李曉龍，董書寧，劉愷德

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.西京學(xué)院 陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710123）

近年來因水文地質(zhì)條件不清，造成礦井采掘失衡，礦井防治水工作難度加大，對煤礦安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響[1]。分層抽水可準(zhǔn)確獲取地下水的水力學(xué)參數(shù)，取得含水層在空間的化學(xué)場、動力場、溫度場的數(shù)據(jù)，對于深刻認(rèn)識水文地質(zhì)條件，合理概化水文地質(zhì)模型，精確評價(jià)地下水資源，指導(dǎo)礦井防治水工作，實(shí)現(xiàn)“保水采煤”的愿景，起著至關(guān)重要的作用。

早在20 世紀(jì)50 年代，我國水文地質(zhì)工作者通常采取針對每1 個(gè)含水層施工1 個(gè)鉆孔，或按試驗(yàn)含水層的順序，將含水層依次用套管隔開，以實(shí)現(xiàn)分層抽水，但此方法需花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，尤其當(dāng)鉆孔深度過大，含水層呈層狀結(jié)構(gòu)時(shí)，施工難度更大。也有學(xué)者提出采用混合抽水的方法解決分隔含水層的困難，以求取各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，但混合抽水結(jié)果往往無法分析，且計(jì)算公式復(fù)雜，求取的水文地質(zhì)參數(shù)誤差較大，可見分層止水成井、分層抽水的重要性與緊迫性，為此我國水文地質(zhì)工作者緊緊圍繞分層抽水技術(shù)的相關(guān)設(shè)備、技術(shù)、材料等方面開展了大量的研究工作[2]。

分層抽水的前提是止水成井，包括管外止水和管內(nèi)止水，止水效果決定著分層抽水的成功與否，止水材料、設(shè)備則對止水工作產(chǎn)生直接影響[3]?，F(xiàn)階段我國水文地質(zhì)勘查分層止水技術(shù)已形成“異徑分臺階止水”、“一孔同徑，分層止水”；止水材料有水泥、黏土球、止水膠帶、海帶、黃豆、膨脹橡膠、油繩、油棉線、桐油石灰、牛肉、封隔器（Packer）等。2016年，中國地質(zhì)調(diào)查局水環(huán)中心采用Packer 封隔分層止水技術(shù)圓滿完成了5 層水文地質(zhì)鉆孔分層抽水試驗(yàn)，是目前國內(nèi)外最復(fù)雜的地下水分層抽水試驗(yàn)。雖然分層止水技術(shù)已取得一些成績，但總的來說，針對不同地質(zhì)條件、經(jīng)濟(jì)條件、工況，分層止水技術(shù)應(yīng)用仍較復(fù)雜。為此，對我國多層含水層分層止水技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，并提出存在問題及研究方向，以期為多層含水層分層止水技術(shù)提供借鑒。

1 異徑分臺階止水技術(shù)研究現(xiàn)狀

含水層的個(gè)數(shù)決定鉆孔結(jié)構(gòu)，一般情況下，含水層個(gè)數(shù)與鉆孔孔徑級數(shù)相同，自上而下孔徑逐級減小，故通常采取多級擴(kuò)孔，大徑成井，以下入多級井管、濾水管，實(shí)現(xiàn)分層止水。異徑分臺階止水技術(shù)包括自上而下分層止水、自下而上分層止水，一般同一鉆孔僅能做2～3 層抽水試驗(yàn)。

1.1 自上而下分層止水技術(shù)

自上而下分層止水成孔工藝：一次成孔，逐層止水；分階段成孔，依次對各含水層分層止水。

1）管外永久止水，管內(nèi)變徑止水。1984 年，金立元等針對潛水含水層、承壓含水層組分層抽水試驗(yàn)，采用分層填礫、黏土球的方法進(jìn)行管外止水，采用井內(nèi)預(yù)設(shè)止水圓盤工藝進(jìn)行管內(nèi)止水，亦采用異徑截錐型濾水管接頭與特制的膠塞進(jìn)行管內(nèi)止水。針對承壓水頂托力過大造成井內(nèi)止水塞無法下入的情況，在原膠塞的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了能開、關(guān)的“卸壓活門”裝置，使膠塞順利下至止水位置，實(shí)現(xiàn)分層止水[4]。井結(jié)構(gòu)示意圖、異徑截錐示意圖、特制膠塞示意圖、圓盤止水示意圖如圖1。2017 年，郝國利等人在張家口后備水源地勘查項(xiàng)目分層抽取2 層地下水時(shí)，采取大口徑一徑到底，管外填礫、黏土球止水，管內(nèi)變徑止水，既實(shí)現(xiàn)分層抽水，亦可觀測上下含水層水位變化。管內(nèi)變徑止水示意圖如圖2[5]。

圖1 管外永久止水、管內(nèi)變徑止水示意圖Fig.1 Water-exclusion outside casing permanently, waterexclusion inside different diameters casing

圖2 管內(nèi)變徑止水示意圖Fig.2 Water-exclusion inside different diameters casing

2）管外管靴止水，管內(nèi)逐層抽水。1988 年，韓樹青在陜北煤田水文地質(zhì)勘探時(shí)，針對松散含水層、承壓含水層分層止水，地層構(gòu)造簡單，裂隙不發(fā)育的地層，采用管靴止水法，提出小口徑套管在止水位置焊接止水環(huán)，止水環(huán)下部纏繞1.2～1.5 m 長的油棉線，依靠套管自重將油棉線壓實(shí)坐于變徑位置，實(shí)現(xiàn)管外止水[6]。1994 年，國永久分析了管靴止水器的工作原理[7]。2013 年，李學(xué)良參考文獻(xiàn)[6]方法，在河南省平頂山市深部煤炭資源勘查水文孔分層抽水時(shí)，提出借助巖心管將黏土球、磚塊、掃把桿等送入到隔水層段合理位置架橋隔開上下含水層，隨之下入井管、濾水管，井管在變徑處連接止水壓盤實(shí)現(xiàn)管外止水，止水壓盤下部纏繞1 m 長的油浸棉盤根線，待抽取上層水結(jié)束后，拔出所有套管，下鉆透開架橋，再次擴(kuò)孔，重復(fù)上述流程，抽取下層水[8]。2015年，張?jiān)品濉O增兵、王斌斌等人也分析了管外變徑海帶止水的缺點(diǎn)[9]。

3）管外永久止水，管內(nèi)雙封壓縮止水器止水。2008 年，張建良針對第四系2 個(gè)含水層分層止水，采用管外填礫、黏土球止水，管內(nèi)止水裝置止水，包括壓縮止水器、雙封止水器、花眼鉆桿，止水材料為橡膠、海帶[10]。雙封壓縮止水器分層抽取2 層地下水示意圖如圖3。2013 年，邱長健、郭麗娟，2017 年，敖文龍等亦分析、借鑒此技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了分層止水[11-13]。2017 年，何計(jì)彬等分析了此技術(shù)存在的問題[14]。另1994 年，國永久分析了異徑壓縮止水器工作原理[7]。

圖3 雙封壓縮止水器分層抽取2 層地下水示意圖Fig.3 The using of double seal compression water exclusion device in stratify extracting two layers of groundwater

4）管外止水圓盤止水，管內(nèi)架橋止水。2007 年，王淑梅等在遼寧省康平縣某井筒檢查孔分層抽取4層地下水時(shí)，將焊接好的沉淀管、濾管、井管一次入井，管外各層變徑止水處預(yù)留止水圓盤，并用止水膠帶纏繞，管內(nèi)3 處變徑均裝入長度不小于 5 m 的木塞，附黏土止水，實(shí)現(xiàn)管內(nèi)架橋，待上部含水層抽水結(jié)束后，透開第1 個(gè)止水木塞，再次下入大于下一級，小于上一級井管的套管分隔上部含水層，逐次完成分層抽水[15]。2011 年，王海波針對兩淮煤田新生界松散含水層抽取“底含”水試驗(yàn)，提出采用止水圓盤異徑壓力黏土加注漿法，即向止水圓盤上部井管與井壁環(huán)空注入水泥漿完成管外止水，止水圓盤下部第1 根套管內(nèi)預(yù)制2 m 長的水泥柱，待環(huán)空候凝合格后，下鉆掃開水泥柱，抽取下層水[16]。

5）管外變徑止水，管內(nèi)逐層抽水。2016 年，趙宗昌分析了逐層鉆穿含水層，下止水管隔離上部含水層，完成抽水試驗(yàn)后，起拔止水套管，再鉆穿下部含水層以抽水的缺點(diǎn)[17]。

1.2 自下而上分層止水技術(shù)

1）管外止水托盤止水，管內(nèi)止水圓盤止水。2004年，曾可平等在準(zhǔn)噶爾盆地施工水文勘探孔，針對2層含水層分層止水，管外采取止水位置預(yù)先安裝2個(gè)止水托盤，附以海帶、錐形止水橡膠圈止水，管內(nèi)隔水管底部焊接止水托盤，托盤底部安裝止水橡膠，或在托盤上部捆綁2～5 m 長的海帶以實(shí)現(xiàn)管內(nèi)止水。隔水管底部預(yù)留水眼抽取下層水，之后可采取拔出抽水管，封閉隔水管進(jìn)水口，選用灌滿鐵砂粉鋼管，利用反絲鉆具將鋼管送至變徑止水處，實(shí)現(xiàn)永久止水，亦可將下部抽水管拔出，封閉隔水管進(jìn)水口，對托盤上部一定范圍內(nèi)的隔水管割圓孔，使上層水進(jìn)入隔水管[18]。2013 年，安文久在甘肅民勤縣水源孔兩層含水層分層抽水試驗(yàn)中，亦采用此方法完成管外、管內(nèi)止水[19]。

2）多級套管逐層完成分層止水。2015 年，張?jiān)品?、孫增兵等人在新疆準(zhǔn)東煤田水文地質(zhì)勘探孔分層抽取3 層地下水時(shí)，提出將鉆孔擴(kuò)孔為三級孔徑，依次下入一級、二級套管至相應(yīng)變徑處，且均在套管底部纏繞厚海帶止水，下入三級井管及濾管完成下部含水層抽水，之后拔出井管、濾管，注漿封堵該層，同理逐次完成上部含水層抽水[9]。

3）管外止水托盤止水，管內(nèi)止水器止水。2016年，趙宗昌等以白水煤礦井筒檢查孔3 層含水層分層抽水試驗(yàn)為例，采取鉆進(jìn)至第一含水層底界時(shí)停鉆進(jìn)行抽水試驗(yàn)。下部2 個(gè)含水層采用小徑鉆至終孔，擴(kuò)孔下入一級套管，套管外焊止水托盤隔開第一含水層，第二含水層下入二級濾管，第三含水層將鉆桿兼作出水管、止水管，并在鉆桿外焊接可壓縮止水器隔開第二含水層，待第三含水層抽水結(jié)束后，水泥封堵此含水層，再次抽取第二含水層水[17]。

4）管內(nèi)膠塞止水，管外水泥止水。2017 年，萬億、韓柳等進(jìn)行新疆伊犁谷地水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目勘探孔分層抽取2 層含水層水時(shí)，采取大口徑一徑到底，下入二級井管、濾管，利用鉆桿通過井管與孔壁環(huán)空注水泥完成管外下部含水層止水，管內(nèi)變徑膠塞止水[20]。

2 一孔同徑分層止水技術(shù)研究現(xiàn)狀

一孔同徑分層止水主要包括傳統(tǒng)分層止水技術(shù)、Packer 分層止水技術(shù)，傳統(tǒng)分層止水技術(shù)一般可實(shí)現(xiàn)2 層含水層的分層止水，Packer 分層止水技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多層含水層分層止水。

2.1 傳統(tǒng)分層止水技術(shù)

1）管外止水器止水。1965—1978 年，云南省地質(zhì)局第八地質(zhì)隊(duì)設(shè)計(jì)鉆孔簡易同徑止水器，在止水位置孔壁處完成止水，止水材料為桐油石灰，實(shí)現(xiàn)一孔多用。止水器由異徑接頭、短管、巖心管接箍、連接鎖母和連接接頭組成，短管一般長0.8～1.2 m，若孔壁不完整可適當(dāng)加長。止水器的下端連接支撐管（套管或鉆桿），當(dāng)支撐管下至孔底，反轉(zhuǎn)止水管回動使連接鎖母與連接接頭脫離，止水管就壓縮止水物堵塞孔壁間隙，達(dá)到止水目的[21]。鉆孔簡易同徑止水示意圖如圖4。1994 年，東煤地質(zhì)局國永久分層抽取2 層地下水，設(shè)計(jì)了同徑壓縮止水器，包括外套壓縮管、內(nèi)套伸縮管，外套管下壓附在內(nèi)套管上的止水材料，使止水材料在外壓環(huán)下部托盤間橫向膨脹，充滿孔壁和套管的空間，分隔上下含水層[7]。1994年，中國煤田地質(zhì)總局第二水文隊(duì)王永全等在某礦區(qū)水源地大口徑井分層抽取2 層水時(shí)，利用止水器采取同徑止水法，結(jié)合鉆桿、單向逆止閥、水泥封隔上部含水層，候凝合格后，繼續(xù)鉆進(jìn)下部含水層[22]。

2）管外永久止水，管內(nèi)止水塞止水。1996 年，楊建新、劉王新在南陽油田水源地抽水試驗(yàn)孔分層抽取2 層水時(shí)，采取大口徑一徑到底，管外填礫、黏土球止水，管內(nèi)采用鉆桿、鋼板、橡膠圈制作的止水塞止水。為了克服抽上層水時(shí)，止水塞受水泵的抽吸作用和水頭壓力作用向上浮動，造成止水塞在井內(nèi)錯位，以及抽完水后止水塞不易對扣拔出，特設(shè)計(jì)“籠狀式”吊裝水泵裝置[23]。

圖4 鉆孔簡易同徑止水示意圖Fig.4 Simple water exclusion with same diameter borehole

3）管外永久止水，管內(nèi)反絲裝置止水。2008 年，張建良分析了2 層含水層常用分層止水方法的缺點(diǎn)，即管外填礫、黏土球止水，抽取上層水時(shí)管內(nèi)采用鉆桿連接 7～10 m 長的反絲鋼管，鋼管外側(cè)加工3 組止水裝置，止水材料為膨脹橡膠，抽取下層水時(shí)采取自井口直接下入帶有 3 組止水裝置的鋼管至止水位置[24]。反絲鋼管止水示意圖如圖5。2017 年，何計(jì)彬等分析了此技術(shù)存在的問題[14]。

圖5 反絲鋼管止水示意圖Fig.5 Reverse steel pipe water exclusion

2.2 Packer 分層止水技術(shù)

2015 年，中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心吳宏濤、鄭繼天等依托“黑河流域重點(diǎn)地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查”、“三江平原高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目，研制了地下水分層抽水采樣系統(tǒng)，主要由充氣封隔系統(tǒng)（Packer）、抽水系統(tǒng)、壓力傳感系統(tǒng)組成。將上、下充氣封隔器下入井中止水位置，使試驗(yàn)?zāi)康膶佣闻c其上、下非目的層段隔離[25]。分層抽水原理示意圖如圖6，管內(nèi)分層止水器具安裝示意圖如圖7，雙封隔器連接實(shí)物圖如圖8。2017 年，孫芳強(qiáng)等在新疆三工河流域采用此技術(shù)實(shí)現(xiàn)了第四系含水層同徑止水[26]。

圖6 分層抽水原理示意圖Fig.6 The principle of stratify groundwater extraction

圖7 管內(nèi)分層止水器具安裝示意圖Fig.7 Installing of stratified water exclusion device in casing

2016 年，張建偉、楊卓靜等在黑河流域水文地質(zhì)調(diào)查時(shí)，針對深孔分層止水，設(shè)計(jì)了封隔器，由高壓氮?dú)馄?、?dǎo)氣管、膠桶和水管組成，封隔裝置放置于兩含水層止水實(shí)管處[27]。

2017 年，何計(jì)彬等在陜甘寧革命老區(qū)1∶5 萬水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中利用特制充氣膠筒式封隔器完成第四系、第三系3 個(gè)含水層的分層抽水試驗(yàn)[14]。膠筒式封隔器抽水示意圖如圖9。

3 存在問題及研究方向

圖8 雙封隔器連接實(shí)物圖Fig.8 The connection of physical double packer

圖9 膠筒式封隔器抽水示意圖Fig.9 Rubber-sleeve packer in pumping water

1）異徑分臺階止水技術(shù)，隨著含水層個(gè)數(shù)的增多，井徑不斷增大，井壁穩(wěn)定性差，井斜要求高，易出現(xiàn)擴(kuò)徑現(xiàn)象，多級擴(kuò)孔費(fèi)用高，耗費(fèi)管材多，技術(shù)操作難度大，止水效果較差，獲取的分層水文地質(zhì)參數(shù)準(zhǔn)確性較一般。因此亟待研究、推廣應(yīng)用“一孔同徑Packer 分層止水”技術(shù)。

2）異徑分臺階止水技術(shù)一般僅能實(shí)現(xiàn)2 層含水層分層止水，雖文獻(xiàn)［15，17-18］完成了 3～4 層含水層的分層止水，但需多次下入、拔出多級井管、濾管，效率低下，止水效果的不確定性極大，可能造成止水失敗，或者鉆孔報(bào)廢，因此應(yīng)重點(diǎn)研究簡化鉆孔結(jié)構(gòu)，縮小井徑，一次成孔，節(jié)省管材的止水技術(shù)，或優(yōu)化抽水次序，結(jié)合成井工藝，實(shí)現(xiàn)分層止水。

3）止水材料、器具宜采用無污染的多種材料相結(jié)合的方法，形成多層止水結(jié)構(gòu)，確保止水質(zhì)量。

4）目前管外止水主要采用填礫、黏土球的方法，二者的填入位置至關(guān)重要。若出現(xiàn)填礫超高止水位置的事故，處理無果會造成止水材料無法填入；若止水位置在300～500 m 時(shí)，無法實(shí)施常規(guī)黏土球止水。此時(shí)可重點(diǎn)嘗試采用雙封隔器灌注水泥分層止水技術(shù)實(shí)現(xiàn)分層止水。雙封隔器灌注水泥分層止水示意圖如圖10。

圖10 雙封隔器灌注水泥分層止水示意圖Fig.10 Cementing for stratified water exclusion

5）遇水膨脹橡膠作為一種新型的止水橡膠材料，具有優(yōu)異的止水堵漏功能，既能適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形，起彈性密封作用，又具有吸水膨脹，以水止水的特殊功效。因此應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)環(huán)保膨脹橡膠材料，提高止水性能，結(jié)合止水器具實(shí)現(xiàn)止水功能。

4 結(jié) 論

1）現(xiàn)階段，“異徑分臺階止水”管外止水通常采用填礫、黏土球永久止水，或者止水圓盤輔以止水材料止水；管內(nèi)止水常采用膠塞止水器具，輔以止水材料止水，亦有采用管內(nèi)架橋止水。

2）“一孔同徑分層止水”是多層含水層分層止水的主要發(fā)展方向，尤以Packer 分層止水技術(shù)為主，可真正實(shí)現(xiàn)“一孔同徑，分層抽水”，縮短施工周期，便捷獲取水文地質(zhì)參數(shù)，亦可實(shí)現(xiàn)多層水文地質(zhì)孔的長期分層監(jiān)測。

3）管外填礫、黏土球止水，止水效果存在不確定性，可能出現(xiàn)填礫位置偏差等，因此在具體止水過程中，應(yīng)綜合多種成井工藝、止水方法、止水材料、止水器具以實(shí)現(xiàn)分層止水。