水文地质钻探技术在地下水环境监测井成井中的应用

2024-03-08经闯

地下水 2024年1期

经闯

(安徽省地质矿产勘查局327地质队,安徽合肥 230011)

在矿产开采利用过程中,会对矿区地下水环境造成比较大的影响,表现为地下水水位失衡、水资源减少、水质污染、地面沉降等方面[1-2]。开采中的废渣和矿物通过雨水淋虑,未经处理或处理不充分的选矿废水扩散至含水层,造成地下水水质恶化,直接影响人体健康,需要高度重视[3]。通过地下水环境监测井提供先导性地下水环境监测资料,以防治地下水污染、保护地下水水质、保障矿区及周边人体健康[4]。水文地质钻探技术是获取地下水资料的一种主要手段,该技术在地下水环境监测井的应用中,成井质量直接影响提取水样的质量,所以控制水文地质钻探施工质量尤为重要[5-6]。

1 研究区概况

1.1 区域地质条件

矿区位于扬子与华南两板块的拼接地带,萍乡—广丰深断裂南侧的晚古生代裂陷槽内。下伏基岩为震旦—寒武系混合岩组(Su),混合岩上部为灰白一灰黑色混合岩,基体和脉体组成,基体含量较多(40%～70%),脉体含量较少(30%～60%);下部为灰白色混合岩,由黑云母斜长片麻岩、石英云母片岩与花岗质脉体组成,夹灰岩或矽卡岩透镜体,基体含量约30%左右,脉体含量高达70%左右。矿区位于候家一嵩山倒转背斜北段的东翼,表现为正常翼的单斜构造。在褶曲形成过程中,伴随有一系列北北东向逆冲(或逆掩)断层、北北西向逆冲断层、北西向平推正断层和北东东向的平推(逆)断层,构成了本区的基本构造轮廓。

1.2 区域水文气象特征

本区为中亚热带季风气候,冬季寒冷、夏季炎热,雨量充沛,无霜期及生长期长,主导风向为东东南风,次主导风向为东东北风,年平均风速1.85 m/s,静风频率17%,年平均气温为17.7℃,年降水量1 831.5 mm,年平均蒸发量1 490.1 mm。

1.3 区域含水岩组

矿区内无大的地表水体,降雨为地下水主要补给来源,主要为第四系松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水、碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙溶洞水、基岩构造裂隙水四个含水岩组。本次地下水监测层位主要为第四系孔隙水,本区为低山丘陵地区,地势南高北低,山形陡峻,沟谷侵蚀切割厉害,大气降雨多顺冲沟流走,对地下水的补给较差。

1.4 区域地下水的补径排条件

松散岩类孔隙水,直接接受降水和地表水体的垂直补给,并接受上游的地下水径流补给。地下水的排泄,在丰水季节以地下径流,向下游排泄为主;同时,蒸发也是排泄方式之一。

2 研究方法及成井工艺分析

该矿区按不同的水文地质单元划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ九个水文地质单元,包括风井工业场地、采矿工业场地、矿部、选厂、炸药库、尾矿库、污水库、排土场、光伏区等功能区,面积约32.41 km2,共布设62口地下水监测井。在保证工作质量的前提下,力求工作部署方案科学、合理、规范、严格,以最小的投入,完成本次地下水环境监测井施工任务。具体实施工艺过程见图1。

图1 工艺流程

2.1 资料搜集

全面搜集矿区所在的自然地理条件、地质环境背景、水工环地质、环境监测情况等方面的资料,特别是注重收集前人对本地区地下水现状调查、研究的各项成果[3-4]。

2.2 水文地质测量

重点调查区内民井、出露泉点及地表水体的水量、pH值、水质等情况进行调查。野外水点采用手持GPS对调查水点进行定位,pH采用SD150仪器进行现场测试,现场拍照并建立调查卡片,将调查水点标绘在工作布置图上。

2.3 水文地质钻探

该矿区共布设62口地下水环境监测井,分布于九个水文地质单元内[5],其中燕仓尾矿库布设监测井11口,地下水采样33组;采矿工业场地布设监测井6口,地下水采样18组;选矿厂、1/2/3号污水库及西排土场布设监测井14口,地下水采样42组;东排土场及4号污水库布设监测井16口,地下水采样48组;老尾矿库布设监测井5口,地下水采样15组;南排土场布设监测井10口,地下水采样30组;监测井布设情况见表1。

表1 监测井布设情况一览表

监测井深度13 m,范围内地层从上至下分为三层,分别为0～5 m素填土、5～10 m残坡积粉质黏土、10～13 m强风化混合岩。钻孔施工采取先钻后扩工艺,先取芯后扩孔。采用φ110 mm钻头钻穿第四系厚度(约5～10 m),下入φ108 mm套管。采用φ95 mm金刚石取芯钻头取芯钻进到底,详细了解地层状况,为后续钻孔设计和施工提供详细资料,同时可以保证钻孔的质量(垂直度)要求。取出取芯钻孔中所有套管并在原孔位置开始分级扩孔作业。采用φ260 mm扩孔,钻头钻进至孔底,-0.6～5 m,下入φ160 mm反丝无缝钢管,5～10 m,下入φ160 mm筛管,10～13 m,下入φ110 mm沉淀管,井管选用PVC-U管。钻孔结构与成井结构见表2,地层分布及钻孔结构图见图2。

表2 钻孔结构与成井结构表

图2 地层分布及钻孔结构图

钻孔孔位、深度依据钻探目的确定,以达到其对区域控制以及动态监测的目的。具体实施时,若设计与实际情况有出入,应及时进行孔深调整。钻孔验收合格后,钻机方可撤离孔位。钻井保持垂直,相应深度的井斜控制为不大于1°。岩心采取率、整理。不允许超回次钻进,粘性土采取率大千85%,砂土大千70%,砂砾(卵)石大千40%,基岩大千85%,全孔平均大于70%。注意初见水位,每次提钻后、下钻前做孔内水位观测,钻进过程中发现涌水、漏水必须做详细记录,流量特别大时要停钻观测流量,详细记录,终孔后观测稳定水位。用泥浆钻进钻孔,要注意泥浆颜色变化特点,漏浆或翻浆的具体位胃、孔深等,并详细记录。抽水孔在各含水层顶底板做好止水,用粘土球捣实止水,粘土球直径不大千40 mm,或采用其他方法止水。严格检查止水效果,若止水不符合要求,必须重新止水。滤水材料选用球度与圆度好、无污染、质地坚硬、密度大的石英砂,使用导砂管将滤料缓慢填充至管壁与孔壁中的环形空隙内,沿着井管四周均匀填充,避免从单一方位填入,一边填充一边适当晃动井管,防止滤料填充时形成架桥或卡锁现象。滤料填充过程进行测量,确保滤料填充至设计高度。抽水试验孔下滤管后,必须马上洗孔,洗孔方法要求下管投砾后,用清水冲孔,活塞和空压机反复进行洗孔,直至水清砂净、水位反应灵敏为止。井管选用PVC-U管,井壁管应高出监测井附近地面0.6 m。沉淀管应安装在监测井底部,长度不宜小于3 m,管底封死。

2.4 抽水试验

(1)监测井均进行抽水试验,要求l个落程,每个落程之间的水位差不得小于1 m。在水位、流量观测过程中,同时观测水温和气温。抽水试验孔应先洗井至水清砂净,含砂量小于1/2 000;抽水试验前应观测记录静止水位;水位最大降深值按抽水设备能力确定;水位降深顺序,松散含水层按先小后大顺序逐次进行。

(2)在稳定延续时间内,涌水量和动水位与时间关系曲线在一定范围内波动,而且没有持续上升或下降的趋势。当抽水水位和水量易稳定时,延续时间不少于12 h;当抽水水位和水量不易稳定时,延续时间不少于24 h;抽水试验过程中,应在水位或出水量稳定后采取水样。

(3)停泵后立即观测恢复水位,观测时间间隔与抽水试验要求基本相同。若连续3h水位不变,或水位呈单向一变化,连续4 h内每小时水位变化不超过1 cm,或者水位升降与自然水位变化相一致时,即可停止观测。

2.5 地下水动态观测

对查区内本次设计施工的监测孔进行的动态观测,监测内容包括水位、水温,每月观测1次,并连续一个水文年以上。水质按丰水期、平水期、枯水期每年监测3次。对监测点定期进行质量检查,对监测数据进行整理统计分析,确保了动态监测数据是真实可靠的。

2.6 水质分析

根据《环境影响评价技术导则地下水环境》(HJ610-2016)及《地下水环境状况调查评价工作指南》(环办土壤函[2019]770号)的要求,矿山开采区地下水监测检测因子见表3。

表3 检测因子一览表

3 主要问题及对策

3.1 水文地质钻探

(1)孔位、孔深质量问题。钻孔分散在矿区不同功能区,地点分散,钻孔搬家和就位困难。具体实施时,孔位根据本次钻孔定点工作成果,在设计的基础上可以做适当调整。

(2)钻孔垂直度质量问题。钻孔范围内涉及三种地层,为保证钻孔垂直度,采取先钻后扩工艺,先取芯后扩孔,保证钻孔的质量(垂直度)要求。

(3)岩芯采取质量问题。在钻孔施工过程中,岩芯采取中凡属块状、散粒状、粉状岩芯,按照钻头直径2/3的尺寸予以合拢;散粒状、碎屑状岩芯均要求在钻孔附近选取合适位置妥善保管,防止混合及雨水冲刷流失。

(4)水样采取质量问题。监测孔施工结束后,钻机设备离场,地下水动态监测还需采取两次水样,采取水样时要满足水样新鲜、能代表浅层地表水水质,不能直接采取钻孔内死水。施工中取样时,对监测孔进行简易抽水试验后,方可进行取样。

3.2 泥浆处理

(1)泥浆排放与处理问题。作业机具、材料、泥粉、钻探产生的泥浆都应控制在围蔽区内。在围蔽内地面满铺彩条布,在钻机下垫枕木及彩条布做成泥浆池或使用专用泥浆桶对钻探过程中的泥浆进行循环使用,对围敝内的泥浆外溢进行清理打扫。

(2)泥浆外溢及处理问题。钻进时使用专用的泥浆桶进行钻机泥浆循环,避免泥浆外流,对于产生的岩芯沉渣和多余泥浆,可用桶装好,用车及时运走。在钻探过程中机组人员须及时巡检,如发现泥浆外溢现象应及时清扫和采取防堵措施。钻探完毕对泥浆应经沉淀处理后,清水部分可按污水排放,废弃岩芯和泥浆沉淀物须用编织袋装好后,统一排放到充许进行固体废料排放的地方。