单孔分层抽水法的改进及在准东煤田的应用_张云峰.pdf

第 44 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.3 2016 年 6 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Jun. 2016 收稿日期 2015-03-15 基金项目 国家自然科学基金项目（41172222，41472216） Foundation itemNational Natural Science Foundation of China（41172222，41472216） 作者简介 张云峰（1974），男，陕西渭南人，硕士，研究员，从事水文地质及工程地质工作. E-mailyfeng_zhang。 引用格式 张云峰，孙增兵，王斌斌，等. 单孔分层抽水法的改进及在准东煤田的应用［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（3）92-96. ZHANG Yunfeng， SUN Zengbing， WANG binbin， et al. Amelioration of hierarchical of single borehole pumping test and its application in Zhundong coalfield［J］. Coal Geology Exploration， 2016， 44（3）92-96. 文章编号 1001-1986（2016）03-0092-05 单孔分层抽水法的改进及在准东煤田的应用 张云峰 1，2，孙增兵3，王斌斌3，邢立亭4 （1. 中国矿业大学（北京）地测学院，北京 100083；2. 山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014； 3. 山东省地质测绘院，山东 济南 250002；4. 济南大学资源与环境学院，山东 济南 250022 ） 摘要 准东煤田地层具有固结较弱、水敏性及抗扰动性差的特点，传统自上而下的分层抽水试验方 法在该地区容易引发孔内坍塌、上下层之间的止水失败、套管、井管和滤水管难以拔出等问题，造 成抽水试验结果偏差较大或失败。在实践分析的基础上提出了自下而上分层抽水试验的方法，有效 地解决了传统自上而下分层抽水方法存在的问题，采用稳定流抽水试验求取的水文地质参数与矿区 的实际条件相吻合，而且易于实施，经过在准东煤田钻孔抽水试验中的应用，取得了较好的效果， 对同类型煤田勘探钻孔抽水试验具有一定的指导意义。 关 键 词准东煤田；抽水试验；自下而上分层抽水法；传统方法 中图分类号P641.2 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.03.017 Amelioration of hierarchical of single borehole pumping test and its application in Zhundong coalfield ZHANG Yunfeng1，2， SUN Zengbing3 ， WANG Binbin3 ， XING Liting4 （1. College of Geoscience and Surveying Engineering， China University of Mining and Technology（Beijing）， Beijing 100083， China； 2. Shandong Geo-mineral Engineering Exploration Institute， Jinan 250014， China； 3. Shangdong Geological Surveying and Mapping Institute， Jinan 250002， China； 4. School of Resources and Environment， University of Jinan， Jinan 250022， China ） Abstract Strata in Zhundong coalfield are weakly consolidated， sensitive to water and poor in anti- disturbance， so traditional hierarchical top-down pumping test in the area easily leads the hole collapse， sealing failure in the adja- cent aquifers， difficulties in pulling out well pipes and filter pipes. All these problems have resulted in large devia- tion or failure of the pumping test results. Based on the practical analysis， the bottom-top hierarchical of pumping test was put forward. It effectively solved the problems of the traditional and is easy to implement. Hydrogeological parameters of steady flow pumping test obtained by this accorded to the actual conditions in the mining area. After pumping test in Zhundong coalfield， the bottom-top hierarchical of pumping test has obtained good effect and certain guiding significance for the hole pumping test of the same type of coalfield. Key words Zhundong coalfield； pumping test； the bottom-top hierarchical of pumping test； traditional 新疆准东煤田资源储量丰富，预计可达 3 900 亿 t，是我国最大的整装煤田，其中大部分区域已进 入详查、勘探阶段，下一步面临进行开发的重大任 务。而井田设计离不开准确的水文地质参数，这则 需要通过钻孔抽水试验来确定。目前，国内对该地 区钻孔抽水试验的研究不多，仅限于一些矿区的水 文地质条件及充水因素等［1］。 新疆准东煤田发育有自石炭纪以来的含煤建 造，主要含煤地层为侏罗系，由泥岩、砂岩、砾岩 及砂岩与泥岩的互层、夹层组成［2］。侏罗系上覆地 层为新近系， 主要由泥岩及底部的砾岩组成。 这类 地层的共同特点是固结较弱，遇水容易软化和分 解，泥岩层则容易遇水膨胀［3］。在进行分层抽水试 验时， 按照传统的抽水方法， 工作当中碰到过孔壁 坍塌、止水失败、套管起拔困难等情况，导致抽水 试验无法继续进行或出现抽水时地下水串层的现 ChaoXing 第 3 期 张云峰等 单孔分层抽水法的改进及在准东煤田中的应用 93 象，无法取得准确的水文地质参数。因此，亟需探 索适合于该地区的钻孔分层抽水试验的方法。 1 按传统方法抽水钻孔设计及存在问题 1.1 抽水钻孔设计 1.1.1 钻孔揭露的地层及含水层划分 以库兰喀孜干矿区 ZK16-3 钻孔为例。 a. 钻孔揭露的地层自上而下分别为第四系砂 土层，新近系独山子组的泥岩、泥灰岩、粉砂岩， 侏罗系中上统石树沟群的细砂岩、中砂岩、粗砂岩、 泥岩及其互层；侏罗系中统西山窑组的煤系地层。 b. 由于这些地层总体含水性较弱，含水层的划 分按照相对性的原则，在库兰喀孜干矿区中，通常 把地层中的中砂岩、粗砂岩、砾岩及其他岩层中裂 隙比较发育的区段划为含水层， 而将较完整的泥岩、 粉砂岩、细砂岩划为隔水层［4］。按照这个原则，钻 孔从上到下包含三个较大的含水层段，分别为新近 系的第一含水层段，侏罗系石树沟群的第二含水层 段，侏罗系煤系地层的第三含水层段。 c. 钻孔 ZK16-3 揭露的地层及含水层段见表 1。 1.1.2 孔深与井径 根据 ZK16-3 地质孔的地层、煤层的岩性、深 度，以及总体设计对水文地质钻孔进行第近系、侏 罗系石树沟群及煤系地层抽水试验的要求，综合考 虑各种因素，确定将已完成地质孔扩孔为抽水试验 孔，先将上部 0～104 m 扩至ϕ190 mm 的井径，再将 中部 104～370 m 扩至ϕ146 mm 的井径， 最后将下部 煤系地层 370～794 m 扩至ϕ110 mm 的井径［5］。 表 1 钻孔 ZK16-3 揭露的地层及含水层段统计表 Table 1 Statistics of exposed strata and aquifer of borehole ZK16-3 序号 深度/m 地层时代 岩性及描述 含水层段及厚度 1 0～13 Q 主要为砂土层，含粉土、圆砾等。孔隙发育，呈散体结构 2 13～104 N 上部主要为泥岩，有泥灰岩夹层，局部岩心破碎。下部为粉砂岩，岩心较完整 32.8～44.1 m，共约11 m 3 104～370 J2-3 以细砂岩、粉砂岩为主，中间夹有多层中砂岩、粗砂岩、泥岩等，岩心较完整 209～362 m，共5层42 m 4 370～794 J2 以煤层及粉砂岩、细砂岩为主，中间夹中砂岩、粗砂岩及泥岩，岩心完整 384～722 m，共6层63 m 1.1.3 抽水试验流程 在地质孔扩孔完成以后，先拔出钻孔中的全部 套管［6］，下入带有止水措施的ϕ168 mm 井管与滤水 管（滤水管长约 20 m），洗井达到要求后做第一含水 层段的抽水试验；结束后，拔出ϕ168 mm 井管与滤 水管， 下入ϕ168 mm 底部管外带止水措施的套管［7］， 再下入ϕ127 mm 底部带止水措施的井管与滤水管 （滤水管长约 180 m，对应于含水层位置分别与井管 焊接），洗井达到要求后做第二含水层抽水试验；结 束后，先拔出ϕ127 mm 的井管与滤水管，再下入底 部管外带止水措施的ϕ127 mm 的套管，随后再下入 ϕ108 mm 的井管与滤水管（滤水管的长度与焊接同 第二含水层段）至孔底，洗井达到要求后进行第三含 水层段的抽水试验。各段滤水管长度根据地质孔成 孔后的含水层厚度及物探测井结果来确定［8］。 1.1.4 止水 下入的井管与滤水管底部封闭，焊接有接手， 下接与下段孔径相同直径的止水塞。同时井管底部 外围缠绕一定厚度的海带止水层并外包铁纱网［9］（第 三含水层段不需要）。下入的套管底部开放，管壁底 部外围仿照井管进行止水。 1.2 按照传统抽水试验方法遇到的问题 a. 传统的抽水方法需要多次提下套管、井管和 滤水管，会对孔壁形成多次扰动，引发孔壁坍塌， 堵塞钻孔，造成套管、井管与滤水管的无法下入， 轻者需要重新透孔，严重者可能会导致抽水试验无 法继续进行。 b. 上部地层的洗井和抽水试验，极易造成钻孔 的扩径，曾经有一个钻孔在抽水试验后经测井发现 其局部孔径可达 500 mm， 如果扩径发生在钻孔变径 附近，就会使上下两个含水层的止水部分或全部失 效。此时进行下部的抽水试验所取得的参数就会不 准确。 c. 泥岩地层经水较长时间浸泡后产生膨胀，可 能会使套管、井管和滤水管无法下入或拔出，如果 在上部含水层段抽水过程中发生这样的问题，下部 含水层段的抽水试验将无法继续进行，钻孔分层抽 水试验的目的将无法实现。 2 自下而上分层抽水试验技术方法研究 2.1 抽水试验的设计思路 针对上述的诸多问题，为避免其对钻孔抽水试 验可能造成的困难，本着减少套管、井管及滤水管 上拔与下入的次数，减少对孔壁的扰动，减少泥岩 的浸泡时间，避免抽水过程中上下含水层地下水串 层的原则，设计了自下而上的抽水试验方法。其基 本思路是成孔后先用套管封闭第一、二含水层段， 进行第三含水层段的洗井与抽水试验，结束后对第 ChaoXing 94 煤田地质与勘探 第 44 卷 三含水层段进行水泥封孔，隔绝第三含水层段与上 部含水层段的水力联系。然后按照这种思路再进行 第二和第一含水层段的抽水试验。 2.2 分层水文孔设计 2.2.1 扩孔与分段止水 根据地质孔 ZK16-3 的取心与物探解译成果， 设计水文地质钻孔在地质孔成孔的基础上，将上部 （QN）0～104 m扩至ϕ190 mm的井径， 中部（J23）104～ 370 m 扩至ϕ146 mm 的井径， 下部（J2）煤系地层 370～ 794 m 扩至ϕ110 mm 的井径。其中上部与中部孔径 底部根据地质孔取心与物探解译成果， 把变径处均放 在颗粒较粗、胶结完好、硬度较大的隔水岩层内［10］。 先从上部下入在 103～104 m 处缠绕 11 mm 厚海 带止水的ϕ168 mm 的套管 104 m，再从孔口下入在 369～370 m 处缠绕 9 mm 厚海带止水的ϕ127 mm 的 套管 370 m，此时已完成了将第三含水层段与第一、 二含水层段的分离止水。 2.2.2 第三含水层段成井与抽水试验设计 a. 下入ϕ127 mm 的井管与滤水管 790 m。 第三 含水层段抽水试验井管结构见图 1a。 图 1 抽水试验井管结构图 Fig.1 The well structure b. 对含水岩组采用焦磷酸钠浸泡 24 h、然后进 行提筒、活塞、水泵联合进行洗井 24 h，达到水清 砂净［11］。 c. 进行 3 个落程的抽水试验，降深为 2～47 m， 稳定时间满足矿山与煤炭水文地质抽水试验规范要 求［12］。 d.先拔出井管与滤水管，然后利用泥浆泵泵入 水泥浆液，对 370～794 m 进入封孔［13］。 2.2.3 第二和第一含水层段成井与抽水试验设计 a. 待第三含水层段封孔水泥初凝以后，拔出用 于第二含水层段止水的ϕ127 mm套管， 下入ϕ127 mm 的井管和滤水管，先按照前述方法进行洗井，然后 进行第二含水层段的抽水试验，结束以后仿照第三 含水层段的处理方法进行水泥浆封孔。 b. 依照以上方法完成第一含水层段的抽水试 验。 第二、 第一含水层段抽水试验井管结构见图 1b、 图 1c。 3 自下而上分层抽水试验方法应用 3.1 抽水试验效果的检查 a. 通过对每个含水层段在试抽与抽水试验中 管内与管外水位不间断的测量进行止水检查，管内 水位因抽水下降，管外水位始终不动，保持了水位 落差十到几十米，表明止水效果良好。 b. 试抽检验，两次试抽水量差各含水岩组均小 于 3％，符合规范要求。 c. 在准东煤田库兰喀孜干矿区的 ZK16-3、 ZK34-5、ZK107-15 三个钻孔抽水试验中运用此 ChaoXing 第 3 期 张云峰等 单孔分层抽水法的改进及在准东煤田中的应用 95 方法均非常顺利地完成了任务，没有发生塌孔现 象，各层套管均顺利拔出，大大节约了时间和工 作成本。 d. 自下而上分层抽水法所取得的水文地质参 数与区域资料吻合较好， 而且具有较强的规律性。 其 与传统方法所获得的水文地质参数［14］对比见表 2。 表 2 水文地质参数对比表 Table 2 Correlation of the hydrogeological parameters 含水层段 方法 涌水量/（m3d-1） 单位涌水量/（L（sm）-1） 渗透系数/（md-1） 自下而上分层抽水法 102.99 0.071 6 0.329 第一含水层段 传统方法 99.70 0.072 6 0.352 自下而上分层抽水法 68.60 0.108 0 0.152 第二含水层段 传统方法 88.60 0.181 5 0.259 自下而上分层抽水法 111.97 0.027 0 0.023 第三含水层段 传统方法 131.88 0.039 0 0.034 注传统方法抽水试验过程中 2 个钻孔发生孔壁坍塌，造成第二和第三含水层无法取得数据。 3.2 应注意的几点问题 a. 抽水试验孔是在地质孔成孔的基础上扩孔 而来的，因岩层软弱，扩孔时易发生孔斜，因而 扩孔钻进时要带有导向器，并选取合适的钻进参 数［15］，才能有效保证钻孔的垂直度，保证后续套 管、井管及滤水管的顺利下入及抽水试验的顺利 进行。 b. 扩孔结束后进行测井复查，保证各孔径变换 处的孔径处于正常范围。若是处于扩径状态，须先 进行修补，这样才能保证分层止水的效果。 c. 对厚海带止水层外包铁纱网并用铁丝绑扎 牢固，避免其在随套管下入的过程中因摩擦力发生 上下移动或破坏。 d. 第三含水层段具有一定的承压性，需准确测 定水头高度，计算好水位降深的范围，可以减小潜 水泵下入的深度，从而节约资源和充分发挥潜水泵 的效能。 4 结 论 自下而上分层抽水方法能有效适应准东煤田地 层整体软弱的特点，克服了传统钻孔抽水试验方法 面临的困难，具有实施过程简化、有效保护孔壁、 避免地下水串层的优点，从而保证了抽水试验的质 量，有利于更加准确地确定各含水层的水文地质参 数。同时，对类似地区进行钻孔抽水试验具有一定 的指导意义。 参考文献 ［1］ 孙德全， 鲁孟胜， 张兆民. 新疆大南湖北露天煤矿首采区Ⅲ火 烧区地下水资源的数值模拟［J］. 煤田地质与勘探，2014， 42（4）64-68. 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