水文地質(zhì)鉆探技術(shù)在地下水環(huán)境監(jiān)測井成井中的應(yīng)用

經(jīng) 闖

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局327地質(zhì)隊,安徽 合肥 230011)

在礦產(chǎn)開采利用過程中,會對礦區(qū)地下水環(huán)境造成比較大的影響,表現(xiàn)為地下水水位失衡、水資源減少、水質(zhì)污染、地面沉降等方面[1-2]。開采中的廢渣和礦物通過雨水淋慮,未經(jīng)處理或處理不充分的選礦廢水?dāng)U散至含水層,造成地下水水質(zhì)惡化,直接影響人體健康,需要高度重視[3]。通過地下水環(huán)境監(jiān)測井提供先導(dǎo)性地下水環(huán)境監(jiān)測資料,以防治地下水污染、保護(hù)地下水水質(zhì)、保障礦區(qū)及周邊人體健康[4]。水文地質(zhì)鉆探技術(shù)是獲取地下水資料的一種主要手段,該技術(shù)在地下水環(huán)境監(jiān)測井的應(yīng)用中,成井質(zhì)量直接影響提取水樣的質(zhì)量,所以控制水文地質(zhì)鉆探施工質(zhì)量尤為重要[5-6]。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)條件

礦區(qū)位于揚子與華南兩板塊的拼接地帶,萍鄉(xiāng)—廣豐深斷裂南側(cè)的晚古生代裂陷槽內(nèi)。下伏基巖為震旦—寒武系混合巖組(Su),混合巖上部為灰白一灰黑色混合巖,基體和脈體組成,基體含量較多(40%～70%),脈體含量較少(30%～60%);下部為灰白色混合巖,由黑云母斜長片麻巖、石英云母片巖與花崗質(zhì)脈體組成,夾灰?guī)r或矽卡巖透鏡體,基體含量約30%左右,脈體含量高達(dá)70%左右。礦區(qū)位于候家一嵩山倒轉(zhuǎn)背斜北段的東翼,表現(xiàn)為正常翼的單斜構(gòu)造。在褶曲形成過程中,伴隨有一系列北北東向逆沖(或逆掩)斷層、北北西向逆沖斷層、北西向平推正斷層和北東東向的平推(逆)斷層,構(gòu)成了本區(qū)的基本構(gòu)造輪廓。

1.2 區(qū)域水文氣象特征

本區(qū)為中亞熱帶季風(fēng)氣候,冬季寒冷、夏季炎熱,雨量充沛,無霜期及生長期長,主導(dǎo)風(fēng)向為東東南風(fēng),次主導(dǎo)風(fēng)向為東東北風(fēng),年平均風(fēng)速1.85 m/s,靜風(fēng)頻率17%,年平均氣溫為17.7℃,年降水量1 831.5 mm,年平均蒸發(fā)量1 490.1 mm。

1.3 區(qū)域含水巖組

礦區(qū)內(nèi)無大的地表水體,降雨為地下水主要補給來源,主要為第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、基巖構(gòu)造裂隙水四個含水巖組。本次地下水監(jiān)測層位主要為第四系孔隙水,本區(qū)為低山丘陵地區(qū),地勢南高北低,山形陡峻,溝谷侵蝕切割厲害,大氣降雨多順沖溝流走,對地下水的補給較差。

1.4 區(qū)域地下水的補徑排條件

松散巖類孔隙水,直接接受降水和地表水體的垂直補給,并接受上游的地下水徑流補給。地下水的排泄,在豐水季節(jié)以地下徑流,向下游排泄為主;同時,蒸發(fā)也是排泄方式之一。

2 研究方法及成井工藝分析

該礦區(qū)按不同的水文地質(zhì)單元劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ九個水文地質(zhì)單元,包括風(fēng)井工業(yè)場地、采礦工業(yè)場地、礦部、選廠、炸藥庫、尾礦庫、污水庫、排土場、光伏區(qū)等功能區(qū),面積約32.41 km2,共布設(shè)62口地下水監(jiān)測井。在保證工作質(zhì)量的前提下,力求工作部署方案科學(xué)、合理、規(guī)范、嚴(yán)格,以最小的投入,完成本次地下水環(huán)境監(jiān)測井施工任務(wù)。具體實施工藝過程見圖1。

圖1 工藝流程

2.1 資料搜集

全面搜集礦區(qū)所在的自然地理條件、地質(zhì)環(huán)境背景、水工環(huán)地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測情況等方面的資料,特別是注重收集前人對本地區(qū)地下水現(xiàn)狀調(diào)查、研究的各項成果[3-4]。

2.2 水文地質(zhì)測量

重點調(diào)查區(qū)內(nèi)民井、出露泉點及地表水體的水量、pH值、水質(zhì)等情況進(jìn)行調(diào)查。野外水點采用手持GPS對調(diào)查水點進(jìn)行定位,pH采用SD150儀器進(jìn)行現(xiàn)場測試,現(xiàn)場拍照并建立調(diào)查卡片,將調(diào)查水點標(biāo)繪在工作布置圖上。

2.3 水文地質(zhì)鉆探

該礦區(qū)共布設(shè)62口地下水環(huán)境監(jiān)測井,分布于九個水文地質(zhì)單元內(nèi)[5],其中燕倉尾礦庫布設(shè)監(jiān)測井11口,地下水采樣33組;采礦工業(yè)場地布設(shè)監(jiān)測井6口,地下水采樣18組;選礦廠、1/2/3號污水庫及西排土場布設(shè)監(jiān)測井14口,地下水采樣42組;東排土場及4號污水庫布設(shè)監(jiān)測井16口,地下水采樣48組;老尾礦庫布設(shè)監(jiān)測井5口,地下水采樣15組;南排土場布設(shè)監(jiān)測井10口,地下水采樣30組;監(jiān)測井布設(shè)情況見表1。

表1 監(jiān)測井布設(shè)情況一覽表

監(jiān)測井深度13 m,范圍內(nèi)地層從上至下分為三層,分別為0～5 m素填土、5～10 m殘坡積粉質(zhì)黏土、10～13 m強風(fēng)化混合巖。鉆孔施工采取先鉆后擴(kuò)工藝,先取芯后擴(kuò)孔。采用φ110 mm鉆頭鉆穿第四系厚度(約5～10 m),下入φ108 mm套管。采用φ95 mm金剛石取芯鉆頭取芯鉆進(jìn)到底,詳細(xì)了解地層狀況,為后續(xù)鉆孔設(shè)計和施工提供詳細(xì)資料,同時可以保證鉆孔的質(zhì)量(垂直度)要求。取出取芯鉆孔中所有套管并在原孔位置開始分級擴(kuò)孔作業(yè)。采用φ260 mm擴(kuò)孔,鉆頭鉆進(jìn)至孔底,-0.6～5 m,下入φ160 mm反絲無縫鋼管,5～10 m,下入φ160 mm篩管,10～13 m,下入φ110 mm沉淀管,井管選用PVC-U管。鉆孔結(jié)構(gòu)與成井結(jié)構(gòu)見表2,地層分布及鉆孔結(jié)構(gòu)圖見圖2。

表2 鉆孔結(jié)構(gòu)與成井結(jié)構(gòu)表

圖2 地層分布及鉆孔結(jié)構(gòu)圖

鉆孔孔位、深度依據(jù)鉆探目的確定,以達(dá)到其對區(qū)域控制以及動態(tài)監(jiān)測的目的。具體實施時,若設(shè)計與實際情況有出入,應(yīng)及時進(jìn)行孔深調(diào)整。鉆孔驗收合格后,鉆機方可撤離孔位。鉆井保持垂直,相應(yīng)深度的井斜控制為不大于1°。巖心采取率、整理。不允許超回次鉆進(jìn),粘性土采取率大千85%,砂土大千70%,砂礫(卵)石大千40%,基巖大千85%,全孔平均大于70%。注意初見水位,每次提鉆后、下鉆前做孔內(nèi)水位觀測,鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)涌水、漏水必須做詳細(xì)記錄,流量特別大時要停鉆觀測流量,詳細(xì)記錄,終孔后觀測穩(wěn)定水位。用泥漿鉆進(jìn)鉆孔,要注意泥漿顏色變化特點,漏漿或翻漿的具體位胃、孔深等,并詳細(xì)記錄。抽水孔在各含水層頂?shù)装遄龊弥顾?用粘土球搗實止水,粘土球直徑不大千40 mm,或采用其他方法止水。嚴(yán)格檢查止水效果,若止水不符合要求,必須重新止水。濾水材料選用球度與圓度好、無污染、質(zhì)地堅硬、密度大的石英砂,使用導(dǎo)砂管將濾料緩慢填充至管壁與孔壁中的環(huán)形空隙內(nèi),沿著井管四周均勻填充,避免從單一方位填入,一邊填充一邊適當(dāng)晃動井管,防止濾料填充時形成架橋或卡鎖現(xiàn)象。濾料填充過程進(jìn)行測量,確保濾料填充至設(shè)計高度。抽水試驗孔下濾管后,必須馬上洗孔,洗孔方法要求下管投礫后,用清水沖孔,活塞和空壓機反復(fù)進(jìn)行洗孔,直至水清砂凈、水位反應(yīng)靈敏為止。井管選用PVC-U管,井壁管應(yīng)高出監(jiān)測井附近地面0.6 m。沉淀管應(yīng)安裝在監(jiān)測井底部,長度不宜小于3 m,管底封死。

2.4 抽水試驗

(1)監(jiān)測井均進(jìn)行抽水試驗,要求l個落程,每個落程之間的水位差不得小于1 m。在水位、流量觀測過程中,同時觀測水溫和氣溫。抽水試驗孔應(yīng)先洗井至水清砂凈,含砂量小于1/2 000;抽水試驗前應(yīng)觀測記錄靜止水位;水位最大降深值按抽水設(shè)備能力確定;水位降深順序,松散含水層按先小后大順序逐次進(jìn)行。

(2)在穩(wěn)定延續(xù)時間內(nèi),涌水量和動水位與時間關(guān)系曲線在一定范圍內(nèi)波動,而且沒有持續(xù)上升或下降的趨勢。當(dāng)抽水水位和水量易穩(wěn)定時,延續(xù)時間不少于12 h;當(dāng)抽水水位和水量不易穩(wěn)定時,延續(xù)時間不少于24 h;抽水試驗過程中,應(yīng)在水位或出水量穩(wěn)定后采取水樣。

(3)停泵后立即觀測恢復(fù)水位,觀測時間間隔與抽水試驗要求基本相同。若連續(xù)3h水位不變,或水位呈單向一變化,連續(xù)4 h內(nèi)每小時水位變化不超過1 cm,或者水位升降與自然水位變化相一致時,即可停止觀測。

2.5 地下水動態(tài)觀測

對查區(qū)內(nèi)本次設(shè)計施工的監(jiān)測孔進(jìn)行的動態(tài)觀測,監(jiān)測內(nèi)容包括水位、水溫,每月觀測1次,并連續(xù)一個水文年以上。水質(zhì)按豐水期、平水期、枯水期每年監(jiān)測3次。對監(jiān)測點定期進(jìn)行質(zhì)量檢查,對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計分析,確保了動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)是真實可靠的。

2.6 水質(zhì)分析

根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》(HJ610-2016)及《地下水環(huán)境狀況調(diào)查評價工作指南》(環(huán)辦土壤函[2019]770號)的要求,礦山開采區(qū)地下水監(jiān)測檢測因子見表3。

表3 檢測因子一覽表

3 主要問題及對策

3.1 水文地質(zhì)鉆探

(1)孔位、孔深質(zhì)量問題。鉆孔分散在礦區(qū)不同功能區(qū),地點分散,鉆孔搬家和就位困難。具體實施時,孔位根據(jù)本次鉆孔定點工作成果,在設(shè)計的基礎(chǔ)上可以做適當(dāng)調(diào)整。

(2)鉆孔垂直度質(zhì)量問題。鉆孔范圍內(nèi)涉及三種地層,為保證鉆孔垂直度,采取先鉆后擴(kuò)工藝,先取芯后擴(kuò)孔,保證鉆孔的質(zhì)量(垂直度)要求。

(3)巖芯采取質(zhì)量問題。在鉆孔施工過程中,巖芯采取中凡屬塊狀、散粒狀、粉狀巖芯,按照鉆頭直徑2/3的尺寸予以合攏;散粒狀、碎屑狀巖芯均要求在鉆孔附近選取合適位置妥善保管,防止混合及雨水沖刷流失。

(4)水樣采取質(zhì)量問題。監(jiān)測孔施工結(jié)束后,鉆機設(shè)備離場,地下水動態(tài)監(jiān)測還需采取兩次水樣,采取水樣時要滿足水樣新鮮、能代表淺層地表水水質(zhì),不能直接采取鉆孔內(nèi)死水。施工中取樣時,對監(jiān)測孔進(jìn)行簡易抽水試驗后,方可進(jìn)行取樣。

3.2 泥漿處理

(1)泥漿排放與處理問題。作業(yè)機具、材料、泥粉、鉆探產(chǎn)生的泥漿都應(yīng)控制在圍蔽區(qū)內(nèi)。在圍蔽內(nèi)地面滿鋪彩條布,在鉆機下墊枕木及彩條布做成泥漿池或使用專用泥漿桶對鉆探過程中的泥漿進(jìn)行循環(huán)使用,對圍敝內(nèi)的泥漿外溢進(jìn)行清理打掃。

(2)泥漿外溢及處理問題。鉆進(jìn)時使用專用的泥漿桶進(jìn)行鉆機泥漿循環(huán),避免泥漿外流,對于產(chǎn)生的巖芯沉渣和多余泥漿,可用桶裝好,用車及時運走。在鉆探過程中機組人員須及時巡檢,如發(fā)現(xiàn)泥漿外溢現(xiàn)象應(yīng)及時清掃和采取防堵措施。鉆探完畢對泥漿應(yīng)經(jīng)沉淀處理后,清水部分可按污水排放,廢棄巖芯和泥漿沉淀物須用編織袋裝好后,統(tǒng)一排放到充許進(jìn)行固體廢料排放的地方。

4 結(jié)語

該工程依據(jù)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測井作業(yè)過程、水文地質(zhì)鉆探質(zhì)量控制,克服主要問題,在規(guī)定的工期內(nèi)圓滿完成了施工任務(wù),為礦區(qū)掌握地下水環(huán)境情況、防治地下水污染、升級選礦技術(shù)和防滲技術(shù)提供基礎(chǔ)資料?？蔀橥惖刭|(zhì)環(huán)境監(jiān)測井施工提供實例參考。