Глава 10 . Специальная глава. Откачки.

Назначение откачек

Откачки подземной воды из буровых скважин, шурфов, ка­нав и другого вида горных выработок производятся для разре­шения различных задач, связанных с водоснабжением, ороше­нием, разработкой полезных ископаемых и пр.

Назначение откачек: определение удельного и общего де­бита скважин, коэффициента фильтрации водоносного гори­зонта, размеров, формы и темпов роста депрессионной воронки в процессе откачки; установление связи между отдельными во­доносными горизонтами, а также гидравлической связи грунто­вых вод с поверхностными водотоками; выявление возможностей искусственного водопонижения при строительстве сооружений и осушении месторождений.

Откачки, в зависимости от целевого назначения и методики проведения, в настоящее время принято подразделять на проб­ные, опытные и пробно-эксплуатационные.

Пробные откачки производятся обычно из одиночных скважин или шурфов на одну или две ступени понижения уровня и являются кратковременными (2—7 смен в зависимо­сти от литологических свойств и водоносности пород). Матери­алы, получаемые при таких откачках, служат для предвари­тельной оценки дебита скважин и сравнительной характеристики водообильности водоносного пласта в целом или его отдельных участков (зон).

Опытные откачки производятся из одиночных разве­дочных и разведочно-эксплуатационных скважин, из кустов сква­жин (одна центральная и несколько наблюдательных скважин), а также из групп скважин. Опытные откачки из одиночных сква­жин и кустов проводятся с целью установления зависимости дебита скважин от понижения уровня, определения радиуса влияния и коэффициента фильтрации.

Эти откачки проводятся как минимум с тремя понижениями продолжительностью от 6 до 30 смен каждое, в зависимости от литологического состава водовмещающих пород.

Групповые опытные откачки чаще всего проводятся из двух скважин (так называемые спаренные откачки) с целью изуче­ния взаимодействия скважин.

Пробные и опытные откачки в некоторых случаях проводятся но зонам (интервалам).

Зональные откачки производятся в районах распространения мощных водоносных горизонтов (толщ) с целью изучения зако­номерности изменения водопроницаемости пород с глубиной. При этом опробованные зоны от неопробованных изолируются при помощи тех или иных технических средств, известных из курса бурения .

Пробно-эксплуатационные откачки произво­дятся обычно из одиночных разведочно-эксплуатационных сква­жин и групп таких скважин. Они проводятся для определения устойчивости дебита и качества подземных вод во времени. Эти откачки осуществляются при максимальных дебитах, близких к запроектированному дебиту водозабора в районах со слож­ными гидрогеологическими условиями, а также в районах рас­пространения малых геологических структур, содержащих воду. С такими условиями, например, приходится встречаться при проектировании водозабора из обводненной зоны тектониче­ского нарушения, имеющего ограниченное распространение, или из артезианского бассейна малых размеров с небольшой пло­щадью питания. Такие же откачки проводятся при заборе под- русловых вод в области многолетней мерзлоты в зимнее время, когда вследствие глубокого промерзания ресурсы надмезлотных подземных вод резко уменьшаются.

Г. Н. Каменский рекомендует пробно-эксплуатационные от­качки проводить также при проектировании водозабора из аллю­виальных отложений, воды которых гидравлически связаны с ре­ками, питающими подземные воды. Откачки этого рода прово­дятся и в приморских районах, где подземные воды связаны с солевыми морскими водами.

Обычно пробно-эксплуатационные откачки проводятся в сро­ки от одного до нескольких месяцев, обязательно захватывая и период, когда питание подземных вод отсутствует.

10.2. Пробные и опытные откачки воды

На стадии предварительных исследований для относительно­й оценки водообильности водоносных горизонтов производятся, как уже говорилось (10. 1), пробные откачки воды из одиночных скважин. Из мощных водоносных горизонтов, обладающих вы­сокой водопроводимостью, откачки производятся при помощи насосов различных конструкций, а из слабо производительных горизонтов — желонками. Надо сказать, что желоночный способ откачки широко применяется для приблизительной оценки водо­носных горизонтов слабой водообильности.

На стадии предварительных исследований, когда откачки осу­ществляются с целью получения сравнительных данных о водо­носности отдельных горизонтов, можно ограничиться одной- двумя ступенями понижения уровня.

На стадии детальных исследований производятся опытные откачки из одиночных скважин, а в особенно ответственных слу­чаях при неглубоком залегании водоносного горизонта—из специально оборудованного для этой цели куста скважин при трех ступенях понижения статического уровня.

Число ступеней понижения уровня зависит не только от ста­дии исследований и заданного дебита, но также и от степени изученности опробуемого водоносного горизонта.

В районах, где водообильные горизонты хорошо изучены, допустимо проводить продолжительные опытные откачки на одну максимально возможную ступень понижения уровня. Количество откачиваемой воды при этом должно быть не ниже 50% запроектированного дебита. Откачки этого вида обычно проводятся из скважин, вскрывших водоносные горизонты й устойчивых трещиноватых породах или гравийно-галечниковых отложениях и не имеющих фильтров, или оборудованных только перфорированными трубами или каркасно-стержневыми фильтрами с гравийной засыпкой. Во всех остальных случаях, пожалуй, более многочисленных, опытные откачки следует про­водить с тремя-четырьмя понижениями уровня. Это позволяет судить о правильности проведенных откачек, выявлять зависи­мость дебита от понижения и рассчитывать дебит при более низ­ком динамическом уровне, по сравнению с уровнем, достигнутым при откачке.

В «Инструкции по применению классификации эксплуата­ционных запасов подземных вод» [69] указывается при­мерная общая продолжительность пробных и опытных откачек (табл. 5).

Продолжительность непрерывной откачки после стабилиза­ции динамического уровня и расхода воды для каждой ступени понижения должна быть не менее 1—2 суток. Несомненно, что более надежные результаты получаются в итоге длительных откачек.

Кроме того, следует откачки проводить в определенные сезоны. Так, например, для водоснабжения в районах с малым количеством водных ресурсов важно установить максимальное количество подземной воды, которое может быть получено при эксплуатации. И опытные откачки, по результатам которых будут делаться расчеты производительности проектируемого водозабора, следует проводить в сезон Года (обычно зимой) с минимальным расходом или наиболее низким положением 100

Табл. 1. Главы 10.

уровня подземных вод. Для строительных же целей важно опре­делить максимальные водопритоки (например, в котлован), поэтому в данном случае откачки проводятся в периоды высо­кого положения уровня подземных вод.

В рыхлых песчаных породах для прокачки скважины и обра­зования естественного фильтра откачки следует начинать с наи­меньшего понижения уровня воды, постепенно переходя к мак­симальному. При такой последовательности понижений в про­цессе засасывания воды в околофильтровом кольцевом про­странстве происходит медленная отсортировка песчаных частиц: более мелкие и легкие частицы проносятся водой через сетку фильтра и выносятся на поверхность земли; более тяжелые частицы, попавшие в фильтр, накапливаются в отстойнике фильтра; наиболее же крупные песчаные фракции остаются за сеткой фильтра, благодаря чему снижается сопротивление движению воды в скважину.

Наоборот, из трещиноватых водоносных пород, если сква­жины необорудованы фильтрами или закреплены только пер­форированными трубами, откачки производят начиная с макси­мального понижения уровня воды. Такая обратная последова­тельность откачки обусловлена тем, что при максимальном понижении уровня сравнительно быстрее происходит очистка трещин от заполняющего их песчано-глинистого материала, а это в свою очередь способствует более быстрой стабилизации уровней в наблюдательных скважинах и получению более достоверных данных для построения кривых зависимости дебита от понижения уровня.

Вообще надежность получаемых при откачках результатов в значительной мере обусловливается тщательностью предвари­тельной очистки и прокачки скважины. Поэтому подготовке скважины к откачке следует уделять особое внимание.

Величину понижения уровня на каждую ступень следует задавать, исходя из потребного количества воды, а не из произ­водительности имеющегося насосного оборудования, как нередко поступают на практике. Если известно потребное количество воды, то опытные откачки должны проектироваться с таким рас­четом, чтобы* при максимальном понижении уровня можно было получить около половины заданного количества воды. Эта реко­мендация наибольшее значение имеет при исследованиях для крупного водоснабжения, когда проектируется водозабор из пластов, не обеспеченных достаточным питанием.

В «Технических условиях» говорится, что при опытной откачке из водоносного горизонта, намечаемого для эксплуата­ции, количество откачиваемой воды должно составлять не менее 50—75% проектной производительности скважины.

Определив по потребному количеству воды максимальное понижение уройня, нетрудно затем подсчитать понижение уровня, например, для остальных двух ступеней понижения 102 (в случае откачки на три ступени) путем деления найденной величины на три равные части. Во всех случаях минимальное понижение должно быть не менее 1 м.

При выборе пунктов для организации опытных откачек надо учитывать рельеф дневной поверхности, а также и водоупорного ложа пласта, мощность водоносного слоя, характер зеркала подземных вод и т. д. Если в процессе детальных исследований опытные откачки производятся из куста скважин, то следует на более характерных участках дополнительно произвести проб­ные откачки из одиночных скважин. Для этого можно использо­вать некоторые разведочные скважины, пройденные на харак­терных в гидрогеологическом отношении участках изучаемого района.

Опытные откачки довольно дороги и трудоемки и осу­ществление их требует много времени. Поэтому в интересах частичного сокращения объема пробных и опытных откачек при разведочных работах целесообразно из некоторых скважин и шурфов отбирать образцы водоносных пород для лаборатор­ного определения коэффициента фильтрации. Но при этом сле­дует иметь в виду, что лабораторные опыты, конечно, не могут заменять полевых исследований, которые дают наиболее надеж­ные результаты. Весьма приближенные значения коэффициента фильтрации песчаных пород, если известен их гранулометри­ческий состав, можно получить также расчетным путем, но этот способ дает наибольшие отклонения от действительности.

При вскрытии гидрогеологическими или водопонизительными скважинами в интервале, запроектированном для водозабора, плотных или слабо трещиноватых пород, известняков с про­слоями глин или других не водопроводящих пород следует при­бегать к торпедированию скважин. Это мероприя­тие вполне оправдало себя на ряде артезианских скважин й Московском бассейне и других районах, но иногда оно может п не дать положительных результатов.

Для вскрытия водоносных горизонтов, перекрытых обсад­ными трубами, производится простреливание их при помощи перфораторов. Простреливание отверстий в колоннах обсадных труб особенно широко и с успехом применяется в нефтедобы­вающей промышленности. Простреливание производят обычно - Перфораторами СП-5 (стреляющий перфоратор для скважин с наименьшим диаметром труб 5"). Принцип действия стреляю­щих перфораторов освещен в специальной литературе.

К Глубина одиночных гидрогеологических скважин и цент­ральных выработок в опытных кустах зависит от мощности водоносного пласта и глубины залегания от поверхности Водонепроницаемого слоя. Те и другие желательно доводить До кровли водоупорного пласта, подстилающего водоносный Горизонт. Наблюдательные выработки могут иметь меньшую глубину, но она должна быть достаточной для обеспечения замеров динамических уровней подземных вод в процессе водо- понижения. Чем дальше отстоит наблюдательная выработка от центральной, тем меньше может быть ее глубина.

Фильтры в центральной и наблюдательных скважинах уста­навливаются с таким расчетом, чтобы динамический уровень

скважин 1—2 м. Конечный диаметр одиночных и центральных (в опытных кустах) гидрогеологических скважин в зависимости от способа бурения колеблется от 114—127 до 152—203 мм, наблюдательных — от 76 до 97 мм.

При откачках из шурфов или дудок вода поступает в выра­ботку через ее стенки и дно. Для облегчения притока воды шурфы нередко закрепляют досками в разбежку; за стенки крепи иногда (если позволяют условия) засыпают гравий или крупнозернистый песок.

Опытные кусты целесообразно закладывать -при откачках из высокопроизводительных безнапорных или напорных водо­носных горизонтов и при глубине залегания водоупорного ложа до 50—60 м.

Опытный куст состоит из одной центральной и нескольких наблюдательных скважин, закладываемых в зависимости от задания, глубины залегания подземных вод от поверхности, сложности гидрогеологических условий и других факторов, по одному, двум, трем или даже четырем лучам. Для экономии средств и материалов, а также для сокращения сроков поле- 11ых гидрогеологических исследований, даже в весьма слож­ных гидрогеологических условиях и при невыдержанном гео­логическом строении можно ограничиваться опытным кустом, состоящим из центральной и нескольких наблюдательных сква­жин, заданных по двум лучам. При этом один луч скважин придается нормально к направлению подземного потока, а вто­рой — в направлении, противоположном движению потока. На участках с выдержанным геологическим строением и повы­шенной водообильностью можно ограничиться одним лучом, заданным нормально к направлению подземного потока. В особо ответственных случаях при изменяющихся геологи­ческих условиях наблюдательные скважины располагают по четырем лучам. Количество наблюдательных сква­жин в луче колеблется от 2 до 4.

Для экономии средств, материалов и времени рекомен­дуется шире использовать в качестве наблюдательных сква­жины и шурфы, пройденные для разведочных целей. В целях учета естественных колебаний уровня подземных вод в про­цессе откачек и внесения соответствующих поправок следует задавать еще наблюдательную скважину на изучаемый водоносный горизонт на таком расстоянии, где заведомо не могут оказывать влияния откачки. Разумеется, что гидрогеологи­ческие условия участков заложения опытного куста скважин и указанной наблюдательной скважины должны быть сход­ными.

В некоторых районах вблизи скважины, из которой осущест­вляется опытная откачка воды, имеются другие буровые на воду скважины (пройденные ранее). Для выявления радиуса влияния и величины снижения уровня воды в ряде таких сква­жин должны быть организованы наблюдения за уровнем. Важно замерить уровни в этих скважинах до откачки, несколько раз в процессе откачки и в конце откачки. При этом следует помнить, что большие понижения уровня, создаваемые при откачках из пластов высокой проницаемости, оказывают влияние на скважины, находящиеся на расстояниях 500—1500 м и более от той, из которой производится откачка.

В последнее время появилась (и на ряде месторождений уже оправдала себя) тенденция при разведке и гидрогеоло­гическом изучении пластовых месторождений по возможности отказываться от опытных кустов, закладывая большее коли­чество одиночных гидрогеологических скважин, более равно­мерно освещающих разведуемую площадь. В этом случае, даже если число одиночных скважин превышает количество центральных в опытных кустах, получается некоторая экономия в объеме буровых работ за счет исключения наблюдательных скважин. Кроме того, каждая одиночная скважина, из которой производится опытная откачка, может закладываться по сетке разведочных выработок и, таким образом, одновременно выполнять задачу геологического изучения участка.

Гидравлическая связь между отдельными водоносными горизонтами в случае отсутствия достаточно подробных дан­ных по гидрогеологической характеристике района или участка может быть выяснена по результатам откачек. Разные отметки уровня воды в буровых скважинах, вскрывших водоносные горизонты на неодинаковых глубинах, в случае чередования водоносных пластов с водонепроницаемыми часто указывают на то, что гидравлическая связь между отдельными водонос­ными горизонтами на разведуемом участке отсутствует.

В другом случае уровни нескольких водоносных горизонтов (в том числе и грунтового ) могут установиться в скважинах на одних и тех же отметках. В частности, это может быть в районах, где области питания и разгрузки нескольких водоносных горизонтов расположены примерно на одних и тех же высотах. Чаще, однако, такое положение уровней подземных вод обусловлено гидравлической связью между отдельными водоносными горизонтами.

Для установления гидравлической связи водоносных гори­зонтов обычно закладывают несколько скважин (по числу некрытых водоносных горизонтов) на разную глубину и про­изводят тщательную изоляцию водоносных горизонтов. Про­должительные беспрерывные откачки воды из какой-либо одной скважины и тщательные наблюдения при этом за положением

Рис. 58. Схема расположения скважин в опытном кусте при установлении гидравлической связи откачкой. 1 — суглинок; 2 — песок с галькой; 3 — песок водонос­ный; 4 — глина; 5 — уголь

уровня воды в других скважинах дают возможность судить о гидравлической связи между водоносными горизонтами.

Например, если при откачках из скв. 2 отмечается сниже­ние уровня грунтовых вод в скв. 1, это будет указывать на Гидравлическую связь вод верхнего (первого) напорного водоносного горизонта с грунтовыми водами. Не изменившееся при тойй же откачке положение уровня напорных вод в скв. 3 будет указывать на отсутствие гидравлической связи между водами двух напорных водоносных горизонтов.

1 Практика показывает, что чем теснее гидравлическая связь ^ржду водоносными горизонтами, тем быстрее падает уровень ШДМ в наблюдательных скважинах и, наоборот, чем отдален­ии! эта связь и чем ниже коэффициенты фильтрации водонос­ных пластов, тем медленнее падает уровень воды в наблюди тельных скважинах и на меньшую высоту.

Уже из этих одних наблюдений можно сделать важные практические выводы, которые необходимо иметь в виду, например, при эксплуатации месторождений. Представим себе случай, когда при дренаже надпродуктивного водоносного горизонта величина гидростатического давления в подпродуктивных песках останется без изменения. Следовательно, при дре­наже только надпродуктивных вод угроза прорыва напорных вод в выработки из подпродуктивных песков (снизу) сохра­няется. Необходимо произвести специальные исследования и гидрогеологические расчеты, которые должны показать, на ка­кую величину следует понизить уровень вод в подпродуктивном напорном горизонте, чтобы избежать внезапных прорывов напорных вод со стороны почвы в процессе эксплуатации. Совершенно очевидно также, что при отсутствии гидравли­ческой связи между первым (надпродуктивным) и вторым (подпродуктивным) напорными водоносными горизонтами сле­дует запроектировать такой тип дренажа, который бы способ­ствовал возможно большему осушению водоносных пород и кровли и постели залежи полезного ископаемого.

Существенным элементом пробных и опытных откачек являются наблюдения в выработках за уровнем подземных вод и количеством откачиваемой воды. При малом диаметре сква­жины, из которой производится откачка, и наличии в ней водо­подъемных труб наблюдения за динамическим уровнем воды в скважине во время откачки затрудняются. Поэтому целесообразно иногда при неглубоком залегании подземных вод от поверхности закладывать затрубную скважину. Последняя обычно задается на расстоянии 0,5—1,0 м от оси центральной скважины и имеет небольшой диаметр, позволяющий, однако, свободно измерять уровень воды. При измерении уровня в затрубной скважине исключается влияние «скачка» на точность расчетов расхода и коэффициента фильтрации водоносного горизонта. Динамические уровни должны замеряться как в процессе откачки, так и после прекращения ее до полного восстановле­ния уровня. В течение первых двух часов равномерных отка­чек, когда происходит резкое снижение уровня воды, последний замеряется через каждые десять минут, а в дальнейшем, до конца откачек, через каждый час. Такой же режим может быть принят и для наблюдений за восстановлением уровня воды после прекращения откачек.

Количество воды, откачиваемой из выработки в единицу времени, измеряют с помощью лопастных водомеров, водо­сливов и мерных сосудов. Водопропускная способность лопаст­ных водомеров зависит от их размеров: чем он больше, тем 108 выше и пропускная способность водомера. Точность измерения лопастными водомерами до 2%. Определение расхода воды при помощи водосливов рассмотрено выше (гл. 10. 2).

С помощью мерных сосудов производятся или периоди­ческие замеры (по тарировочной шкале) объема воды, посту­пающей в мерный сосуд (ведро, бочку) в определенный про­межуток времени, или же производят учет времени, затрачи­ваемого на заполнение мерного сосуда (отмечается по секун­домеру).

Замеры объема производятся при небольших расходах отка­чиваемой воды, определение времени заполнения — при значи­тельных расходах воды. В последнем случае рекомендуется использовать два сосуда: когда один из них будет наполнять­ся откачиваемой водой, другой в это время будет опорож­няться.

При мощных водоотливах из скважин сброс откачиваемых вод в сторону ближайших понижений нередко осложняется большими уклонами местности и легкой размываемостью рых­лых покровных пород. Кроме того, возможна обратная фильт­рация выкачанных на поверхность вод через пористые и тре­щиноватые породы, что может в той или иной степени сказаться на результатах проводимых откачек.

Для предупреждения вредных последствий, могущих воз­никнуть в случае сброса выкачанных вод по незакрепленной поверхности, прибегают к их изоляции. На промышленных площадках целесообразно для пропуска вод прокладывать на глубине 0,3—0,5 м закрытые трубопроводы. Вне площадок н пределах депрессионной воронки, в случае опасности раз­мыва поверхности или возможности обратной фильтрации, водоспуск должен осуществляться по закрепленным водоне­проницаемым материалом лоткам и канавам.

Способы изоляции отдельных интервалов скважины для производства зональных откачек мало чем отличаются от спо­собов изоляции, применяемых при опытных нагнетаниях. Следует только иметь в виду, что при опытных нагнетаниях интервал зоны принимается 5 м, при зональных же откачках этот интервал нередко составляет несколько десятков или даже около 100 м.

Заключение

В ходе данного курсового проекта была спроектирована работа геолого-разведочной партии при разведке месторождений на свинец и цинк. Подробно рассмотрены механизмы спуско-подъёмных операций. Произведены расчёты затрат времени на различные виды основных и вспомогательных работ.