水文地质工程地质勘探.

安徽省煤田一队地质员培训课程水文地质工程地质勘探安徽理工大学地球与环境学院刘启蒙博士教授一、水文地质勘探二、水文地质试验三、水文地质勘探成果四、工程地质勘察五、矿区水文地质勘察工作方法内容提要第一章水文地质勘探一、水文地质钻探的重要性和任务二、水文地质钻孔的布置原则三、水文地质钻探的技术要求四、水文地质钻探的观测与编录第一节水文地质钻探1、水文地质钻探的重要性在水文地质勘察中，水文地质钻探是最主要的、最可靠的手段，可直接揭露地下水(含水层)，是对水文地质测绘、水文地质物探的检验。一孔多用：兼作取样、试验、观测、开采和防治地下水之用钻孔结构复杂，施工要求严格，工期长、费用高。一、水文地质钻探的重要性和任务亚洲第一钻2002年10月10日上午10时，亚洲第一钻，在江苏省东海县毛北村工程现场正式开钻，寻探最接近地球地芯的一点，以便提取地芯材料进行地质科学研究。该工程采用“组合工程钻探技术”和“双孔方案”，即在施工难度极大的5000米深钻之前，先钻一个2000米的先导孔，根据2000米的实际探寻结果，在先导孔的基础上，钻出5000米的深井。“伸入地球内部的望远镜”亚洲第一钻，世界第三深井深5118.20米，中国江苏东海，总投资约1.5亿元人民币,整个工程项目历时为2002.10.10.-2005.3.27。亚洲第一个深部地质作用长期观测实验基地；亚洲第一个研究地幔物质的标本岩芯馆和配套实验室。世界No1：12262米，前苏联，科拉半岛世界No2：9100米，德国中国工程院院士许志琴2、水文地质钻探的任务研究地质、水文地质剖面，确定含(隔)水层的层位、厚度、埋藏深度、岩性、分布状况、空隙性和隔水层的隔水性；测定各含水层中的地下水位(包括初见水位与稳定水位)，各含水层之间及含水层与地表水体之间的水力联系；进行水文地质试验，测定各含水层的水文地质参数，为防治矿井水和开发利用地下水提供依据进行地下水动态观测，预测其动态变化趋势；采取水样做水质分析，采取岩样和土样做岩土的水理性质和物理力学性质试验；在可供利用的情况下，可作排水疏干孔、注浆孔、供水开采孔、回灌孔或长期动态观测孔之用水文地质钻孔的基本类型水文地质勘探孔：又称一般水文地质孔，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。试验孔：主要用于抽水试验，也可用于了解水文地质情况。观测孔：主要用于指定层段抽水试验时地下水位观切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。开采孔：主要用于地下水开采或矿区地下水水位疏降。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。试验孔、观测孔、开采孔和探放水孔统称专门水文地质孔。水文地质钻孔的基本技术要求遵循准则：☀必须贯彻执行先水文地质测绘与物探，后钻探施工以及坚持“先踏勘、后设计”和“先设计、后施工”的工作程序。☀在施工全过程中，始终贯彻“优质、高效、低耗、安全”和“质量第一”的原则，推广应用钻探新设备、新方法、新工艺，提高经济效益。反对单纯追求进尺，反对忽视安全和不注重经济效益二、水文地质钻孔的布置基本原则以线为主，点线结合以疏为主，疏密结合以浅为主，深浅结合以探为主，探采结合一般任务与专门任务相结合设计与施工相结合用最少的工程量、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。塔里木盆地准格尔盆地（一）松散沉积区水文地质勘探钻孔的布置1、山间盆地主要勘探线：应沿山前至盆地中心方向布置。边缘钻孔--为了控制盆地的边界条件，以查明山区地下水对盆地新生代含水层的补给条件。内部钻孔--控制主要含水层在水平和垂直方向上的变化规律。2、山前倾斜平原地区主要勘探线应平行冲、洪积扇轴辅助勘探线应垂直冲、洪积扇轴AABB1234512345砂砾石带粗粒沉积交错过渡带粘性细土带3．河流平原地区勘探线垂直于主要的现代（古代）河道方向布置，查明古河道的分布规律和主要含水层在水平和垂直方向上的变化。亚砂土细砂粉砂亚粘土粘土河床河床4、滨海平原地区勘探线应垂直海岸线布置，在海滩、砂堤、各级海成阶地上，均应布置勘探孔，以查明含水层的岩性、岩相、富水性等变化规律。（二）裂隙岩层分布地区风化裂隙水的勘探线：一般沿（平行）河谷至分水岭的方向，孔深一般小于100m。层间裂隙水或构造富水带的勘探线：垂直含水水层或含水带走向的方向，孔深一般100m∼200m。风化带示意图第四系地层强风化花岗岩强风化片麻岩中风化片麻岩中风化花岗岩（三）岩溶地区北方岩溶水盆地：主要的勘探线应沿区域岩溶水的补给区到排泄区的方向布置，以查明不同地段的岩溶发育规律。南方岩溶管道：查明主要的地下暗河位置。排泄区补给区孔深龙桥暗河出口重庆市奉节-湖北省恩施市全长50公里，为地球上最长的暗河。三、水文地质钻探的技术要求钻孔结构孔斜要求隔离止水冲洗液钻探工艺（一）钻孔结构钻孔结构---是指由开孔至终孔的深度内钻孔孔径的变化，包括孔径、孔段和孔深。管外封堵井管沉淀管岩溶含水层劣质水层井壁填砾过滤器钻孔结构的确定是根据钻孔类型、水文地质条件、终孔直径及深度、钻进工艺方法、抽水方法及钻探设备等因素综合确定。A井管：包括井壁管、过滤管、沉淀管的直径、孔段和深度。B填砾、止水与固井位置及深度。钻孔具体结构:以勘探孔为例1、孔深一般应切穿含水层，终孔深度主要取决于含水层底板埋藏深度。隔水顶板隔水底板层状含水层①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；②岩溶含水层，钻孔应穿透岩溶发育带；③根据钻探设备所允许的深度范围或可能的开采深度确定孔深；④地下水开采孔或长期疏干降压孔的钻孔还应考虑沉淀管的长度，一般为3m∼5m。特殊情况确定孔深：2、孔径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：变径尺寸和止水终孔直径开孔直径过滤器①终孔直径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。☀试验证明，钻孔涌水量是随着钻孔直径的增加而增加，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。孔半径mm流量L/s在浅部松散覆盖层和基岩破碎带，为保证进水、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。一般抽水孔直径应比过滤器大l∼2级，观测孔应大1级。常用井管规格表管径mm7389108127146168219273325377426钻头mm7591110130150174225280335385455过滤器安装在钻孔中含水层处的带孔的井管。作用：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。安装：一般与抽水含水层的厚度相一致。管径、孔隙率：取决于出水量要求和含水层性质。过滤器类型圆孔缝隙包网缠丝钢筋骨架笼状筐状填砾抽水设备井径大于抽水设备的外部尺寸钻头决定井径尺寸泵安装在取水管上终孔直径钻孔类型（用途）终孔直径（mm）地质勘探孔（以取岩芯为主）91一般水文地质钻孔抽水孔较过滤器直径大1-2级，填砾时大150-200观测孔较过滤器直径大1级探采结合钻孔较过滤器直径大2级，填砾时大150-200出水量过滤器抽水设备钻孔类型②变径止水变径止水的一般情况？需要取得多个含水层中各分层的水文地质参数需要隔离水质较差的含水层需要有选择地疏降或开采某一含水层需要维护松散层和岩层破碎带的孔壁变径止水类型：同径止水异径止水联合止水同径止水适用条件：浅孔或中深孔水文地质条件较简单同径到底、单层套管填砾支撑止水同径止水在钻孔中采用同径止水和由下而上逐层回填抽水，直至取得各含水层资料为止。缺点：工序繁期，抽水周期长，在松软地层中易发生事故。ABC异径止水适用条件：深孔水文地质条件复杂异径到底、多层套管适用条件：深孔基岩钻孔异径到底同、异径联合止水异径同径适用条件：深孔或中深孔水文地质条件复杂异径到底、多层套管孔深～孔径孔深(m)浅孔中深孔深孔＜100100∼300＞300孔径个数11∼22∼3止水类型同径联合异径同径止水∼异径止水同径止水：优点：钻进效率高，省管材缺点：不易检查适用：水文地质条件简单的大口径勘探孔异径止水：优点：止水效果好，便于检查缺点：钻孔结构复杂，钻进速度慢，材料用量大适用：含水层研究程度较差的勘探试验孔③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。满足：A最大一级过滤管和填料厚度的要求；B浅部松散覆盖层和基岩破碎带钻孔中下入护壁管的要求。开孔直径∼终孔直径（二）孔斜要求孔深m100（100，300）300孔斜°135孔斜过大的危害？加大设备的磨损增加孔内事故影响孔内管材和抽水设备的安装及正常运转采用深井泵时，造成立轴和进水管折断深井泵抽水：孔斜≦2°压风机抽水：（三）隔离止水止水：在水文地质钻探工作中，为封闭和隔离目的含水层与其它含水层的水力联系所做的处理工作。止水部位：应选择在目的含水层与需隔离的含水层之间的隔水层中，并尽量选择在隔水性能好、厚度大和孔壁较完整的孔段。目的含水层隔离含水层止水材料暂时性止水海带橡胶牛皮永久性止水粘土水泥沥青暂时性止水材料材料名称适用条件优缺点海带①松散地层和完整基岩孔中暂时止水②孔斜不大的斜孔的同径止水或异径止水③管径与孔径必须相差2级以上海带膨胀性强，止水快，效果好，但不能用于永久性止水，也不适合在破碎带及裂隙岩层中止水橡胶①完整基岩钻孔②松散地层可适用③暂时性止水可塑性强，效果好，但成本高，手续麻烦牛皮①潜水和高压承压水②孔壁完整的换径处及斜孔深孔止水膨胀性强，效果好，但成本高，不适用于长期止水易老化永久性止水材料材料名称适用条件优缺点粘土①水压和水量不太大，隔水层厚度大于5m的同径止水②松散岩层、裂隙和岩溶含水层中止水③斜孔及长期观测孔止水方法简单，操作方便，成本低，效果好，但被钻具碰动时易失去止水效果，且不易做强烈的活塞式洗井水泥①用粘土止水②基岩破碎带止水③永久性止水方法简单，效果好，但成本高，固结时间长，起拔管材困难沥青①水压和水量不大的浅孔②坚硬岩层止水③永久性止水可塑性强，效果好，但成本高，不适用于长期止水（四）冲洗液在水文地质钻探中，应尽可能地使用清水钻进。在松散层和强烈破碎带，使用清水钻进技术上有困难时，仍需使用泥浆作冲洗液。NOTE:泥浆钻进后，要求在抽水试验前进行洗孔，以消除泥浆对孔壁周围岩层水文地质性质的影响。岩层性质稠度/s含沙量/%细砂层18∼204中粗砂、粗砂20∼224掉块基岩、卵砾石22∼284冲洗液粘稠度（五）钻探工艺加强型无芯钻头常规型无芯钻头加长保径无芯钻头取芯钻头改进型无芯钻头对井孔的技术要求：适用井孔直径：150mm-380mm；泥浆比重小于1.3g/cm³；泥浆粘度小于60s；含砂量小于0.5%；井壁泥皮厚度小于5mm；井斜一般不超过15°。钻进式井壁取芯器施工工艺比较:1-小径取芯钻进功能：取芯、抽水试验孔径：110∼174mm优点:钻进效率高、成本低适用：水文地质普查钻孔、基岩地区钻探2-小径取芯大径扩孔钻进功能：取心、抽水试验、成井扩孔口径：250∼500mm适用：在水文地质勘探中广泛应用大径取芯缺点：岩芯粗不易卡断；钻具岩芯重量大；遇到裂隙几率大3-大口径取心钻进功能：一次成孔(井)、抽水试验适用：基岩山区供水水文地质勘探4-大口径全面钻进功能：抽水试验孔、勘探开采孔的施工优点：效率高、成本低、口径大、一次成孔(井)适用：研究程度较高，掌握变化规律的松散岩层地区取芯方法：1.卡料卡取法当用硬质合金和钢粒钻进中硬及中硬以上、完整的岩矿层时，钻进回次终了时，可从钻杆内向孔底投入卡料（小碎石、铁丝、钢粒等）卡紧并扭断岩心。2.卡簧卡取法卡簧（及提断器）装于钻头体的内锥面上，回次终了时稍上提钻具，即可把岩心卡住并拉断。3.干钻卡取法在回次终了停止送水，干钻进尺一小段（20～3