杨树沟锰矿地质水文孔应用气举反循环进行抽水试验的实践

代万庆

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，河南 郑州 450001)

0 前 言

矿山地质水文孔，大多具有钻孔口径小、水位埋深大、水量较少、工程位置地势起伏陡峭等特点。采用回灌方法或利用潜水泵、离心泵等设备开展抽水试验的常规方式，受到方法方式、设备规格尺寸、搬运、性能等条件限制，并不能完全满足收集水文数据的需求。所以在项目施工中，针对地质水文孔的小孔径、深水位、小水量、地势陡峭等特殊情况，有必要寻求合适的抽水试验方式和设备，开展水文资料的收集工作。

1 工程概况

河南省卢氏县杨树沟锰矿，地处秦岭褶皱北缘、北秦岭褶皱带北西端；矿层为海相沉积，经成岩作用和应力场作用，区域变质形成沉积变质型硬锰矿矿层。

勘查任务书要求在查明锰矿床储量的基础上，一并查明矿区水文地质条件，为后续矿产开采做好准备。ZK2032钻孔被设计为地质水文孔，在地质岩心编录的基础上，对矿区含水层、隔水层、矿床顶底板水的水文赋存条件及水力联系进行查验，查明矿区地下水的分布规律和水文地质特征。

ZK2303钻孔施工孔径Φ95 mm，孔深170.12 m；地层岩石较为破碎，矿层埋藏深度为140.07～144.67 m和147.87～155.72 m。在钻进过程中，对含水层、隔水层、矿层顶底板的水文赋存状况和水力联系水文数据资料进行了测量和查验、收集，钻孔钻进完成后，抽水试验工作是水文试验的重要内容。

2 前期抽水试验

2.1 试验方法

1)采用回灌的方式进行水文数据的采集，水文技术部门认为取得的水文数据误差较大，钻孔上部无水的裂隙也由于回灌而充盈，利用回灌取得的数据资料评价含水层的富水性、计算含水层的水量和水力联系等各种数据参数，并不能真实反映地层水文情况[1]。与抽水试验相比，计算出的涌水量偏小10%～20%[2]，所以回灌试验取得的数据不符合水文技术要求[3-4]。

2)采用提桶汲水的方式进行抽水试验，由于钻孔地层破碎不稳定，汲水桶汲水时，会对钻孔孔壁造成抽吸、冲刷作用，所以在钻孔内下入Φ89 mm地质套管至矿层顶板140 m处，汲水在Φ89 mm地质套管内进行；汲水桶用Φ73 mm钻杆做成，容量为0.012 72 m3/桶。由于汲水桶容量较小，而且汲水过程是间断的，测量水位时间段内提水是停止的，汲水期间钻孔内水位都在不断上升，无法取得准确的动水位数值。更重要的是，由于方式难以进行3次降深抽水观测，所以用汲水法抽水试验取得的数据准确度也不高，误差较大。

3)采用潜水泵做抽水试验。受钻孔孔径的限制只能安装小口径的潜水泵，其供水量和扬程等性能都受到制约，难以达到大泵量、大降深收集水文资料的目的。由于适用的潜水泵功能低下，开展3次降深抽水试验时降深和泵量数值较为接近，无法满足水文技术资料需求。

水泵型号：S75QJDL8-120/40-1.1，流量为1.8 t/h，扬程为120 m。水泵下放位置为矿层底板下部160 m处。潜水泵抽水试验数据见表1。

表1 潜水泵抽水试验数据

2.2 常规抽水试验失败的原因

综合前期开展抽水试验的实践尝试，回灌、汲水、小泵量潜水泵抽水等常规的抽水试验方式，基本都不适应本项目抽水试验的需求。主要原因是地质水文钻孔孔径太小，限制了进行抽水试验设备的选择，相应地也限制了抽水试验的进行。

3 矿山地质水文钻孔抽水试验的限制条件

①因为钻孔直径为Φ95 mm，抽水设备外形必须满足在Φ95 mm孔径内作业的限制，性能必须满足抽水试验的需求；②可以连续进行抽水作业；③方便进行测量水位的操作；④汲取的水量不能太小，必须达到一定的方量，使孔内水位降深满足水文技术需求；⑤抽水设备满足在海拔落差较大的山区施工的需求；⑥地质水文钻孔ZK2032的地层较为破碎，抽水试验时，上部孔段将呈裸孔状态，地层裂隙水向钻孔内汇聚，冲刷孔壁，孔壁极易出现坍塌，出现填埋孔内设备事故。

对比各项条件，利用空压机的高压气体，采用气举反循环方式进行抽水试验，可以克服上述各项困难，满足抽水试验的各项需求。

4 气举反循环抽水试验

4.1 气举反循环抽水试验系统设计图

气举反循环抽水试验系统设计见图1。Φ89 mm地质套管下放深度在矿层底板下方，孔深165 m处。图1中H为静水位以下混合器埋深，m；H0为动水位以下混合器的埋深，m；S为动水位与静水位深度差即降深，m；h为动水位至出水口的距离，m；b为4分PVC管底部与Φ50mm钻杆底部的深度差，m；a为Φ89 mm地质套管底部与4分PVC管底部的深度差，m。

图1 气举反循环抽水试验系统设计

4.2 施工方式设计

①钻孔内下入Φ89 mm地质套管，深度165 m，防止地层破碎孔段在抽水试验期间发生坍塌而填埋设备的事故。②Φ89 mm地质套管内下入Φ50 mm钻杆作为风管，Φ50 mm钻杆底部与Φ89 mm地质套管构成的环形空间作为混合器，形成的气水混合物由二套管材间的环形空间气举上返至地面，形成反循环抽水，Φ50 mm钻杆下放深度依抽水混合器的沉没比最终确定。③在Φ50 mm钻杆旁侧，绑扎一条4分 PVC管，与Φ50 mm钻杆共同下入Φ89 mm地质套管内，测量水位的测绳及其吊锤在4分PVC管内实施测量作业。④空压机放置在钻孔下方的山路上，用高压管道将空压机与Φ50 mm钻杆相连，输送高压空气进入钻孔内进行气举反循环抽水，避免了运送大型设备至钻孔近旁，克服了山区设备搬运的困难。⑤在孔口处设计一个出水三通罐(见图1)，三通罐既作为返出地面的气液混合物的分离器，又作为钻孔水回流入钻孔内的调节阀。

当气水混合物由Φ50 mm钻杆和Φ89 mm地质套管之间的环状间隙喷出后，先进入三通罐，在三通罐内气、水进行分离，空气由水中溢出，水从三通罐出水口流出。若钻孔供水量小，混合器处没有充足的水与高压空气混合形成气水混合物，不能满足气举反循环抽水时形成气水混合物的水量需求，即不能形成连续有效的气举反循环过程时，调节三通罐出水口阀门，使三通罐内的水部分回流到钻孔内，补充孔内供水量的不足，使混合器沉没比保持为一定的数值，使孔内混合器能够连续形成气水混合物，使气举反循环抽水能连续进行，形成连续的气举反循环作业(见图1)。

4.3 空压机性能的需求和核算

据以往的施工经验和实践验证，空压机抽水时的，利用“联通器”原理[5]，在理论上只要满足下列公式即可将孔内水抽至地面：

ρ1g(H0+h)>ρ2gH0

(1)

式(1)中：ρ1为出水管内气水混合物的密度，kg/m3；g为重力加速度, 为9.81 m/s2；H0为动水位以下混合器的埋深，m；h为动水位至出水口的距离，m；ρ2为孔内水的天然密度，一般取1×103kg/m3。式(1)可转化为：

(2)

式(2)中α为混合器浸没比，由于ρ2是孔内水的天然密度，取1×103kg/m3，所以式(2)也可转化为：

ρ1>α

(3)

式(3)说明，出水管内气水混合物的密度ρ1与混合器浸没比值呈正相关，随着混合器埋入动水位下深度的降低而减小。ρ1在理论上等于浸没比α，但浸没比太小时，气水混合物的密度也降低，当气水混合物中气体占绝大部分时，即钻孔中喷出的混合物是空气夹少量水汽时，气举反循环抽水的效率极低，抽出的水量极少，失去了抽水的意义。以往的资料和经验显示，气举反循环开始时，混合器埋深2 m即可启动，正常抽水时，混合器埋深5 m即可正常进行[6]；气举反循环的运行与混合器浸没比的大小没有直接关系。

同时也说明，空压机抽水时，其混合器的浸没比值对空压机抽水运行影响不大[7]，只要空压机能将空气压入混合器内，在出水管内形成气水混合物，气水混合物与水相比其比重较低，因此在出水管内外比重压差的作用下，出水管内的液面上升，上升过程中混入水中的压缩空气释放能量，逐渐膨大，最终形成强大的“气举力”带动出水管内的混合物快速上升，同时，抽吸出水管底部的液体补充进入出水管内，这个过程连续循环，最终达到抽水的效果。

气举反循环所需空压机的压力，由图1可列出下式即满足工作需求：

P空>H0+S+L

(4)

式(4)中，S为钻孔内水位降深，m；L为空压机输送空气由空压机至混合器空气压力的损失，m(水柱)，所以选择空压机时重点考虑空压机的工作压力和风量。

4.4 空压机性能的核验

现有空压机为(宁波)宝风压缩机科技有限公司生产的FV-75空压机，功率75 kW；当工作压力为1 MPa时，产气量为11.2 m3/min；当工作压力为0.8 MPa时，产气量为12.6 m3/min；当工作压力为0.7 MPa时，产气量为13.4 m3/min。输送高压空气的管线，地面上为DN50钢管(内径Φ52 mm，厚4 mm)，钻孔内为Φ50 mm钻杆。由于施工现场环境复杂，因素变量太多，为了简化计算，设定空气为稳定标准环境下(1大气压，气温20 ℃)的均质流体。

4.4.1 工作压力的校核

1)地面DN50钢管输送空气，沿管道压力损失的计算：

①输送的空气密度：在温度不变的情况下，气体PV=常数，标准气压下(20 ℃)空气的密度为1.205 kg/m3，若以0.8 MPa的压力输送空气，空气被压缩后密度ρ空变为9.64 kg/m3。

②运动黏度=动态黏度/密度，动态黏度受压力影响较小，一般情况下空气的动态黏度为1.81×10-5N·s/m2，0.8 MPa时空气的运动黏度γ=1.81×10-5/ρ空=1.88×10-6m2/s。

FV-75空压机工作压力为0.8 MPa，其产气量为12.6 m3/min，即产生0.8 MPa压力的空气量Q为1.575 m3/min，即0.026 m3/s，则雷诺数Re1和边界雷诺数Recr1分别为：

(5)

(6)

式(5)～(6)中：d1为风管(镀锌管DN50)内直径，52×10-3m；v为送风管内空气流速，12.24 m/s；r0为风管内半径，取26×10-3m；为空气的运动黏度；ε为风管内壁粗糙度，取0.39 mm。

雷诺数Re1>边界雷诺数Recr1，则空气在风管内沿程阻力系数λ1为：

(7)

由山脚至孔口距离L1取110 m，送风管空气压力损失(高压气柱)hf2为：

(8)

取空压机出风管口断面为1-1，镀锌管在孔口处断面为2-2，则空压机排出的高压空气的总流量方程式为：

(9)

式(9)中Z1为空压机高压出风管管口高程，m；Z2为钻孔孔口高程，m；P1为空压机出风管管口内空气压力，Pa；P2为钻孔孔口处风管内空气压力，Pa；γ为高压空气的重度，N/m3。取空压机与钻孔孔口的高程差为55 m。由山脚至孔口的镀锌管高压空气的压力降公式为：

ΔP=P1-P2=γ(Z2-Z1+hf2)

(10)

=9.64×9.81(55+555.66)

=0.58×105≈0.058(MPa)

设计抽水方式为Φ89 mm地质套管中下入Φ50 mm钻杆，用Φ50 mm钻杆送入高压空气，在Φ89 mm地质套管与Φ50 mm钻杆环形空间内形成气水混合物，气水混合物上返至孔口，空气溢出，水则被抽出孔外。根据已经探明的地层情况，ZK2302孔的静水位为40.68 m，矿层底板位于155.72 m孔深处。所以设计抽水试验时抽水层位设计在160 m处。

2)Φ50 mm钻杆输送高压空气的压力损失核算：

Re2=vd2/γ=21.76×39×10-3÷1.88×10-6=4.817×105

(11)

(12)

雷诺数Re2=4.817×105>边界雷诺数Recr2=0.616×105，则有：

(13)

由孔口至孔内混合器，Φ50 mm钻杆送风管L2长160 m；其内高压空气的压力损失(高压气柱)hf3为：

(14)

镀锌管在孔口处断面为2-2，混合器断面为3-3，则空压机排出的高压空气的总流量方程式为：

(15)

式(15)中Z3为混合器处高程面，m；P3为混合器处空气压力，Pa。由孔口镀锌管至混合器的高压空气的压力降：

ΔP=P2-P3=γ(Z2-Z3+hf3)

(16)

=9.64×9.81×(160+4 257.38)

=4.18×105≈0.42(MPa)

由山脚至孔口处高压空气的压力损失为0.058 MPa，由孔口至预设计160 m深度处Φ50 mm钻杆内高压空气的压力损失为0.42 MPa；空压机输送高压空气的沿途总压力损失为0.48 MPa。空压机的工作压力是0.7～1 MPa，空压机的工作压力>0.48 MPa。所以单位现有的FV-75空压机的工作压力满足工作需求。

4.4.2 对空压机产气量的校核

空压机抽水通常按气水比耗公式计算：

(17)

式(17)中：V为标准状态下(20 ℃，1个标准大气压下)，每分钟抽1 m3水需要消耗的压缩空气量，m3；K0为调整系数，一般情况下K0=2.17+0.016 4 h；H0为动水位以下混合器的埋深，m；h为动水位至出水口的距离，m。

预估ZK2302钻孔h值为140 m、H0为20 m时，V为56.98 m3；按抽水水量为8 t/h计算，抽水试验需要风量为7.60 m3/min，FV-75空压机在最高额定工作压力1 MPa时，其额定最低产气量为11.2 m3/min。所以，FV-75空压机在风量方面也满足抽水试验需求。

4.5 现场应用设置

根据核算结果和工地的具体情况，设计气举反循环设备布局为：FV-75空压机放置在钻孔的正下方山脚处，沿山坡铺设DN50镀锌管作为高压风管，连接钻孔口Φ50 mm钻杆；钻孔内下入Φ89 mm地质套管，下放深度设定在矿层底板下部5 m、孔底上部10 m处，即165 m处；在Φ89 mm地质套管内下入Φ50 mm钻杆，作为输送高压空气管路，Φ50 mm钻杆下端喷出高压空气与Φ89 mm地质套管内的地下水进行混合，Φ50 mm钻杆底部与Φ89 mm地质套管内腔共同组成混合气水的混合器；Φ50 mm钻杆一侧，用透明胶带缠绕4分 PVC管，作为测量水位的测锤和测线的上下通道。

混合器放置位置计算：由上述计算结果可知，混合器处高压空气的压强是0.5 MPa左右，相当于50 m天然水水柱的压强，ZK2032孔的静水位是40.68 m，所以混合器的下放位置设计为90 m；这个深度也满足混合器启动埋深不低于2 m、正常抽水埋深不低于5 m的条件。

4分PVC管下放深度的确定：4分PVC管作为测绳的下放通道，其下放深度一定比混合器要深，以免在钻孔地层水供应不足的情况下，混合器处水位波动而影响观测效果和结果，所以设定4分PVC管的下放深度超出Φ50 mm钻杆底部3 m以上，即b≥3 m(见图1)。

孔口处，将DN50镀锌管与Φ50 mm钻杆用高压软管相连，形成通往钻孔内的高压空气通道；高压空气在Φ50 mm钻杆下端90 m深处溢出，与水混合形成气水混合物，由Φ50 mm钻杆和Φ89 mm地质套管之间的环状间隙，从下而上喷出，水、气分离，钻孔内的水被带出孔外。

4.6 气举反循环抽水的技术要求及注意细节

现场施工，总结操作的技术要求及注意细节如下：

1)混合器的下放深度，不必拘泥于混合器浸没比的限制，只要混合器输出的高压空气的压力大于混合器处孔内水柱的压力，即：高压空气能够顶开水柱，与水柱混合形成气水混合物，就具备形成气举反循环的条件。

2)因钻孔水位埋深较大，水量较小，所以在孔口上部延长接10 m左右的Φ50 mm钻杆及4分PVC管(两者用胶带缠绑固定)，待抽水开始钻孔内水位下落后，将孔口上接的10 m长Φ50 mm钻杆和4分PVC管徐徐放入钻孔内；这样即保证了高压空气启动气举反循环抽水时压力够用，又能满足水文技术部门要求的大降深、大水量的需求。

3)由于地质水文钻孔具有孔径小、钻孔深、水量偏小等特点，在地层供应水量小，空压机产气量大的情况下，会出现大量气体夹杂少量水分由孔内喷薄而出，不能形成有效的气水混合物的情况，不能形成有效的气举反循环。出现这种情况时，调节回水口阀门，使孔口三通罐内的水部分回流至钻孔内，补充混合器处形成气水混合物的水量，同时，调节空压机的产气量，使高压空气量的供应少些，达到与钻孔供水量相匹配，使混合器处能够连续、有效地形成气水混合物，可以连续气举反循环抽水。

4)由于是在山区施工，地形海拔落差较大，输送高压空气的管路较长，高压空气的压力损失较多，所以，在布设输气管路时，应尽量走直线，管线尽量少弯曲，管线拐弯处拐角尽量小，以减少压力损失。

5)4分PVC管须用透明胶带缠绕在Φ50 mm钻杆一侧，缠绕间距不宜过大，保证其缠绕强度，PVC管尽量捋直；不得将变形的PVC管下入钻孔内；PVC管下端应超过Φ50 mm钻杆下端深度3 m以上，即b≥3 m(见图1)，以防止孔内水位的波动影响观测结果。

6)对水位测量工具的改造：测量水位必须在4分PVC管内进行。4分PVC管的内径仅有12.5 mm，加之与Φ50 mm钻杆捆绑下放过程中，难免出现螺旋弯曲，局部难免被压变形，所以其内径空间很有限，常规测绳、测锤难以顺利通过，这些情况要求测绳必须具有一定的强度和良好的柔韧性，测量的重锤，必须具有足够重量将测绳下拉且能在弯曲变形的4分PVC管内随形而变，具有上提下放顺溜的能力。所以，测绳改造如下：测绳重锤用1 m长的直径为9 mm左右的细铁链代替；测水位时万用表的性能不能过于精密灵敏，否则由于PVC管内水膜的存在，真实水位与PVC管内壁的水膜无法区分，必须将常用的灵敏度较高的数字式万用表换成灵敏度较低的指针式万用表。

4.7 气举反循环抽水试验的应用效果

按照设计布设好空压机，安装好送风管和测量通道后，开始抽水试验作业。抽水试验开展地较为顺利，降深、水量等基本水文参数都被准确测出，效果良好。

由于抽取的是矿层底板下部5 m、孔底上部10 m处，即160 m处的地层混合水，降深是基于混合水的出水量的水位落差，所以，基本反映了该处矿床开采阶段地下水排出量的数据。空压机抽水试验成果见表2。

表2 气举反循环抽水试验数据记录

5 结 论

1)地质水文钻孔具有孔径小、钻孔深、水量偏小等特点，常规抽水试验方式、方法采集水文数据难以实现，选用气举反循环抽水方式，巧妙避开了矿山地质水文钻孔孔径小、难以选取合适的抽水设备、常规抽水方式难以连续作业、试验数据不真实等情况，具有方便、适用、连续、试验数据准确等优点，可以很好地解决问题。

2)气举反循环抽水可以正常进行的先决条件，与混合器浸没比关系不大，而与混合器的水位埋深关联，即空压机的工作压力必须大于混合器的静水位埋深和空压机至混合器之间气体通道的压力损失之和；为保证抽水效率，气举反循环抽水启动时混合器埋深不小于2 m，正常抽水时埋深不小于5 m。

3)进行气举反循环抽水试验时，要事前计算好空压机的工作压力、产气量等参数，为现场顺利开展施工工作做准备。选择空压机，重点考虑空压机的工作压力和产气量。