进行扩孔。 126 陕西煤炭 2020 年 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0轲0 mm扩钻头扩孔至孔底,含水层 段下入0219 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 r r nn左右;上部为 不含水的沙层,下入0219 mm实管至孔口，管壁与 孔壁间填入24 r r nn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 mmo以S1专项 水文孔为例,钻孔结构如图1所示。 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“呵。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财c n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400 nnn扩孔钻 头068 mm钻铤捣80 mm扶正器1 m 68 mm 钻铤0380 mm扶正器1 m 50 mm钻杆。 下套管前的准备为保证0219 mm套管的顺利 入井，下套管前要进行“试跑,用两根0219 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。 33抽水试验及结果 3.13.1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，用管靴送止水，采用水位差法检査止水效 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 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8h。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 m7h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 m0 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1/2O 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。 3.23.2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[U-13]o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査止水 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 第5期 白保国郭家滩矿井沙层水文孔施工实践 127 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。 3.33.3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。 表表2抽水层段及质量成果汇总抽水层段及质量成果汇总 孔号孔深An抽水层段水位降深/m 延续时间/h稳定时间/h 水位误差/流量误差/曲线试验评级 6.1324230.2170 S157.46 Q35 13.301090.1220正常优 19 .751090.0440 6.9 124220.2410 S267.00 Q3 13.64980.2000正常优 19 .78980.1890 3.3424230.2410 S389 .68 Q3S 6.6015140.2700 正常优 10.151090.09 10 3.0526240.5300 S416.12 Q3 6.1312110.5840正常优 9 .336150.49 70 3.0724160.7880 S551.89 Q3S 6.131090.4370正常优 9 .651090.2890 Q3S 3.4124230.5240 正常合格S625.60 7.0020190.1350 3.2924230.1770 S746.00 Q3 6.611090.3350 正常优 9 .711090.4140 3.3024230.3040 S845.9 0 Q3S 6.871090.19 70正常优 10.231090.2220 3.5024230.5360 GK7-3562.15 Q3S 6.781090.4510正常优 10.24980.2430 4.8624230.7170 GK10-5545.56 Q3S 9 .101090.3300正常优 15.39980.2860 3.0124210.5120 GK15-2514.16 Q3S 6.0114120.2890正常优 9 .0118170.2020 44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。 参考文献 [1] 中华人民共和国国土资源部.文献著录煤、泥炭 地质勘查规范非书资料DZ/T 02152002 [ S]. 北京地质出版社,2002. [2] 中国煤炭工业协会科技发展部.文献著录煤炭 地质钻探规程非书资料MT/T 10762008 [S], 北京地质出版社,200在离心泵前端增加诱导轮,提高水泵入口 的液体压力,提高水泵效率,能在水泵选型时减小水 泵的尺寸和重量,优化排水泵的结构形式；定期使用 超声法、泵体噪音、振动监控,及时发现水泵机组的 非正常工况，并进行相应应急处置。 3.33.3排水泵系统优化措施 可考虑将排水泵选取为大叶片的多级离心式水 泵,降低水流在管路中流速;水泵进口处尽量设置诱 导轮，或者在吸入口加装吸入阀，可通过吸入阀进行 性能曲线调整，通过加大流量使性能曲线临界点向 右上移动,相反向左下方移动;减少排水系统流道中 表面粗糙度，并且减少管路起伏,降低流动过程的阻 力损失;主排水泵压出侧应设置旁路管，可将压出的 水流重新带入吸入侧,工作点会移动到驼峰右侧稳 定区;选取高强度的过流元件来增加其耐久性。 44结语 矿用离心式主排水泵受到多种因素影响会出现 喘振和汽蚀现象,导致设备运行异常。通过对这两 种现象的分析，提出针对避免进气、汽蚀的方法和优 化排水系统的措施,确保矿用离心式排水泵正常运 转,对增强设备的工作寿命具有一定的作用。 参考文献 [1] 张振铎.泡状入流条件下离心泵叶轮内气液两相 流动特性及对泵性能影响实验研究[D].西安西 安理工大学,2019. [2] 宋寅刚.矿井主排水泵产生噪声喘振原因分析及 防护措施研究[J]-机电工程技术,2018,4710 177-178. [3] 陈刚.煤矿主排水泵产生噪音喘振效率下降防护 措施[J ] 煤炭技术,2007,2612 108-109. [4] 汤灵愈，赵英凯，俞辉.火电厂给水泵防喘振监控 系统仿真研究[J] 机械与电子,2005,23⑻74-75, [5] 李良庚，刘梅清，刘德祥.泵系统中的喘振现象 [J].水泵技术,2001,4237-11. [6] 段君毅.转炉除尘浊环水泵的喘振故障分析及解 决方案[J].山西冶金,2019,423 22-23, [7] 朱龙辉.矿井排水泵汽蚀及其安全检测[J].湖南 安全与防灾,2006,912 54-55, [8] 汤立宏.浅谈水泵的汽蚀现象及防治措施[J].装 备制造,2009,34102-103. 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