水文地质钻探之我见

摘　要：矿区水文地质勘查方法包括水文地质测绘、水文地质勘探、抽水试验、地下水位动态观测和实验室试验、分析,其中的水文地质勘探具体包括水文地质钻探、物探、化探和坑探,本文将对矿区水文地质钻探进行研究.

关 键 词：钻孔；布置；结构设计

中图分类号：P61文献标识码：A文章编号：1009-0118（2012）-06-0-02

一、水文地质钻探的优点

在矿区水文地质勘查中,水文地质钻探是最基本的勘探手段,也是主要的、可靠的手段,具有其它勘查方法不可替代的优点：（一）水文地质钻探可直接揭露地下水(含水层),能够确定含水层的埋藏深度、厚度、岩性、空隙率和分布状况；（二）水文地质钻探可以确定各含水层之间及含水层与地表水体之间的水力联系；（三）水文地质钻探可以用做抽水试验,测定各含水层的水文地质参数；（四）水文地质钻探可以实现地下水位动态观测；（五）水文地质钻探可以取水样做水质分析.

二、水文地质钻孔的基本类型

根据钻孔所担负的主要任务,可将水文地质孔分为五类:勘探孔、试验孔、观测孔、开采孔和探放水孔.

(一)勘探孔

通常只在小、中比例尺的区域水文地质普查中布置,一般要通过钻探取心进行地层描述和进行简易水文地质观测,但不进行抽水试验.主要用于了解矿区地质和水文地质情况,如地层的岩性、构造、含水层数、厚度、埋深和结构等.钻进时除需采取岩芯进行观测和描述外,一般还应进行简易水文地质观测.

(二)试验孔

在各种比例尺的水文地质普查与勘探中布置,一般要进行单孔稳定流抽水试验,必要时要进行多(群)孔非稳定流抽水试验,以获取不同要求的水文地质参数,评价与计算地下水资源.主要用于抽水试验,同时也可用于了解水文地质情况.为专门目的布置的水文地质试验孔,一般需要做分层观测、分层抽水,或多孔、群孔抽水试验,通常采用较大孔径.

(三)观测孔

有抽水试验观测孔和长期观测孔(简称长观孔)两种,通常只在大、中比例尺的水文地质勘探中布置.主要用于指定层段抽水试验时地下水位观测和地下水长期动态观测,同时了解水文地质条件或采取水样、岩样.在进行连通试验时,用于试剂的投放和检测.

(四)开采孔

在各种比例尺的水文地质普查与勘探中均会遇到.主要用于地下水开采或矿区地下水水位疏降.钻孔结构应满足一定的水量、水质要求.对于探采结合孔,为满足了解水文地质条件和抽水试验的需要,可采用小口径钻进取芯,然后大口径扩孔成井的施工方法.

(五)探放水孔

主要用于探明掘进巷道前方一定距离内的水文地质条件,或用于矿井地下水疏降、井下水文地质试验等.探放水孔多在井下施工,也可由地面施工.利用井下钻探进行勘探,不仅针对性强、可节省钻探进尺,而且可以扩大勘探空间,增强时空效果.

在各种水文地质钻孔中,勘探孔也称为一般水文地质孔,而试验孔、观测孔、开采孔和探放水孔则称为专门水文地质孔.上述各种水文地质钻孔的基本技术要求见表1：

三、水文地质钻孔的布置原则

水文地质勘探钻孔的布置,必须符合经济与技术要求,即用最少的工程量、最低的成本、最短的时间,获得质量最高、数量最多的水文地质资料.具体要求是:（一）水文地质勘探设计前,必须充分收集已有的地质、水文地质和物探资料,在掌握水文地质条件的基础上,把设计钻孔重点放在未查清的地段上；（二）根据不同目的(供水、矿区防治水等)和水文地质勘探的阶段(普查、详查、精查)进行勘探设计,布置水文地质钻孔；（三）对控制水文地质条件的钻孔应先疏后密、点线结合、深浅结合；（四）水文地质钻孔应以探为主,在查明水文地质条件的基础上应尽量做到一孔多用,如用于供水、排水疏干及长期观测等；（五）可根据施工中出现的新情况或获得的新资料,对原设计方案进行必要的修改和调整.

四、水文地质钻孔的结构设计

水文地质钻孔的孔身结构包括孔深、孔径(开孔与终孔)、井管直径等.设计钻孔结构时,还要考虑钻孔类型、预计出水量、井管和过滤器的类型等.

(一)孔深的确定

钻孔的深度应根据钻孔的目的要求、地质条件,并结合钻探技术条件来确定.

水文地质勘探孔,原则上应揭穿矿区的主要含水层,也就是说钻孔的深度取决于含水层底板的深度.对于厚度较大的含水层,揭穿整个含水层较困难,或技术上不必揭穿整个含水层时,应按下述原则确定孔深：对基岩含水层,钻孔应穿透含水层的主要富水段或富水构造带；对岩溶含水层,钻孔应穿透岩溶发育带；根据钻探设备所允许的深度范围和目前可能的开采深度确定孔深.

(二)孔径的确定

孔径的大小取决于钻孔的类型、钻孔的结构、抽水设备及对钻孔出水量大小的要求.孔径设计的内容包括开孔直径、终孔直径和变径尺寸的确定.用于探明水文地质条件的勘探孔、抽水试验孔和地下水动态观测孔,一般为小口径,而且抽水孔和观测孔常需要变径止水.用于供水目的的开采孔、探采结合孔或水位疏降孔,则要求采用较大的口径,以满足安装抽水设备和一定的抽水量要求,在松散地层中其口径多在400mm以上,在基岩中一般也应大于200mm.井下探放水孔常用42mm、54mm、60mm的孔径,一般不超过60mm,以免流速过高冲垮煤柱.

对于结构比较复杂的钻孔,设计孔径时应首先确定终孔直径,再根据变径次数和变径尺寸,由下向上逐步推定钻孔的开孔直径.

1、终孔直径的确定

终孔直径的大小,主要取决于预计钻孔的出水量、过滤器的尺寸和抽水设备的类型等.根据有关试验资料证明,钻孔涌水量是随着钻孔直径的增加而增加的,但增加到一定数值后,当孔径继续增大时,钻孔出水量增加的数量会逐渐减少,甚至不再增加.在浅部松散覆盖层和基岩破碎带,为维护孔壁稳定,必须在孔内下护壁井管、过滤器,有时还要在井管与井壁之间充填滤料.此时的钻孔口径除需满足水量大小的要求外,尚需满足过滤器及滤料的尺寸要求.一般抽水孔直径应比过滤器大1-2级,观测孔应大.需要充填滤料的钻孔,其终孔直径应比过滤器直径大150-200mm.常见井管规格见表2：

2、确定变径的深度和尺寸

根据已确定的终孔直径,再按预计要求隔离的含水层个数及止水方法、部位和要求,并考虑孔壁的稳定程度等多种因素,来确定钻孔变径与否、变径的深度和变径尺寸,以及下套管的深度和直径.一般在下列情况下需要变换孔径进行止水:（1）有多个含水层,需要取得分层水文地质参数；（2）需要隔离水质较差的含水层；（3）需要有选择地疏降或开采某一含水层；（4）需要维护松散层和岩层破碎带的孔壁.

3、确定开孔直径

根据已确定的终孔直径、变径次数和尺寸,自下而上逐级推定开孔直径.开孔孔径除满足孔内最大一级过滤管和填料厚度的要求外,还应满足在钻孔中的浅部松散覆盖层和基岩破碎带下入护壁管的要求.供水孔还应考虑所用抽水设备的外部尺寸的要求.因此,一般水文地质钻孔的开孔直径都大于终孔直径.

(三)过滤器的设计

过滤器是指安装在钻孔中含水段的一种带孔的井管.它的作用是保证含水层中的地下水顺利地进入井管中,同时防止井壁坍塌及含水层的细粒物质进入井中而造成井孔淤塞.过滤器一般安装在与抽水含水层相对应的位置,其长度一般与含水层的厚度相一致,管径及孔隙率则取决于钻孔出水量的要求和含水层的性质.

五、钻孔水文地质观测

钻孔简易水文地质观测是在钻进过程中观测和及时详细记录与水文地质有关的资料,内容包括钻孔中水位的变化、冲洗液的消耗和漏失情况、涌水位置和涌水量、水温的异常以及遇溶洞、老巷、大裂隙、流砂与钻具突然掉落的层位和深度.其成果既是研究评价勘查区水文地质条件的重要基础,又是合理布置专门水文地质钻孔的依据.

(一)水位观测

在以清水为冲洗液的钻孔中,每小班至少测量水位一次.每观测回次中,应在提钻后、下钻前各测水位一次,间隔时间要大于5min.如果遇到严重漏水、涌水的层段应进行稳定或近似稳定水位的观测.而以泥浆为冲洗液的钻孔一般不进行水位测量.用冲洗液钻进时,当孔内水位突然变化,说明此深度是个含水层,潜水的初见水位与稳定水位基本一致,承压水的稳定水位高于初见水位.如表3所示,常－80号孔在K8砂岩(Plx)处的水位由11.5m突然变为22.5m,而且出现漏水现象,说明K8砂岩是个含水层.

(二)冲洗液消耗量观测

冲洗液消耗量的变化最能说明岩层透水性的变化,当钻孔揭露强透水或含水层时,将出现冲洗液大量消耗而发生漏失现象,这种情况应每10-30min观测一次消耗量,冲洗液全部漏失时,应开大水泵测定最大漏失量并记录漏失起、止深度,提钻检查取出的岩心是否存在松散、孔隙、裂隙、溶隙、节理发育等现象,结合水文地质情况,判断地层类型属于含水层、漏失层或原漏失孔段再次漏失.孔内无稳定水位,则漏失层是孔底的非含水层,孔内稳定水位与漏失前(地下)静水位一致时,则漏失层可能在孔底,也可能是原漏失层发生再次漏失,孔内稳定水位低于静(地下)水位时,表明漏失,层在孔底,孔内无含水层,稳定水位在原漏失层之下时,表明原漏失层再次漏失,新钻进孔段没有漏失.

六、结语

水文地质钻探是水文地质勘查工作中最基本的勘探手段,也是主要的、可靠的手段,具有其它勘查方法不可替代的优点.做好水文地质钻孔的布置、结构设计和水文地质观测工作将有利于提高水文地质堪查报告的质量,为矿井水害防治和开发利用地下水提供宝贵的水文地质依据.