Packer同徑止水技術(shù)在彬長(zhǎng)礦區(qū)多含水層分層抽水試驗(yàn)中的應(yīng)用

劉厚寧,李 萍,成 龍,馬郵國(guó)

(陜西韓城天久注漿勘探有限責(zé)任公司,陜西 韓城 715400)

彬長(zhǎng)礦區(qū)隨著煤礦開(kāi)采范圍擴(kuò)大,水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度增加,以致礦井防治水工作難度加大,對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成了一定的影響[1-6]。彬長(zhǎng)礦區(qū)主要含水層為洛河組巨厚砂巖含水層,厚度一般200～300 m,含水層上、下段富水性不均[7],需分段抽水以準(zhǔn)確獲取巨厚含水層在垂向空間的水力學(xué)參數(shù)、水化學(xué)特征、溫度參數(shù),對(duì)于深刻認(rèn)識(shí)洛河組含水層水文地質(zhì)條件,合理概化水文地質(zhì)模型,精確評(píng)價(jià)地下水資源,指導(dǎo)彬長(zhǎng)礦區(qū)礦井防治水工作,起著至關(guān)重要的作用。

彬長(zhǎng)礦區(qū)以往多含水層抽水試驗(yàn)仍按傳統(tǒng)異徑分臺(tái)階套管止水的方法進(jìn)行分層抽水,此方法需要進(jìn)行多級(jí)擴(kuò)孔,操作難度大、擴(kuò)孔費(fèi)用高、止水效果無(wú)法檢驗(yàn)[8],并且不能獲取巨厚含水層分層水文地質(zhì)參數(shù)及水化學(xué)參數(shù)。有部分學(xué)者采用混合抽水的方法解決分隔含水層困難的問(wèn)題,以求取巨厚含水層分層水文地質(zhì)參數(shù),但混合抽水結(jié)果計(jì)算公式復(fù)雜、分析難度大,求取的水文地質(zhì)參數(shù)誤差較大[9]。

前人在準(zhǔn)東煤田等地區(qū)鉆孔中同徑止水、分層抽水試驗(yàn)進(jìn)行了大量的實(shí)踐探索[10-14],但在彬長(zhǎng)礦區(qū)未曾試驗(yàn)。彬長(zhǎng)礦區(qū)本次水文分層抽水試驗(yàn)引入中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水環(huán)中心研發(fā)的Packer 封隔器分層止水,探索Packer 同徑止水技術(shù)在彬長(zhǎng)礦區(qū)水文孔分層抽水試驗(yàn)中的應(yīng)用。

1 地質(zhì)背景

彬長(zhǎng)礦區(qū)位于陜西關(guān)中平原西北部,彬州市-長(zhǎng)武縣之間。礦區(qū)海拔高程為+850～+1 200 m,總面積約980 km2,煤炭資源總量約8 978 Mt。地勢(shì)高差較大、溝谷切割嚴(yán)重,塬梁破碎,溝壑縱橫,總體是從黃土塬梁向中間涇河谷地傾斜,涇河穿越礦區(qū)中部而過(guò)。

1.1 地層

彬長(zhǎng)礦區(qū)大部分地區(qū)被第四系黃土覆蓋,基巖出露較少。根據(jù)鉆探揭露,礦區(qū)內(nèi)地層由上到下依次可以見(jiàn)到:第四系(Q)、華池組(K1h)、洛河組(K1l)、白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、安定組(J2a)、直羅組(J2z)、中統(tǒng)延安組(J2y)、侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)、三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h),詳細(xì)地層信息見(jiàn)圖1。

圖1 彬長(zhǎng)礦區(qū)構(gòu)造示意圖

表1 礦區(qū)地層系統(tǒng)一覽表

1.2 構(gòu)造

彬長(zhǎng)礦區(qū)大地構(gòu)造位置位于鄂爾多斯盆地彬縣～黃陵坳褶帶,構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。三維地震資料顯示,彬長(zhǎng)礦區(qū)地層為一走向N50°～70°E,傾向NW～NNW的單斜構(gòu)造,局部發(fā)育有少量南東向的寬緩褶曲構(gòu)造,主要包括三個(gè)背斜和兩個(gè)向斜(圖1)。據(jù)地震資料,礦區(qū)內(nèi)發(fā)育多組北東向的高角度正斷層,斷距一般小于30 m。

(1)彬縣背斜:位于礦區(qū)南部邵寨及史家河一帶。背斜軸近東西延展約9 km,南翼傾角平緩,一般1°～2°,北翼較陡,由西到東由4°速增至9°。

(2)路家～小靈臺(tái)背斜:西起路家,東至小靈臺(tái)。軸向N78°E,延展長(zhǎng)度21 km,南翼傾角1°～3°,北翼傾角4°～6°。

(3)七里鋪～西坡背斜,位于礦區(qū)北部,軸向西部N85°E,東部N68°E,軸向延展長(zhǎng)度33 km,南翼傾角1°～3°,北翼傾角一般為5°～8°。

(4)安化向斜區(qū):位于彬縣背斜及路家-小靈臺(tái)背斜之間,軸向呈NEE,長(zhǎng)約30 km,南翼傾角4°～9°,北翼傾角1°～3°,軸部地層近水平。

(5)孟村向斜區(qū):位于路家～小靈臺(tái)背斜與七里鋪～西坡背斜之間及董家莊背斜東端。向斜軸向呈NEE向,長(zhǎng)約32 km,南翼傾角4°～6°,北翼傾角1°～3°。

1.3 礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析

彬長(zhǎng)礦區(qū)地下水主要為基巖裂隙水,其次為第四系潛水?；鶐r裂隙水包括:白堊系華池組、白堊系洛河組、侏羅系直羅組、侏羅系延安組基巖裂隙水;其中洛河組地層富水性相對(duì)較好,其它地層富水性相對(duì)較弱。洛河組地下水力系統(tǒng)與現(xiàn)今涇河流域分布范圍基本一致,因此洛河組地下水補(bǔ)、徑、排條件受地表水系統(tǒng)控制?，F(xiàn)今涇河流域補(bǔ)、徑、排系統(tǒng)為四周中低山環(huán)繞的典型高原盆地,總體地勢(shì)特點(diǎn)為北西高南東低,發(fā)育涇河扇狀水系,地下水從東、北、西三側(cè)向馬蓮河下游一帶匯集,在長(zhǎng)慶橋至彬縣亭口一帶排泄。

2 Packer同徑分層止水原理及技術(shù)方法

2.1 Packer止水原理

Packer系統(tǒng)是專門用于鉆孔分層止水的設(shè)備,由充氣系統(tǒng)、抽水系統(tǒng)、壓力傳感系統(tǒng)組成(圖2、圖3)。其原理是利用Packer封隔器充氣后完全膨脹,強(qiáng)大的氣體壓力使封隔器橡膠圈緊貼孔壁,阻止上、下含水層串流,使含水層形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的流體系統(tǒng)。潛水泵下入兩封隔器之間,對(duì)含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)。利用壓力計(jì)讀數(shù)的變化,檢查止水效果,以及獲取水位降深。

圖2 Packer止水原理示意圖

圖3 雙封隔器連接實(shí)物圖

2.2 彬長(zhǎng)地區(qū)Packer同徑分層止水技術(shù)方法

(1)探煤任務(wù)結(jié)束后,確定抽水段位置,抽水段及以上部分?jǐn)U孔至180 mm同徑,洗孔至水清砂凈。

(2)抽水設(shè)備下入孔中之前,檢查潛水泵、封隔器、壓力計(jì)等儀器設(shè)備的性能,并且讀取封隔器完全打開(kāi)所需要的氮?dú)鈮毫?提前準(zhǔn)備相應(yīng)壓力的氮?dú)馄俊?/p>

(3)按順序連接潛水泵、封隔器、壓力計(jì)。封隔器安裝在抽水段頂、底位置;將潛水泵連接在上、下兩個(gè)封隔器中間位置;在下封隔器向下2 m的位置、泵頭位置、上封隔器向上2 m的位置分別安裝一個(gè)壓力計(jì)探頭,用于讀取含水層水位高度和檢查封隔器止水效果。

(4)所有設(shè)備檢查完畢后,下入指定位置,打開(kāi)氮?dú)忾y對(duì)封隔器充氣,并進(jìn)行封隔器止水效果檢查。開(kāi)泵后如果泵頭位置的壓力計(jì)讀數(shù)有規(guī)律的減小,封隔器上、下兩個(gè)壓力計(jì)讀數(shù)不變,說(shuō)明封隔器止水效果良好,可按規(guī)范進(jìn)行含水層段抽水試驗(yàn)。

3 Packer同徑止水與傳統(tǒng)套管止水的優(yōu)缺

點(diǎn)對(duì)比

3.1 優(yōu)點(diǎn)

(1)采用同徑180 mm擴(kuò)孔,省去多級(jí)擴(kuò)孔程序,擴(kuò)孔效率有所提高。

(2)使用封隔器止水,不用下止水套管,省管材,省時(shí)間,又杜絕了止水套管啟拔不動(dòng)的孔內(nèi)事故。

(3)止水效果可檢查,根據(jù)三個(gè)壓力計(jì)讀數(shù)變化,可輕松檢查封隔器止水效果。

3.2 缺點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)的異徑套管止水,Packer封隔器同徑止水潛水泵只能下在抽水段的中間位置,對(duì)潛水泵的揚(yáng)程要求較高,目前鉆機(jī)普遍使用的潛水泵揚(yáng)程在500 m以內(nèi)(大于500 m揚(yáng)程的潛水泵造價(jià)偏高,一般鉆機(jī)不能承受),因此,封隔器止水只能抽500 m以上的含水層,即第四系松散巖類和洛河組含水層。針對(duì)深部宜君組、直羅組、延安組含水層仍需采用傳統(tǒng)的異徑套管止水進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

彬長(zhǎng)礦區(qū)采用Packer封隔器同徑止水,輕松實(shí)現(xiàn)了洛河組及第四系松散巖類分層抽水試驗(yàn)及取樣,準(zhǔn)確獲取了含水層富水性參數(shù),解決了傳統(tǒng)鉆孔抽水試驗(yàn)面臨的難題,具有實(shí)施過(guò)程簡(jiǎn)化、安全、高效、便捷的優(yōu)點(diǎn),對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)洛河組及第四系松散巖類鉆孔抽水試驗(yàn)及取樣具有重要的借鑒意義。但受潛水泵揚(yáng)程限制對(duì)埋深500 m以下的宜君組、直羅組、延安組含水層仍需采用傳統(tǒng)的套管分層止水辦法,期待后期大揚(yáng)程潛水泵的普及,使Packer封隔器止水技術(shù)擴(kuò)展到更深層位。