鉆探編錄測(cè)試抽水試驗(yàn)

第四講

鉆探、編錄、測(cè)試

及抽水試驗(yàn)中國(guó)有色水文地質(zhì)中心主講人：折書群電話探目的地下水具有埋藏性，通過鉆探將影響地下水的諸多因素反映到地表，目的有三一是通過鉆孔編錄、測(cè)試、抽水試驗(yàn)等手段，查明不同地段不同層位含水層富水性、透水性及其空間分布特征；二是建立地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，研究地下水t天然流場(chǎng)空間分布及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；三是為大流量大降深抽水試驗(yàn)做基礎(chǔ)，給地下水以強(qiáng)烈震動(dòng)，充分揭示影響地下水的諸多因素之間動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。鉆孔分觀測(cè)孔和抽水孔兩種，鉆探分小口徑鉆探和大口徑鉆探。兩類鉆孔布置原則各不相同。鉆孔布置原則大口徑水文地質(zhì)鉆探施工抽水孔，目的是大流量抽水，因此應(yīng)布在主要充水含水層的富水段或強(qiáng)逕流帶上。抽水孔位置的確定是水文地質(zhì)勘探的關(guān)鍵，需要在以往地質(zhì)資料綜合分析、物探工作的基礎(chǔ)上，推測(cè)富水地段或強(qiáng)徑流帶，然后先施工偵探孔兼管外觀測(cè)孔，確定抽水孔孔位，再施工抽水孔。一方面避免盲目性，另一方面管外孔消除水躍值影響。水文地質(zhì)鉆探一般在地面測(cè)繪和物探的基礎(chǔ)上進(jìn)行布置，地面測(cè)繪與物探工作未結(jié)束之前，原則上不得進(jìn)行全面鉆探施工。鉆孔布置原則小口徑水文地質(zhì)鉆探施工觀測(cè)孔布置原則：1、圍繞抽水孔展開，形成群孔抽水試驗(yàn)完善的觀測(cè)系統(tǒng)，控制開采后流場(chǎng)變化，特別是進(jìn)水通道地段。2、通過以往資料研究，研究天然狀態(tài)下和開采狀態(tài)下地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，構(gòu)思水文地質(zhì)模型，確立勘探指導(dǎo)思想，有的放矢，根據(jù)模型特點(diǎn)建立符合模型特點(diǎn)的觀測(cè)系統(tǒng)：平面觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)？三維空間觀測(cè)系統(tǒng)？3、盡量構(gòu)成剖面線，各個(gè)水文地質(zhì)剖面線能夠控制地下水天然流場(chǎng)的補(bǔ)給、徑流、排泄各個(gè)地段，組合起來能夠刻畫地下含水系統(tǒng)的空間分布特征；4、盡可能利用地質(zhì)勘探孔、地下水天然或人工露頭作為觀測(cè)孔(點(diǎn))，補(bǔ)充布置觀測(cè)孔，減少鉆探工作量。松散層地區(qū)勘探線布置基巖地區(qū)勘探孔布置水文地質(zhì)模型構(gòu)建Q強(qiáng)風(fēng)化帶弱風(fēng)化帶破碎帶預(yù)留隔水頂板相對(duì)隔水層相對(duì)隔水層抽水孔管外觀測(cè)孔構(gòu)建水文地質(zhì)模型特點(diǎn)，要求建立三維觀測(cè)系統(tǒng)。平面控制范圍350km2，垂向控制4個(gè)層位：第四系淺層水自由面、第四系底部水頭、弱風(fēng)化帶裂隙水頭、深部構(gòu)造裂隙水頭，第四系淺層水自由面利用民井，不再設(shè)計(jì)鉆孔；基巖淺孔觀測(cè)第四系底部水頭和弱風(fēng)化帶水頭，基巖深孔觀測(cè)弱風(fēng)化帶水頭和深部構(gòu)造裂隙水頭

本次設(shè)計(jì)鉆孔45個(gè)孔,水文地質(zhì)孔兼工程地質(zhì)孔28個(gè)，外圍基巖觀測(cè)孔6個(gè)，抽水大孔4個(gè)，第四系底部觀測(cè)孔7個(gè)，累計(jì)12770m。

1）風(fēng)化帶與預(yù)留頂板研究鉆孔14個(gè)，孔深220-250m。

2)基巖深部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究6個(gè),孔深450-490m。

3）斷層研究4個(gè)孔組，大抽水孔4個(gè)，孔深450m，偵察孔4個(gè)，孔深500m，第四系深部觀測(cè)孔7個(gè)，孔深110m。多孔抽水試驗(yàn)觀測(cè)孔4個(gè)，孔深250m。

4）外圍基巖水位觀測(cè)孔6個(gè)，孔深180m。220m490mKlowezi礦區(qū)Sicomines礦區(qū)KOLWEZI銅鈷礦山為已采礦山，1963年停采后，長(zhǎng)期蓄水成為巨大積水坑?xùn)|西長(zhǎng)約1000米、南北寬約500米、深70多米集水量巨大，約900萬(wàn)立方米，水位標(biāo)高為1400m左右，年變幅1.3m左右礦區(qū)未做過水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探。

K礦羅安群孔德龍古群孔德龍古群RSC強(qiáng)含水層SDS弱含水層CMN強(qiáng)含水層CMN強(qiáng)含水層SDS弱含水層CMN強(qiáng)含水層CMN強(qiáng)含水層SDS弱含水層一期水文地質(zhì)設(shè)計(jì)工程量Q01—Q08通過河流斷面抽水試驗(yàn)，查明地下水地表水水力聯(lián)系，設(shè)計(jì)兩個(gè)河流斷面，8個(gè)淺孔，160m在東、西、南、北垂直于露天邊坡境界線設(shè)計(jì)4條工程地質(zhì)剖面，每條剖面設(shè)計(jì)3個(gè)工程地質(zhì)孔兼水文地質(zhì)觀測(cè)孔通過多孔分段抽水試驗(yàn)查明上下部含水層組間的水力聯(lián)系程度，獲得確切的水文地質(zhì)參數(shù)——為此，在礦區(qū)的東、南、西、北各布置一個(gè)抽水孔、一個(gè)淺部管外觀測(cè)孔，深部管外觀測(cè)孔兼?zhèn)商娇子晒こ痰刭|(zhì)孔兼。這樣每組多孔抽水試驗(yàn)抽水孔一個(gè)，分段抽水，管外觀測(cè)孔一深一淺各1個(gè)，觀測(cè)孔一深一淺各1個(gè)。工程地質(zhì)剖面和多孔抽水試驗(yàn)供設(shè)計(jì)20個(gè)鉆孔，其中大口徑鉆孔4個(gè)CK01GZ01GK08CK02GZ02GK02CK03GZ03GK05CK04GZ04ZK-7001GK01GK03GK04GK06GK07GK09ZK-5001ZK-6001G05G04G06G16G07G08G09G11G12G14G15G02G01G03通過多點(diǎn)式單孔抽水試驗(yàn)了解上部含水層組不同地段的透水性和富水性，并建立地下水觀測(cè)系統(tǒng)——礦床外圍，施工專門水文地質(zhì)孔16個(gè)，Zk3001Zk-5002Zk-3501Zk-6003G13Zk710Zk-3002Zk-1001Zk3503Zk6502在礦床附近，利用地質(zhì)孔10個(gè)兼做水文地質(zhì)工程地質(zhì)孔，上述鉆孔均進(jìn)行單孔抽水試驗(yàn)，G10Zk-1002水文地質(zhì)工程地質(zhì)鉆探共設(shè)計(jì)54個(gè)，其中大口徑鉆孔4個(gè)，工程孔12個(gè)專門水文孔28個(gè)（10m淺孔8個(gè)），利用地質(zhì)孔10個(gè)，鉆探工作流程1、鉆探技術(shù)交底：鉆孔類型、預(yù)想柱狀圖、沖洗液、取樣、采取率、測(cè)試、下管、填礫、洗井、抽水試驗(yàn)、封孔等2、開孔前準(zhǔn)備工作：檢查機(jī)座水平、校立軸、測(cè)機(jī)高、測(cè)量立軸長(zhǎng)度后，下達(dá)開孔通知書3、鉆孔施工過程：檢查班報(bào)表、巖心采取率、簡(jiǎn)易水文觀測(cè)、巖心編錄、巖心拍照4、鉆孔測(cè)試：當(dāng)巖層破碎，下管前進(jìn)行物探測(cè)井、波速試驗(yàn)、井下電視測(cè)試等工作5、下管：根據(jù)編錄、測(cè)試結(jié)果，確定含水層，濾水管、井壁管排序，下達(dá)下管通知書鉆探工作流程6、巖土采集：原狀土樣采用專用108取樣器采取，采樣后填樣品標(biāo)簽和送樣單，及時(shí)送檢7、終孔驗(yàn)收：達(dá)到設(shè)計(jì)層位和深度后，經(jīng)技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)，下達(dá)終孔通知書校正孔深、測(cè)量孔斜，8、縮減樣，巖心入庫(kù)8、洗井：沖孔換漿、活塞洗井、抽水洗井，做好洗井記錄，以便及時(shí)檢查洗井效果。9、試抽水：根據(jù)試抽水資料，決定穩(wěn)定流抽水還是非穩(wěn)定流抽水？抽水強(qiáng)度？降深次數(shù)等10、靜止水位觀測(cè)：基本恢復(fù)穩(wěn)定，11、抽水試驗(yàn)：觀測(cè)資料及時(shí)整理、分析12、封孔鉆探技術(shù)管理文件鉆孔施工通知書簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)與編錄鉆孔地質(zhì)分層記錄表物探測(cè)井通知書測(cè)井巖性分層表孔深校正孔斜測(cè)量記錄表鉆孔巖心縮減樣記錄表終孔通知書鉆孔柱狀圖鉆孔下管通知書抽水試驗(yàn)安裝結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)要求洗孔效果檢查記錄表洗孔恢復(fù)水位觀測(cè)記錄表試驗(yàn)抽水觀測(cè)記錄試驗(yàn)抽水恢復(fù)記錄抽水前靜止水位觀測(cè)記錄抽水試驗(yàn)觀測(cè)記錄抽水試驗(yàn)恢復(fù)水位觀測(cè)記錄生產(chǎn)井安裝結(jié)構(gòu)圖鉆孔施工小結(jié)水文地質(zhì)鉆孔質(zhì)量驗(yàn)收單容易忽視的環(huán)節(jié)鉆孔簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)人們往往重視巖芯描述，而忽視鉆進(jìn)過程中水文地質(zhì)現(xiàn)象的觀測(cè)，鉆進(jìn)過程中涌（漏）水、掉快、塌孔、縮（擴(kuò)）徑、逸氣、涌砂、掉鉆、沖洗液消耗等現(xiàn)象的及時(shí)準(zhǔn)確記錄對(duì)含水層的劃分、富水段的判定意義更大，如自流井涌水量的觀測(cè)相當(dāng)于一個(gè)降程的單孔抽水試驗(yàn)，特別是，隨著鉆探深度增大涌水量的變化曲線對(duì)于劃分含水層意義重大。洗孔效果檢查記錄及恢復(fù)記錄洗井效果直接關(guān)系到抽水試驗(yàn)成敗，以往無洗井效果檢查，不能有效進(jìn)行機(jī)臺(tái)管理。曾經(jīng)有洗井不徹底，匆忙進(jìn)行抽水試驗(yàn)，越抽水位越漲。試驗(yàn)抽水的意義及必要性指導(dǎo)正式抽水試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，如抽水強(qiáng)度、穩(wěn)定流抽水還是非穩(wěn)定流抽水、降深次數(shù)的選擇、排水渠道的防滲可靠性等，抽水試驗(yàn)資料野外及時(shí)整理抽水試驗(yàn)資料在野外現(xiàn)場(chǎng)必須及時(shí)整理，目的是了解抽水試驗(yàn)有無反常情況，及時(shí)處理。容易忽視的環(huán)節(jié)穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)資料整理現(xiàn)場(chǎng)繪制Q、S——t曲線、Q=f(s)關(guān)系曲線、q=f(s)關(guān)系曲線目的：了解試驗(yàn)進(jìn)行情況，有無反常現(xiàn)象：1、承壓水2、潛水3、水源不足4、水泵與過濾器位置、洗井？5、降深過大sQⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅤⅣⅡⅢ非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)資料整理觀測(cè)孔主孔拐點(diǎn)計(jì)算導(dǎo)水系數(shù)Ｔ、滲透系數(shù)K、水壓傳導(dǎo)系數(shù)a、儲(chǔ)水系數(shù)μ、越流系數(shù)KeSmSi=Sm/2拐點(diǎn)時(shí)間位置ti斜率mi現(xiàn)場(chǎng)繪制S——t過程曲線、s——lgt關(guān)系曲線、目的：了解試驗(yàn)進(jìn)行情況，有無反?，F(xiàn)象，確定抽水延續(xù)時(shí)間：當(dāng)曲線出現(xiàn)固定斜率的漸近線時(shí)，延續(xù)一個(gè)對(duì)數(shù)周期；若有越流補(bǔ)給，經(jīng)過拐點(diǎn)后趨于水平。鉆孔測(cè)試水文物探測(cè)井井下電視成像鉆孔波速試驗(yàn)鉆孔地應(yīng)力測(cè)試井下電視成像井下電視是一種能直觀反映孔壁信息的探測(cè)方法，常見的有以普通光源和超聲波為能源的電視測(cè)井，超聲波能在較臟的或渾濁的井液中工作，比較常用。工作原理：利用反射波測(cè)量井壁巖體結(jié)構(gòu)。測(cè)井時(shí)，聲波探頭在井中旋轉(zhuǎn)，發(fā)射束狀聲波，經(jīng)井壁反射后，反射波為聲波探頭接收，將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像信息，直觀表現(xiàn)形式為井壁一周按N-E-S-W-N方向的展開圖。圖像解譯方法當(dāng)巖石的巖性變化時(shí)，圖像上以明暗亮度的變化顯示；結(jié)構(gòu)面在柱狀圖上以原狀顯示，在展開圖上以黑色（暗色）線條顯示，規(guī)則的結(jié)構(gòu)面展開呈正弦線形態(tài)，經(jīng)描繪后軟件可自動(dòng)計(jì)算出其產(chǎn)狀；空洞以黑色面狀區(qū)域顯示，如果空洞規(guī)模較大，傳播時(shí)間將無限長(zhǎng)，接受振幅為零；破碎、溶蝕等可直觀看出。井下電視成像通過井下360°的聲波真彩掃描，獲得孔壁影像圖，提取原狀巖體結(jié)構(gòu)特征，具體內(nèi)容包括：定性評(píng)價(jià)巖體完整程度、確定破碎帶（節(jié)理密集型破碎帶、斷層破碎帶）深度、發(fā)育程度及其產(chǎn)狀；確定節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀、發(fā)育密度、隙寬，分析出不同深度段節(jié)理裂隙的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀；定性評(píng)價(jià)巖溶發(fā)育程度，包括空洞發(fā)育深度及規(guī)模、溶蝕段的水蝕強(qiáng)度等；確定明顯層位的巖性界線，同時(shí)可圈定出軟弱層層位。井下電視成像利用反射波測(cè)量井壁巖體結(jié)構(gòu)，獲取巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，獲取地層產(chǎn)狀獲取裂隙產(chǎn)狀小破碎帶1-1’北剖面巖層節(jié)理裂隙極點(diǎn)圖

1-1’北剖面巖層節(jié)理裂隙等密度圖井下電視成像應(yīng)用常規(guī)鉆探輔助鉆孔電視成像，可代替定向鉆探，獲取結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，在缺少地表露頭的地區(qū)尤為重要。巖體有巖塊和結(jié)構(gòu)面構(gòu)成，是工程地質(zhì)評(píng)價(jià)主要對(duì)象。通過結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，確定不同地段優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面、不利結(jié)構(gòu)面和軟弱層，分析巖體變形機(jī)理和破壞模式：轉(zhuǎn)動(dòng)型滑坡？平面型滑坡？折面型滑坡？通過大量的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)分析資料，采用赤平投影方法評(píng)價(jià)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。聲波測(cè)井聲波測(cè)井是以聲波在巖石中傳播的速度、巖石對(duì)聲波能量的吸收以及巖石對(duì)聲波的折射和反射等性質(zhì)為基礎(chǔ)，來評(píng)價(jià)地層，劃分巖性，判斷軟硬巖的工程性質(zhì)等等?？煞譃槁曀贉y(cè)井和聲幅測(cè)井。通常的聲速測(cè)井只利用縱波首波的速度信息，而聲波全波列測(cè)井則是記錄聲波的整個(gè)波列，它不僅可以獲得縱波的速度和幅度信息，還可以得到波列中的其他波成分，如偽瑞利波和斯通力波等。因此，可以為勘探和開發(fā)提供更多的信息。裸眼中聲波全波列成分

裸眼中接受換能器可以接受到聲波全波列的成分，包括有滑行縱波、滑行橫波、偽瑞利波和斯通力波等。如圖所示：

滑行縱波具有傳播速度快，幅度小的特點(diǎn)，是波列中的首波?；袡M波是波列中的第二個(gè)波，其速度小于滑行縱波，但幅度大于滑行縱波。偽瑞利波是以大于第一臨界角入射到井壁上，并在井壁界面上多次散射所形成的高頻率散射的表面波。它有截止頻率，其截至頻率的相速度接近地層的橫波速度，所以它緊跟滑行橫波之后到達(dá)（且與滑行橫波續(xù)至部分重疊，其速度明顯大于滑行橫波。最后到達(dá)的是斯通利波，它是發(fā)射與接收換能器間經(jīng)井內(nèi)鉆井液直接傳播而又受到井壁地層傳播的滑行橫波制導(dǎo)的一種管波），它的速度低于井內(nèi)鉆井液介質(zhì)的縱波速度，其幅度明顯大于波列其他成分的幅度。縱波：聲波在介質(zhì)中傳播，傳播方向和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向一致的稱為縱波，所以縱波為壓縮波。

橫波：聲波在介質(zhì)中傳播，傳播方向與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向相互垂直的波稱為橫波，所以橫波為剪切波。

縱波和橫波的傳播速度與物質(zhì)的楊氏彈性模量，泊松比及介質(zhì)密度分別有下列關(guān)系：式中：Vp—縱波速度Vs—橫波速度所以在同一介質(zhì)中，縱橫波的速度比為：若δ=0.25，則鉆孔波速測(cè)試由于研究最先到達(dá)的聲波最為方便，所以聲速測(cè)井首先研究縱波的傳播規(guī)律。由聲速的兩個(gè)公式知道，巖石的縱波速度隨彈性的增大而增加，楊氏彈性模量同樣增大，所以隨密度增加速度是增大的。對(duì)沉積巖來說，聲速度除了與巖石彈性特性有關(guān)外，還與下列地質(zhì)因素有關(guān)：巖性不同，彈性系數(shù)和密度就不同，聲波的速度就不同。巖石的結(jié)構(gòu)，膠結(jié)狀況，孔隙度的大小不同，聲波速度也不同。地層時(shí)代的新老不同，聲速也不同。探頭接收原理圖形顯示聲波全波列探頭示意圖以聲波在巖石中傳播的速度、巖石對(duì)聲波能量的吸收以及巖石對(duì)聲波的折射和反射等性質(zhì)為基礎(chǔ)，來評(píng)價(jià)地層，劃分巖性，判斷軟硬巖的工程性質(zhì)等GK02號(hào)孔，波速采集圖像軟巖GK02號(hào)孔，波速采集圖像硬巖聲波測(cè)井圖象解譯鉆孔波速測(cè)試通過鉆孔波速測(cè)試，獲取巖石物理力學(xué)參數(shù)，如動(dòng)彈性模量，動(dòng)剪變模量和動(dòng)泊松比。動(dòng)彈性模量(Ed)：在一定周期動(dòng)荷載作用力下，動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)變之比。動(dòng)剪切模量(Gd)：在一定周期動(dòng)荷載作用力下，剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之比。動(dòng)泊松比(μd)：在一定周期動(dòng)荷載作用力下，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比。巖層地質(zhì)時(shí)代層頂深度

（米）層底深度

（米）縱波值

Vp

（米/秒）橫波值

Vs

（米/秒）巖體質(zhì)量密度ρ

（t/m3）動(dòng)彈性模量Ed

（kPa）動(dòng)剪切模量Gd

（kPa）動(dòng)泊松比νd巖性強(qiáng)弱粉砂RGS83.0092.0015216952.15284146210385040.36806軟弱泥質(zhì)粉砂巖RGS92.0096.3615056972.15284827410444890.36348軟弱硅化白云巖CMN96.3699.0015037042.50336887812390400.35947較軟弱、破碎泥質(zhì)砂巖CMN99.00107.3615427761.90304437911441340.33043較軟弱、較完整白云質(zhì)砂巖CMN107.36119.1115917472.00303246211160180.35861軟弱硅化白云巖CMN120.26144.31328316932.551927897273089350.31886較堅(jiān)硬，較完整白云質(zhì)頁(yè)巖SDS182.00215.90175110242.25585162123592960.24012較堅(jiān)硬，較完整硅化白云巖SDB229.00232.3716129432.10463075518674230.23988較堅(jiān)硬，破碎鉆孔波速測(cè)試這些巖石物理力學(xué)參數(shù)能比較準(zhǔn)確地反映了礦區(qū)巖土體動(dòng)力特性。在礦區(qū)工程地質(zhì)問題研究中對(duì)露采邊坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)、頂?shù)装宸€(wěn)定性評(píng)價(jià)，這些參數(shù)非常重要，必不可少。進(jìn)行巖體動(dòng)力效應(yīng)分析時(shí)，運(yùn)用這些動(dòng)力參數(shù)，能夠準(zhǔn)確而又有效模擬邊坡或頂?shù)装逶诘卣鸬葎?dòng)力作用下，巖體應(yīng)力應(yīng)變變化情況，非常直觀反映彈性變形區(qū)、拉破壞區(qū)及剪切破壞區(qū)。鉆孔地應(yīng)力測(cè)試通過鉆孔地應(yīng)力測(cè)試查明巖體應(yīng)力的大小、方向及其分布規(guī)律，對(duì)地應(yīng)力的大小、方向與巖體結(jié)構(gòu)、埋深及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的相互關(guān)系作出了分析，目的：為