注水试验在煤田水文地质勘查中的应用

在煤田地质勘察中，为查明煤田开采的地质条件，一般都布置一定工作量的水文地质勘查工作，尤其在煤田勘探阶段，布置水文地质勘查工作量比较大，如遇到煤田水文地质条件复杂的地区布置的水文地质勘查工作量更多。所以，在煤田勘探阶段布置大量的钻孔抽水试验，取得煤层开采主要充水含水层水文地质参数，为评价矿井开采时涌水量计算提供依据，成为煤田勘探阶段查明煤田开采水文地质条件的一项重要勘探工作。

但是，随着煤炭资源的开发，大部分煤田都已开采，整装未开采的煤田愈来愈少。在已开采的煤田，由于开采技术的进步，开采深度也愈来愈深，有相当一部分煤田的开采接近已有勘探的范围，所以近些年来，这些煤田需要进行深部的勘探，寻找接替资源，以满足矿井开采的需求。而向矿井深部勘探的同时，矿山企业也要求井田深部的水文地质勘探时，布置了一定的钻孔抽水试验孔，以查明井田深部的水文地质条件。在这些抽水试验钻孔中，一些抽水钻孔接近矿井开采的采空区，由于矿井排水疏干的影响，出现了抽水钻孔水位深度大，个别距采空区近的抽水钻孔，水位深度达到1000余米，而同时钻孔水量较小，用一般的抽水方法和抽水工具难以解决这种水位深度大的抽水试验问题。某省煤田地质局二队在煤矿的煤田地质勘查中，就遇到抽水钻孔在煤矿采空区附近、水位深达1000余米，钻孔水量小，抽水难以进行的难题，后与甲方协商，采用注水试验的方法，解决了深水位钻孔抽水试验的难题。

2、宜洛煤田的地质、水文地质及注水钻孔概况

宜洛煤田的地层自上而下有第四系、三叠系、二叠系、石炭系、寒武系地层。该煤田有宜洛煤矿李沟井，开采的煤层主要是山西组(P2s)二1煤层。影响二1煤开采的直接含水层有二1煤顶板砂岩含水层和底板太原群灰岩、寒武系灰岩含水层。二1煤顶板砂岩以细粒砂岩为主、夹薄层中砂岩，为承压裂隙水，含水性较弱，透水性较差，对矿井开采影响不大。太原群灰岩该矿区厚度6米左右，岩溶裂隙不发育，富水性差，对矿井开采影响不大。因寒武系灰岩距二1煤层仅有35米，有时间接通过岩石破碎地带进入矿井，但水量一般在5—20m3/h。

因宜洛煤田深部勘探需要布置1205孔，该孔距宜洛煤矿李沟井1000余m，设计要求进行二1煤顶板砂岩水和太原群灰岩水各抽水一次，以了解煤田二1煤开采的充水含水层的水文地质参数。

3、注水钻孔的地层、含水层情况

1205钻孔揭露地层，0—6.70m为第四系地层为，6.74—389m为三叠系地层，389.41—1197.27m为二叠系地层，1197.27—1217.5m为石炭系地层。其中1106.3m至1182.85m为山西组(P2s)地层，厚度76.55m。该组含水层厚59.08m，岩性以细、粗砂岩为主，夹有一层1.15m中砂岩，为二1煤顶板含水层，含水性、导水性总体偏弱。

该孔在山西组(P1s)砂岩和石炭系太原群(C2t)灰岩进行了二次注水试验。本文仅讨论山西组(P1s)砂岩注水试验。

4、注水钻孔的结构、止水、洗井情况

宜洛煤田1205注水钻孔的孔径为0至200m为150m/m直径，200m至1182.85m为110m/m直径。在注水中，为了防止钻孔其它含水层与山西组含水层联通，太原群灰岩含水层注水试验结束后，用水泥至 1183 m, 把太原群灰岩含水层封闭。在1107.33m至1114.48m山西组砂岩含水层上部的砂质泥岩段用水泥封闭，水泥凝固后用89m/m岩芯管透开，形成台阶。然后下入127m/m套管至194.13m，89m/m套管至1107.33m，127m/m套管与89m/m套管用变径接头连接。在下入套管时，采用铅粉油浸泡过的盘根线缠在套管底端，坐在人工台阶上，形成0.25m的止水段，把钻孔上部与山西组(P1s)砂岩含水层隔离。接者采用泥浆泵压入清水试压，使孔内压力达到5MPa，保持4个小时，经检验，止水效果达到要求。

考虑到该孔二1煤顶板砂含水性差，该区又受宜洛煤矿李沟井排水疏干影响，水位深度大，用水泵或压风机洗井效果不理想，所以采用CO2洗井。洗井前，用清水冲孔至水清，向含水层段注入焦磷酸钠溶液浸泡破坏孔壁泥皮，提高洗井效果。焦磷酸钠浸泡孔壁 12小时后，下入钻杆至597.67m，通过钻杆压入CO2 27瓶，1分钟后井喷持续5分钟。第二次CO2洗井，将钻杆下至895.4m，注入CO2 24瓶，7分钟后井喷，持续7分钟。第三次CO2洗井，将钻杆下入孔内1166.3m处，压入CO2 39瓶，10分钟后井喷，持续13分钟。第一、二次CO2洗井初期水较混，后期变清，第三次洗井水已变清，达到了预期的效果，可以进行钻孔注水试验。

5、注水试验的设备

1205孔注水试验采用水管直接向孔内注水方法进行。先用水泵将清水先送至1m3水箱，在水箱的出口处接计量水表，在计量水表的另一端接注水水管至孔内。考虑到该孔水位深度大，在测量水位时用测井电缆做导线，用万能表测量显示探头是否接触水位，保证了水位测量的准确可靠。

6、注水试验

CO2洗井结束后，从2010年10月6日21时30分开始观测恢复水位，水位深度为740米，至2010年10月10日7时结束，水位稳定26小时，水位稳定在1094.05m深度。2010年10月10日16时30分开始注水试验，至2010年10月11日7时结束，历时12个小时30分钟，注水量、水位稳定时间均达8小时以上，注水量稳定在0.03升/分，水位稳定在18.22m深度。2010年10月11日7时停止注水，开始观测水位孔深至2010年10月11日11时结束，水位逐渐下降至18.28m深度。

7、注水试验资料的应用

从1205孔山西组砂岩含水层注水试验资料分析，该含水层水文地质参数的计算，适用于地下水动力学中完整井的水文地质参数的计算公式。

式中hw-h0为水位升高值，rw为孔径，R为注水影响半径。M为含水层厚度，Q为注水量，K为渗透系数。将注水试验资料代入式中，可取得山西组砂岩含水层的水文地质参数，为矿井开采提供水文地质评价依据。

8、注水试验评价

1205孔注水试验从止水、套管下入、洗孔、恢复水位、注水试验的过程分析，1205孔注水试验基本达到了取得山西组砂岩含水层的水文地质参数的目的。但1205孔注水试验的注水水头高度，仅有一个，从含水层参数的计算和抽(注)水规程要求应为三个，更利于从含水层参数的计算和对比，为评价矿井开采时涌水量计算提供更加接近实际的依据。

9、注意事项

该孔在开采区附近，但因山西组砂岩含水性、导水性较差，注水试验对煤矿开采影响不大，如在开采区附近，含水层导水性能好时，慎用注水试验，避免注水试验中注入钻孔水进入矿井，对煤矿开采造成影响。

参考文献

某省煤田地质局二队水文、工程、环境地质调查工作报告》 2010年8月