煤礦地下水雙層監(jiān)測技術(shù)與裝置研究

王紅梅，董書寧

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013； 2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054； 3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710054)

水害是礦山開采的五大自然災害之一，我國煤礦生產(chǎn)長期受水害威脅[1-3]。地下水監(jiān)測預警技術(shù)是有效防控煤礦水害事故的重要手段[4-7]，其通過對礦井主要地下含水層水位、水溫和水質(zhì)等參數(shù)的實時監(jiān)測，全面掌握地下水的時空演化規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)地下水異常變化進而對礦井突水災害進行超前預警，為災害預防或井下作業(yè)人員逃生爭取時間和空間[8-11]。要實現(xiàn)礦井水害精準預測，就需要建設(shè)監(jiān)測點全面覆蓋井田甚至周邊區(qū)域地下各含水層的水文監(jiān)測網(wǎng)[12]。傳統(tǒng)煤礦水文監(jiān)測孔為一個孔只監(jiān)測一個含水層參數(shù)，或一個孔監(jiān)測兩個以上混合含水層的參數(shù)。受到監(jiān)測孔建設(shè)成本和周期影響，煤礦地下水監(jiān)測孔數(shù)量往往較少，不能滿足水害預警對監(jiān)測點密度的要求。為了在有限預算內(nèi)，大幅度增加地下水監(jiān)測點密度，提高監(jiān)測孔的利用效率，一孔多層監(jiān)測技術(shù)成為解決這一問題的有效手段。

1 研究現(xiàn)狀

一孔多層監(jiān)測技術(shù)是指在一個監(jiān)測孔中同時獲取多個不同深度含水層監(jiān)測數(shù)據(jù)。國內(nèi)應(yīng)用較多的一孔多層監(jiān)測技術(shù)與裝備主要有多級完整監(jiān)測井(巢式監(jiān)測井)、連續(xù)多通道監(jiān)測井(“CMT”監(jiān)測系統(tǒng))、Waterloo監(jiān)測井和Westbay監(jiān)測系統(tǒng)等。主要應(yīng)用在場地地下水污染調(diào)查、重要河流流域地下水環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[13-20]。一孔多層監(jiān)測技術(shù)與裝備的最大監(jiān)測應(yīng)用深度350m，最大井徑?450mm，最大監(jiān)測層數(shù)為7層，主要采用填料止水或氣囊封隔止水[21-23]。這些一孔多層監(jiān)測技術(shù)往往面臨較大井徑、填料止水技術(shù)難度大、監(jiān)測深度有限、氣囊封隔不適用于長期監(jiān)測等問題，均不適于在埋深較大煤礦地下水監(jiān)測孔中應(yīng)用。

基于此，本文從煤礦地下水動態(tài)監(jiān)測實際出發(fā)，研發(fā)出一種成本低廉、止水效果可靠、易于安裝、可長期使用的一孔雙層監(jiān)測技術(shù)與裝置。旨在有限預算內(nèi)大幅提高監(jiān)測點密度，有效解決煤礦地面水文監(jiān)測孔因建設(shè)成本高、周期長而造成的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)密度不夠的實際問題。

2 監(jiān)測裝置設(shè)計

2.1 設(shè)計原理

煤礦地下水一孔雙層監(jiān)測技術(shù)是向監(jiān)測孔內(nèi)安裝一個分隔止水裝置，該裝置上端連接中心測量管，底部用安全銷固定密封堵頭。通過向測量管內(nèi)充水使分隔止水裝置膨脹工作；而后繼續(xù)加大充水壓力使安全銷切斷，密封堵頭脫落，中心測量管和分隔止水裝置內(nèi)部空間共同形成下部含水層的監(jiān)測通道；中心測量管與井壁的環(huán)狀間隙形成上部含水層的監(jiān)測通道。再在分隔止水裝置頂部灌入一定量的水泥漿，增加分隔止水裝置的隔水性和耐久性。最后通過向兩個通道內(nèi)安裝水文傳感器實現(xiàn)一孔雙層監(jiān)測。監(jiān)測孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地下水一孔雙層監(jiān)測孔結(jié)構(gòu)

2.2 設(shè)計方案

2.2.1 分隔止水裝置設(shè)計與加工

一孔雙層監(jiān)測技術(shù)的核心是孔內(nèi)安裝的分隔止水裝置。分隔止水裝置在煤礦地下水監(jiān)測孔的適用性、分隔止水的效果以及孔內(nèi)安裝操作的難易程度都直接決定了一孔雙層監(jiān)測技術(shù)是否能夠解決當前煤礦地下水監(jiān)測孔建設(shè)的實際問題。因此，針對煤礦地下水監(jiān)測孔的普遍安裝條件進行分隔止水裝置的設(shè)計，并在室內(nèi)進行相關(guān)性能的測試，以確保該裝置能在孔內(nèi)一次安裝成功并有效工作。

設(shè)計的分隔止水裝置包括內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)、外敷橡膠皮、進水小導管、逆止閥、安全銷等主要部件，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)采用Cr40結(jié)構(gòu)鋼加工；橡膠外皮選用由天然橡膠與帆布熱熔合成，中間纏4層?0.5mm鋼絲的標準橡皮。要求橡膠外皮伸縮率大于30%，并能在承受35MPa壓力下不破壞。分隔止水裝置尺寸可根據(jù)安裝孔徑進行調(diào)整。本次試驗將分隔止水裝置安裝在?177.8mm孔內(nèi)600m深處，設(shè)計分隔止水裝置最大外徑?140mm，長2.3m，中心測量管內(nèi)徑最小?45mm，中心測量管與孔壁的環(huán)裝間隙平均60mm，保證了常規(guī)尺寸水文傳感器的安裝。設(shè)計加工的分隔止水裝置正常工作壓力為4MPa、極限破壞壓力為14MPa；安全銷切斷壓力7MPa，加工實物如圖2所示。

圖2 加工成的分隔止水裝置實物

2.2.2 分隔止水裝置室內(nèi)測試

為確保分隔止水裝置的安全性和有效性，在試驗室內(nèi)對加工好的分隔止水裝置進行各項性能測試試驗。

1)試驗倉加工。用內(nèi)徑?177.8mm壁厚10mm無縫鋼管加工一個試驗倉，將分隔止水裝置安裝在試驗倉內(nèi)進行各項性能測試試驗，如圖3所示。整個試驗裝置從左至右依次為：1號手壓泵—連接管—1號壓力表—連接器—?177.8mm無縫鋼管—分隔止水裝置—連接器—2號壓力表—2號手壓泵。

圖3 室內(nèi)性能測試試驗裝置

2)試驗技術(shù)要求。室內(nèi)性能測試試驗要充分模擬分隔止水裝置在鉆孔中安裝的實際過程；要按照孔內(nèi)被分隔的上下含水層的水頭差以及裝置的整體重量綜合確定各項性能測試試驗的壓力；要對影響安裝和分隔止水效果的部分進行極限性能測試。為確保試驗安全，除鋼結(jié)構(gòu)滲漏性試驗外，其余性能測試試驗均需在試驗倉內(nèi)進行。試驗過程中要做好安全防護。

2.3 性能檢測試驗

2.3.1 鋼結(jié)構(gòu)滲漏性檢測試驗

為了確保上下含水層分隔止水的有效性，杜絕上下含水層通過內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)連通而發(fā)生串層，對分隔止水裝置進行內(nèi)部滲漏性試驗。在安全銷未打開狀態(tài)下，由分隔止水裝置連接器向裝置內(nèi)部充水，觀察密封堵頭、鋼結(jié)構(gòu)連接處及橡膠熱壓接口處的滲漏情況。試驗流程如圖4所示。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)滲漏性試驗流程

用2號手壓泵向裝置內(nèi)充水壓力達到5MPa后，靜置10min。試驗觀察到鋼結(jié)構(gòu)連接處、橡膠液壓接口處均無滲漏，密封堵頭處有少量滲水。分析認為，密封堵頭與下連接器均為鋼制結(jié)構(gòu)。為保證密封堵頭能順利脫落，這兩個部件加工時留有一定間隙。對密封堵頭頂部涂抹1cm的黃泥后，重新開始試驗。向裝置內(nèi)部充水，加壓至5MPa后靜置10min，第二次試驗過程中裝置一直未見明顯滲漏現(xiàn)象。試驗表明鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部密封性良好，不存在上下含水層的串層通道。

2.3.2 橡膠皮膨脹性和耐壓性試驗

將分隔止水裝置安裝在試驗倉內(nèi)，用試驗倉側(cè)板頂住密封堵頭，防止試驗加壓過程中密封堵頭脫落。用2號手壓泵向分隔裝置內(nèi)充水，觀察橡膠外皮在2MPa、4MPa、7MPa和14MPa壓力下的膨脹情況。試驗流程如圖5所示。

圖5 膠皮膨脹性和耐壓性試驗流程

試驗觀察到向裝置充水加壓至1MPa時，橡膠外皮明顯膨脹；加壓至2MPa時，橡膠外皮與試驗倉緊密貼合；逐漸加壓至4MPa和7MPa時，橡膠皮與試驗倉壁緊密貼合，泄壓后分隔止水裝置外觀無異常；加壓至14MPa后靜置30min，分隔止水裝置未發(fā)生破壞。泄壓后分隔止水裝置橡膠熱壓接口處略微有變形。

試驗表明分隔止水裝置膨脹性能良好。裝置滿足設(shè)計壓力要求，裝置能承受的極限壓力為14MPa。

2.3.3 裝置的整體隔水性測試

將分隔止水裝置安裝在試驗倉中部，在試驗倉左側(cè)留下部分空腔。首先用2號手壓泵向分隔止水裝置充水加壓至1MPa，然后用1號手壓泵向1號空腔充水，待水從試驗倉右端流出后，1號、2號手壓泵同時工作，直至試驗倉右端不再出水。然后繼續(xù)用2手壓泵向分隔止水裝置加壓至4MPa；然后用1號手壓泵向1號空腔充水，觀察試驗倉右端的出水情況，同時測量分隔止水裝置在試驗倉壓力作用下的位移。分隔止水裝置累計位移達到10mm或試驗倉內(nèi)水壓達到5MPa后保持10min，試驗結(jié)束。試驗流程如圖6所示。

圖6 裝置的整體隔水性測試流程

經(jīng)試驗測試，分隔止水裝置加壓到2MPa后，試驗倉右端不再出水。分隔止水裝置加壓至4MPa后，分隔止水裝置在5MPa壓力作用累計位移2mm。分析原因，分隔止水裝置的移動是因為試驗倉高壓使分隔止水裝置橡膠膨脹部分發(fā)生變形，分隔止水裝置橡膠外皮與井壁并未發(fā)生相對移動。也就是說分隔止水裝置正常工作狀態(tài)下，能有效隔離5MPa的水壓而不發(fā)生移動。

2.3.4 安全銷破斷試驗

將分隔止水裝置安裝在試驗倉中部，用2號手壓泵向分隔止水裝置充水加壓至7MPa。當安全銷切斷密封堵頭脫落試驗結(jié)束。當分隔止水裝置內(nèi)部壓力大于7MPa，而安全銷未切斷時停止試驗，對安全銷進行校準后重新進行試驗。試驗流程如圖7所示。

圖7 安全銷破斷試驗流程

試驗中當2號手壓泵充水壓力達到6.9MPa時，安全銷切斷，密封堵頭脫落。雖然安全銷的試驗破斷壓力小于設(shè)計壓力，但大于分隔止水裝置正常工作壓力。也就是說，安全銷在6.9MPa壓力下破斷。切斷壓力雖未達到7MPa，但并不影響分隔止水裝置充水膨脹和正常工作性能。安全銷強度滿足設(shè)計要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 工程概況

山東李樓煤礦位于巨野煤田北部，為典型的全隱蔽石炭二疊系井田。主要開采煤層為二疊系山西組3煤。煤層開采受到頂板二疊系厚層砂巖裂隙水和底板奧陶系灰?guī)r水威脅；新近系底部松散層水是砂巖裂隙水的主要補給來源。因此，礦井地下水動態(tài)監(jiān)測的主要層位為：新近系底部含水層、石盒子組砂巖含水層和奧灰含水層。選用位于井田南北兩翼的水文地質(zhì)補充勘探孔BSD6和BSD9作為一孔雙層監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究的現(xiàn)場試驗孔。設(shè)計在BSD6孔完成對新近系底部與奧陶系灰?guī)r2個含水層的監(jiān)測；在BSD9孔完成新近系底部和石盒子組下段含水層的監(jiān)測。試驗孔同時兼具地質(zhì)探查孔、抽水試驗孔和示蹤試驗孔等多重任務(wù)。根據(jù)鉆孔承擔的勘探任務(wù)，鉆孔設(shè)計為三路套管四級變徑的復雜結(jié)構(gòu)。

3.2 鉆孔施工技術(shù)要求

傳統(tǒng)的水文地質(zhì)補充勘探中，一般是從上到下逐層完成抽水試驗。上部含水層抽水試驗完成后，對含水層進行封閉，然后繼續(xù)向下鉆進，再對下一段含水層進行抽水試驗。而要將勘探孔最終建設(shè)成一孔雙層監(jiān)測孔，則不能封閉上部含水層。這就需對勘探孔施工技術(shù)做一些特殊設(shè)計。

根據(jù)BSD6和BSD9勘探孔鉆孔實際揭露含水層的深度，一孔雙層監(jiān)測系統(tǒng)要求安裝在孔深500～700m之間的?177.8mm二路套管內(nèi)。為了既能完成原有水文勘探任務(wù)，又能釋放兩個含水層。設(shè)計?177.8mm套管直通孔口，并在新近系底部與?219套管重疊處設(shè)置反向接頭。鉆孔勘探期間，由?177.8mm套管隔離上部新近系含水層對下部勘探任務(wù)的干擾；勘探任務(wù)結(jié)束后，對BSD9孔山西組地層用水泥漿封閉，再將?177.8mm套管反向旋轉(zhuǎn)，拆除新近系底部以上的?177.8mm套管，形成同時釋放兩個目標含水層的監(jiān)測孔。

3.3 應(yīng)用效果

3.3.1 BSD6孔應(yīng)用效果

新近系底部含水層初始水位比奧灰含水層初始水位高12.21m。BSD6孔監(jiān)測初期，新近系底部含水層水位緩慢上升，而奧灰含水層水位緩慢下降；監(jiān)測中期，新近系底部含水層水位上升趨緩，而奧灰含水層水位緩慢上升；監(jiān)測后期，奧灰含水層水位出現(xiàn)明顯下降趨勢，而新近系水位變化不明顯。從兩個含水層水位變化趨勢可以看出含水層無串層現(xiàn)象，如圖8所示。BSD6孔成功實現(xiàn)了一孔雙層監(jiān)測。

圖8 BSD6孔雙層監(jiān)測水位歷史曲線

圖9 BSD9孔雙層監(jiān)測水位歷史曲線

3.3.2 BSD9孔應(yīng)用效果

BSD9孔監(jiān)測期間新近系水位始終穩(wěn)定在35m左右，而石盒子組下段含水層水位由初始的-322m緩慢下降至-414m。兩個目標含水層監(jiān)測水位標高明顯不同，變化趨勢也不同，如圖9所示。表明BSD9孔內(nèi)無串層現(xiàn)象，成功實現(xiàn)了一孔雙層監(jiān)測目的。

4 結(jié) 論

為了提高煤礦水害監(jiān)測預警準確性，在有限投資內(nèi)大幅增加監(jiān)測點的密度，通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場檢驗，研制出了一種安裝于孔內(nèi)的分隔止水裝置，并在此基礎(chǔ)上提出了適用于煤礦地下水監(jiān)測的一孔雙層監(jiān)測技術(shù)，最終得到以下主要結(jié)論。

1)一孔雙層監(jiān)測技術(shù)與裝置的安裝孔徑受傳感器的尺寸控制。在當前常規(guī)傳感器尺寸條件下，普遍適用于直徑大于?140mm的孔中。在更小的孔內(nèi)安裝則需要配套更小尺寸的傳感器。

2)一孔雙層監(jiān)測技術(shù)與裝置安裝不受孔深限制，配套相應(yīng)的洗井和封閉止水措施后，可在地質(zhì)勘探井、水文地質(zhì)勘探井中安裝；可充分利用勘探孔完成地下水監(jiān)測孔建設(shè)。

3)一孔雙層監(jiān)測技術(shù)與裝置也適用于對礦井原有老舊監(jiān)測孔的改造，提高監(jiān)測點密度和監(jiān)測精度。

4)安裝于孔內(nèi)的分隔止水裝置加工簡單、成本低廉、易于安裝、分隔止水效果長期可靠；在對煤礦埋深較大的含水層的長期監(jiān)測中優(yōu)勢明顯。