神朔鐵路寇莊站供水井水質(zhì)渾濁的處理及防治措施

陳偉武

(山西省地質(zhì)勘查局217地質(zhì)隊(duì)，山西 大同 037008)

神華集團(tuán)神朔鐵路寇莊站供水井位于朔州市朔城區(qū)張蔡莊鄉(xiāng)，西辛村西南620 m、神朔線山西境內(nèi)K252+499處，是神朔鐵路寇莊站擴(kuò)能改建萬(wàn)噸列車會(huì)讓站項(xiàng)目。該項(xiàng)目原有一眼水井，取第四系松散層孔隙水，不能滿足改擴(kuò)建需水要求，需新鉆鑿一眼石灰?guī)r巖溶水井，解決擴(kuò)建供水。2016年我單位鉆探公司通過招投標(biāo)方式，中標(biāo)實(shí)施該項(xiàng)目的供水井工程，2016年12月完工，經(jīng)洗井后，達(dá)到水清砂凈。水井靜止水位為149.7 m，與周邊區(qū)域地下水位一致，經(jīng)試驗(yàn)抽水后換算，出水量可達(dá)到32 t/h，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，滿足合同要求，同時(shí)交付甲方使用。然而在2017年4月，在抽水過程中出現(xiàn)水質(zhì)渾濁現(xiàn)象，通過井下攝像發(fā)現(xiàn)，在兩層井管環(huán)狀間隙間，由于煤系地層水進(jìn)入而出現(xiàn)渾濁。我單位通過采用上下分割器止水注漿封堵，成功解決該問題，取得良好效果。

1 供水井的水文地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)資料分析，不同成因類型的含水巖組由于巖性及結(jié)構(gòu)的差異，具有各自相對(duì)獨(dú)立的含水系統(tǒng)。

1.1 寒武奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水組

據(jù)該區(qū)域資料，厚度>500 m，巖性以灰色石灰?guī)r為主，白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖次之，夾少量竹葉狀灰?guī)r、泥灰?guī)r和角礫狀白云質(zhì)灰?guī)r，廣泛出露于神頭巖溶泉域的北、西、南三面，構(gòu)成高山、丘陵地貌，出露、半出露面積約3200 km2，平原區(qū)則覆蓋于石炭二疊系及新生界地層之下，特征為巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，且具不均一性。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)，寒武系單位涌水量為0.025～0.26 L/(s·m-1)，暖崖S19號(hào)孔單位涌水量0.041 L/(s·m-1)，水位標(biāo)高1466.20 m。奧陶系單位涌水量為0.1～93.358 L/(s·m-1)，水位埋深：山區(qū)一般100～300 m，平原4.9～140 m，由山區(qū)到平原，地下水由潛水轉(zhuǎn)為深層承壓水。神頭附近壓力水頭+3.25 m，在馬邑附近，水文一隊(duì)施工的8018孔揭露O2地層，壓力水頭達(dá)+11.37 m，水質(zhì)類型為HCO3- Ca·Mg型水，礦化度<0.4 g/L。

1.2 石炭二疊系碎屑巖裂隙含水組

總厚約480 m，巖性主要為砂巖、砂礫巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁土巖及煤層，廣泛分布于水文地質(zhì)單元中部、中南部及北部的小京莊向斜區(qū)，此含水組具多層含水結(jié)構(gòu)，富水性弱且較為均一。在朔縣平原區(qū)埋深95～400 m以下。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)，單位涌水量為0.001～1.21 L/(s·m-1)，水位埋深一般78.94～+3 m。陽(yáng)方口一帶有泉水出露，但流量甚小，總流量約為5.0 L/s，水質(zhì)類型為HCO3·SO4- Ca·Mg及HCO3·Cl- Na型水，礦化度0.3～1.2 g/L。

1.3 新生界松散碎屑沉積物孔隙含水組

總厚約300 m，巖性主要為粗砂、中砂、細(xì)砂及少量礫石層、粘土，分布于朔縣平原及山前地帶，以沖積、洪積為主要成因，富水性弱—中等。據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)，單位涌水量0.029～8.25 L/(s·m-1)。水質(zhì)類型為HCO3- Ca·Mg型水，局部為HCO3·SO4- Ca·Mg與HCO3·Cl- Na·Ca·Mg型水，一般礦化度<0.5 g/L，最大1.5 g/L。井區(qū)位于秦崗—丹子山隆起部位東南側(cè)，斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，為地下水的富集提供了相對(duì)良好的水文地質(zhì)條件。

區(qū)內(nèi)地下水含水層主要有第四系松散層孔隙水、石炭、二疊系碎屑巖裂隙水，奧陶系灰?guī)r巖溶水。有供水意義的地下水為第四系松散層地下水和奧陶系巖溶水。由于本區(qū)域奧陶系巖溶水完全能滿足供水井出水量要求，因此該井設(shè)計(jì)中不取第四系松散層地下水。

2 供水井井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)寇莊站區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，我們采用的鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

(1)0～176 m，采用?358 mm筒狀鉆具或帶扶正器牙輪鉆頭，優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土加化學(xué)處理劑泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)。鉆至目的層(煤系地層完整基巖鉆入5～8 m)后下入?325 mm×8 mm螺旋鋼管，然后采用注漿器在鉆孔壁和井壁管之間的環(huán)狀間隙注入一定高度水泥漿液對(duì)第四系松散層孔隙潛水進(jìn)行永久性封閉止水。

(2)176～753 m，采用?295 mm組合牙輪鉆頭施工，低固相泥漿作為沖洗介質(zhì)護(hù)壁鉆進(jìn)。鉆至目的層(奧陶系灰?guī)r鉆入8 m)后用送管器下入?273 mm螺旋鋼管并與上一層井壁管重疊5 m，然后采用注漿器在鉆孔壁和井壁管之間的環(huán)狀間隙注入一定高度水泥漿液對(duì)煤系地層裂隙水進(jìn)行永久性封閉止水。

(3)753～853 m，用?244 mm鑲齒牙輪鉆頭鉆進(jìn)施工，清水作為沖洗介質(zhì)，裸孔。

(4)853～883 m，用?216 mm鑲齒牙輪鉆頭鉆進(jìn)，為確保水井出水，本段采用清水鉆進(jìn)，裸孔成井。

3 供水井出現(xiàn)的問題及原因分析

3.1 供水井出現(xiàn)的問題

2017年4月在供水井使用4個(gè)月后，甲方發(fā)現(xiàn)抽出的水渾濁，水中含有泥質(zhì)固體顆粒(甲方用水量不大，每天抽水1 h)。

我單位接到甲方通知后，立即組織技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)了解，通過現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)分析及井下高清攝像頭觀察，在?273 mm螺旋鋼管管頭，也就是在168～174 m處發(fā)現(xiàn)有6 m水段水質(zhì)渾濁，其他水段水質(zhì)清澈，由于水質(zhì)渾濁無(wú)法通過攝像頭看到具體出渾點(diǎn)。

根據(jù)觀察情況，經(jīng)專家討論分析井水水質(zhì)渾濁的原因：在?273 mm管頭外壁和?325 mm井管內(nèi)壁環(huán)狀處的封閉水泥出現(xiàn)問題，其間有透水縫隙，使石炭、二疊系煤系水進(jìn)入井內(nèi)，造成奧陶系井水污染，出現(xiàn)渾水現(xiàn)象。因此，出水渾濁點(diǎn)應(yīng)該在171m的?273 mm管頭處。

3.2 原因分析

3.2.1 井徑與井管之間環(huán)狀間隙過小

在施工176～753 m井段時(shí)，采用?295 mm組合牙輪鉆頭施工，這段地層巖性主要為砂巖、砂礫巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁土巖及煤層，在這種地層施工中進(jìn)尺比較快，鉆孔的擴(kuò)徑系數(shù)較小，有些地方可能出現(xiàn)小于鉆頭的口徑，因此造成井徑與井管外徑之間間隙過小，在固管時(shí)水泥漿液不能全面充填井管外環(huán)形間隙，無(wú)法達(dá)到封堵煤系水作用。

3.2.2 水泥漿液配比不合理

水泥漿液是固管作業(yè)重要一環(huán)，水泥漿液配置的是否合理，關(guān)系到固管作業(yè)成功與失敗，漿液的水灰比對(duì)其流動(dòng)性有很大影響，關(guān)系到是否能很好地充填到井管周圍； 一般而言，水泥漿的抗拉能力和抗壓能力都很差，具有脆性，在深井中的固管間隙比較小，井壁外水泥環(huán)相對(duì)來(lái)說(shuō)非常薄弱，當(dāng)進(jìn)行換徑施工鉆進(jìn)時(shí)受到的沖擊力及震動(dòng)比較大，此時(shí)無(wú)疑會(huì)使井管固定受到非常大的影響。

3.2.3 施工過程中下放井管不居中

在井管下放過程中，由于鉆孔垂直度的原因，井管安放沒有居中，造成環(huán)狀間隙不均勻，有些孔段緊貼井壁，固管時(shí)水泥漿液不能很好充填其間，使井壁間出現(xiàn)過水通道。

3.2.4 水泥漿液凝固時(shí)間短

雖然在水泥漿液中加入促凝劑，但是在井下而且是水里，漿液的凝固時(shí)間無(wú)法準(zhǔn)確掌握，造成水泥沒有達(dá)到一定強(qiáng)度就開始鉆進(jìn)施工，破壞了水泥強(qiáng)度。

4 處理方法和措施

4.1 處理的方案

供水井工程已完工并投入使用，機(jī)井房場(chǎng)地、空間有限，而且井房?jī)?nèi)設(shè)備、管道等都妨礙鉆機(jī)設(shè)備的擺放，因此，采用鉆機(jī)處理事故的方案被否定。

經(jīng)過分析，決定采用吊車起下，人工操作上下分隔器方式，對(duì)井內(nèi)出水渾濁點(diǎn)進(jìn)行上下封閉，通過高壓對(duì)出水點(diǎn)注入水泥漿進(jìn)行封堵，起到封堵石炭、二疊系煤系水作用。

4.2 上下分隔器制作

上下分隔器采用?50 mm鉆桿焊制上下托盤，托盤內(nèi)用編織袋裝黃豆方法止水(采用黃豆泡水膨脹原理)。

止水點(diǎn)位于?273、325 mm井管交接處，因此，上下托盤采用的直徑不同，上托盤采用?200 mm厚度10 mm的鋼板焊接，焊接2塊，間距600 mm；下托盤采用?150 mm厚度10 mm的鋼板焊接，焊接2塊，間距700 mm。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.3 處理方法

圖2 上下分隔器結(jié)構(gòu)圖

(1)把上下分隔器中間用編織袋裝好黃豆，要計(jì)算好黃豆量，按膨脹后2倍體積計(jì)算。

(2)下放過程中要注意編織袋固定在托盤中間，而且控制下放速度，防止下放過程中蹭爛編織袋，黃豆漏出。

(3)用水灰比0.65水泥漿液，加入氯化鈉、三乙醇胺等促凝劑，在注入2 m3后，壓力升高到2 MPa；換成水灰比0.5漿液注0.4 m3，停注。1.5 h后，考慮吊車起拔能力，開始拆除鉆桿。

水井封隔后結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水井封堵結(jié)構(gòu)示意圖

4.4 處理結(jié)果

提起鉆桿后，測(cè)量孔內(nèi)水位由原來(lái)155.4 m下降到157.7 m。2 d后抽水，水質(zhì)清澈，沒有出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，經(jīng)水質(zhì)化驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)都符合飲用水要求。

5 對(duì)分隔器的改進(jìn)

此次水井出水渾濁事故處理是建立在水井房已經(jīng)建成并投入使用，受場(chǎng)地限制，而采取的相對(duì)簡(jiǎn)單有效的處理措施，在處理過程中，出現(xiàn)了注漿完成后25 t吊車不好起拔的問題，后來(lái)分析原因，上下分隔器有需要改進(jìn)的地方。

(1)將上下分隔器裝黃豆的上下托盤間距改為400 mm，初次設(shè)計(jì)因怕密封不夠，設(shè)計(jì)的有點(diǎn)大(600～700 mm)，造成黃豆密封摩擦力太大，起拔困難。

(2)上下分隔器之間出漿口間距，這次設(shè)計(jì)為1.2 m，根據(jù)孔內(nèi)實(shí)際情況可以適當(dāng)調(diào)整，滿足孔內(nèi)要求即可。

(3)可以適當(dāng)調(diào)整水泥漿液初凝時(shí)間，保證起拔孔內(nèi)鉆具順利進(jìn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

通過此次事故處理，對(duì)水井施工中預(yù)防此類事故得出以下體會(huì)。

(1)在水井施工過程中要合理級(jí)配井徑和管徑，使兩者間的間隙在合理范圍內(nèi)，保證水泥漿液能順利充填到井管周圍。

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水泥和所用水的性能，對(duì)所要使用的水泥漿液進(jìn)行試配，得出合理的水灰比，以保證灌注漿液的流動(dòng)性及其強(qiáng)度。

(3)在下放井管過程中，要保證井管居中安放，必要時(shí)可對(duì)井管外側(cè)加扶正器。

(4)固管注漿完成后，要讓水泥有充分凝固時(shí)間，防止因凝固時(shí)間短，對(duì)其擾動(dòng)而影響其強(qiáng)度。

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