CN112028406B - 一种基于定向钻探的地下水原位修复装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定向钻探的地下水原位修复装置及方法，包括：带有同轴设置的内井和外井的竖直井，所述外井被封隔器隔离成独立的上下两个腔体，各腔体上均设置有与外部连通的孔隙段，其中下腔体上设置的孔隙段用于和带有径向射流孔的水平孔相连，上腔体的内部设置有过滤装置；所述内井内设置有泵送装置，并且其上设置有分别与所述外井各腔体相通的孔隙段。本发明的装置及方法解决了常规垂直钻孔地下水修复半径小、障碍物条件下垂直钻孔施工难度大和工程造价高的问题。

Description

一种基于定向钻探的地下水原位修复装置及方法

技术领域

本发明涉及一种地下水原位修复装置及方法，属于煤矿水环境保护技术领域，具体是涉及一种基于定向钻探的地下水原位修复装置及方法。

背景技术

煤矿开采对地下水环境产生较大影响，甚至直接导致地下水污染。一方面，井下的矿井水中含有重金属、无机毒物、有机物、盐类、悬浮物，如果这些矿井水未经处理直接排入矿区地面或者地表水体，矿井水经过一系列的运移过程，间接造成地下水污染；另一方面，煤炭开采产出的煤矸石，大量在矿区的地面堆积。在长期露天堆积过程，受到风化和降水淋溶的作用，进一步反应生成煤矸石酸性淋滤液（含有硫化物、碳酸盐类混合物、无机盐、汞、砷等污染物），其淋滤液不断向地下水面迁移，会对矿区的地下水环境造成严重污染。而目前地下水是大多数矿区主要的生活用水、灌溉用水和工业用水来源，因此，在矿区开展地下水的原位修复，经济意义、社会效益和生态环境效益显著。

目前，地下水修复的方法较多，主要分为抽出处理和原位修复，抽出处理对含水层渗透系数有较高要求，且存在非水相去除难度大的问题。另外，抽出处理本身对地下水环境的扰动较大；目前通用技术中垂直钻探进行地下修复如图1所示，包括土层101，受污染含水层102、潜水面103、垂直钻孔104，106，107，108、地下水流向105和煤矸石山109；原位修复最常用的方法是通过一系列的地面垂直钻孔104进行修复物质投放，通过修复物质与受污染地下水一系列的生物、化学和物理反应，实现受污染地下水的原位修复。受含水层渗透系数、地下水流速等客观条件限制，无论抽出处理还是原位修复，单个垂直井对污染地下水的修复半径较小，需要在地面向受污染含水层102打多个垂直钻孔104（工程造价高），才能实现地下水的全方位修复。同时，由于矿区地下水受污染最严重的区域一般在煤矸石山109的下部，但是在煤矸石山施工垂直钻孔106、107、108难度很大。因此，对于矿区地下水修复，尤其在煤矸石覆盖的条件下，受污染地下水的修复问题，本领域尚未有较好的方法和装置。

发明内容

本发明的目的是提供种基于定向钻探的地下水原位修复装置及方法，该装置及方法将水平井和垂直井组合成一个完整的系统，解决了常规垂直钻孔地下水修复半径小、障碍物条件下垂直钻孔施工难度大和工程造价高的问题。

为解决以上问题，本发明采用的方案是：

一种基于定向钻探的地下水原位修复装置，包括：带有同轴设置的内井和外井的竖直井，所述外井被封隔器隔离成独立的上下两个腔体，各腔体上均设置有与外部连通的孔隙段，其中下腔体上设置的孔隙段用于和带有径向射流孔的水平孔相连，上腔体的内部设置有过滤装置；所述内井内设置有泵送装置，并且其上设置有分别与所述外井各腔体相通的孔隙段。

优选的，上述的一种基于定向钻探的地下水原位修复装置，所述外井的上部安装有水位传感器。

优选的，上述的一种基于定向钻探的地下水原位修复装置，所述内井连接有输气泵和/或抽气泵。

优选的，上述的一种基于定向钻探的地下水原位修复装置，所述过滤装置为一圈围绕在所述外井上腔体内侧的过滤材料。

一种基于定向钻探的地下水原位修复方法，包括：

施工一下端深入到含水层的竖直井；

施工至少一个水平孔，所述水平孔上设置有与含有水层相通的径向射流孔；

其中，所述竖直井包括一带有同轴设置的内井和外井的；所述外井被封隔器隔离成独立的上下两个腔体，其中下腔体与水平孔相连，上腔体内部设置有过滤装置并且设置有孔隙段；所述内井内设置有泵送装置，并且其上设置有分别与所述外井上下腔体相通的孔隙段。

优选的，上述的一种基于定向钻探的地下水原位修复方法，所述定向孔为两个，分别对称施工于所述竖直井的两侧。

优选的，上述的一种基于定向钻探的地下水原位修复装置，利用泵送装置将从所述水平孔进入到所述外井下腔体内的地下水经所述内井的孔隙段泵入到所述外井的上腔体中，利用所述外井上腔体内设置的过滤装置过滤所述地下水后再经上腔体的孔隙段排出。

优选的，上述的一种基于定向钻探的地下水原位修复装置，采用输气泵通过输气管道向内井注气，采用潜水电泵通过抽水管道抽取内井中地下水以实现地下水通过内井向上部运移；采用抽气泵抽取内井中的气相污染物。

优选的，上述的一种基于定向钻探的地下水原位修复装置，所述在所述外井的上部安装有水位传感器。

优选的，上述的一种基于定向钻探的地下水原位修复装置，水平孔包括水平段和弯曲段，在所述弯曲段上设置有一组径向射流孔，在所述水平段上设置有多组径向射流孔，每组径向射流孔之间间距为2-5m。

本发明基于定向钻探的地下水原位修复方法与现有技术不同之处在于：

（1）本发明的一种基于定向钻探的地下水原位修复装置及方法，定向水平孔具有揭露含水层面积大，修复地下水区域广的特点，规避了大量垂直钻孔施工，大大减少钻探工作量，有效降低地下水修复成本。

（2）本发明方法可规避障碍物存在条件下地面打钻的难题，尤其避免了在松散煤矸石上的钻孔施工等难题，松散煤矸石上的钻孔施工存在塌孔、垮孔、钻孔成形率极低以及施工安全风险大等问题。

（3）本发明将定向水平孔、垂直井组合成一个完整的系统，实现了目标含水层的地下水循环，实现了受污染地下水的原位修复。

（4）本发明通过修复材料和结构的设计，实现了地下水水质的原位修复，不影响区域生态和地下水运移。

（5）实现对钻孔参数精确化，科学化，实现了钻孔的精准打钻。

下面结合附图对本发明的基于定向钻探的地下水原位修复方法作进一步说明。

附图说明

图1为目前通用技术中垂直钻探进行地下修复示意图；

图2为本发明基于定向钻探的地下水原位修复装置的剖面示意图；

图3为本发明钻孔布置参数示意图

图4为本发明水平钻孔剖面示意图；

图5为本发明垂直钻孔剖面示意图；

图6为本发明地下水循环与净化过程示意图。

具体实施方式

如图2~图6所示，本发明基于定向钻探的地下水原位修复装置包括竖直井3和对称设置在其两侧的定向水平孔2，竖直井3包括同轴设置的内井301和外井302，定向水平孔2包括依次相连的斜孔直段204、弯曲段205和水平段206，水平段206与竖直井3的下部直接连通，在外井302的套管上部和下部分别设置第一孔隙段321和第二孔隙段322，在内井301的套管上部和下部分别设置第三孔隙段311和第四孔隙段312，在竖直井3的外部设置有输气泵305，输气管351的一端与输气泵305相连，另一端设置在内井301的下部；地下水可通过孔隙段321、322、311、312实现流动。

在内井301中设置有抽水管道371，在其上设置有潜水电泵307，内井301通过抽气管道361与抽气泵306相连。

竖直井3的下端深入到含水层102底部以下1m，抽水管道371的上端设置在含水层102顶部以上1米位置，底端设置在含水层102底部位置。

为增加含水层的渗透性能，在水平段206上设置有多组径向射流孔，方位为钻孔径向平面竖直方向两侧60°，开孔后喷射压力在8-15MPa，形成钻孔上、下方的裂隙203。

竖直井3的中部设置在含水层102顶部处，在竖直井3的中部，即潜水面103处设置有水流封隔器303，在外井302的上部308安装有水位传感器309。

在潜水面103上，外井302的上部308设置有水流反应器304，水流反应器304为一圈围绕在外井302的内侧的过滤材料。

采用输气泵305通过输气管道351向内井301注气，同时采用潜水电泵307通过抽水管道371抽取内井301中地下水，两者共同构成整套系统实现地下水通过内井301向上部308运移。

过滤材料为煤矸石与当地的农作物或者木屑混合，外加一定量CaCl₂制作而成。过滤材料的制备方法包括如下步骤：

（1）农作物或者木屑与煤矸石破碎成尺寸为300μm的粉状物，煤矸石：农作物或者木屑：CaCl₂质量比为1：1.5：1.1混合，压实成块状，尺寸为长宽高0.8m：0.2m：0.1m；

（2）将粉状物煅烧压实成块状的过滤材料，火炉加热速度为15℃/min上升，在650℃时候煅烧60min，达到950℃时，继续煅烧40min；此时的煤矸石比表面积提高100倍左右，孔容积大大增加，对有机物和一些苯酚及重金属都有较好的吸附能力。

每隔10天，或者过滤水量达到20吨便需要更换一圈过滤材料，老旧的过滤材料需要在高温度里煅烧，煅烧温度为800摄氏度，时间为100min，此时可以去除里面吸收的重金属等污染物，然后重复利用。

内井301和外井302采用全段套管设置而成，不锈钢材质，壁厚大于5.0mm，圆柱形；外井302的直径为40cm，内井301的直径为20cm；第一孔隙段321、第二孔隙段322、第三孔隙段311和第四孔隙段312中设置有若干小孔，每个小孔的直径为1cm，间排距为3cm。

斜孔直段204的直径为14.5cm，弯曲段205的直径为11.9cm ，水平段206的直径为11.9cm。

采用本发明的装置进行地下水原位修复方法，包括如下步骤：

（1）竖直井3和定向水平孔2的开挖：确定一个圆形的地面堆积污染物边界范围，在圆形中心位置打竖直井3，下端深入到含水层102底部以下1m，全段安装套管；打两个定向水平孔2，两个定向水平孔2全段安装套管；

（2）为增加含水层的渗透性能，两个定向水平孔（2）的套管安装以后，通过油管（201）将管靴（202）下至水平段（206），依据陀螺仪定向，调整管靴（202）喷射口位置，设计两个径向射流孔为一组，方位为钻孔径向平面竖直方向两侧60°，开孔后喷射压力在8-15MPa，形成钻孔上、下方的裂隙203；

（3）在外井302上部内壁四周安装水流反应器304，在竖直井3的中部的潜水面103处安装水流封隔器303，在外井302的上部安装水位传感器309；采用输气泵305通过输气管351道向内井301注气，同时采用潜水电泵307通过抽水管道371抽取内井301中地下水，两者共同构成整套系统，实现地下水通过内井301向上部运移；采用抽气泵306抽取内井301中的气相污染物。

竖直井3和定向水平孔2的位置确定和打孔方法包括如下步骤：

（1）参数设计：

在地面堆积污染物圆形中心位置为竖直井3的位置，则竖直井3与地表的交点为O₁；

污染物的半径即为O₁A₁，以A₁为出发点，以α角作斜线，α为污染传递角，与松散层的底部边界的交点为C，C在地表的投影为C₁，则AC₁的距离L₁，L₁=L_松*cotα，L_松为松散层垂深，地质资料能够查询，α为污染传递角，80°；则能够计算一半的钻孔水平段206长度为（L_松*cotα+A₁O₁）；

弯曲段205是曲率相同的一段圆弧，内切于斜孔直段204和水平段206，弯曲段205弧长为50m，弯曲段205是曲率相同的一段圆弧，这是考虑到统一曲率会极大的方便现场施工，更是能精准把握钻孔轨迹，提高与竖直井3的对接成功率，确定曲率q，

q=βπ/L_弯

圆心角与斜孔直段204与水平面倾角的夹角相同，为β，L_弯是弯曲段205弧长，总长度为50m，50m的长度设置是因为弯曲段205是整个施工过程中难度最大，施工工艺最复杂，成本最高的区段，所以长度不宜过长，但曲率过大则施工难度和后期钻孔维护困难都较大，因此选择50m的长度，是在曲率和施工成本及难度之间选取的一个较为合理的值；

斜孔直段204与水平面倾角为β，经过现场大量经验，我们认为70°是合理的；

水平段206与地面水平，水平段206与含水层102上部的距离为h_含，h_含=0.75*L_含； L_含为受污染含水层102的厚度，参考图3标注；

这个设计的原因在于，水平段206需要带动污染的水进入垂直钻孔修复，而修复好的地下水需要尽量少在此进入垂直段，所以水平段应该尽量靠含水层下端，这样水资源修复的效率高，但是太靠近含水层下端会造成输排水困难，因此0.75是个相对合理的值。

因此可知圆弧半径r、β和h_含之间的关系是sinβ=（r-h_含）/r，则DC距离等于D₁C₁距离，等于L₂距离，则L₂=sinβh_含/（1-cosβ）；

斜孔直段204，L₃=cotβL_松；

L_松为松散层高度，β是斜孔直段204与水平面倾角为β，我们也称之为切孔角；

（2）打孔：

地面堆积污染物边界范围为圆形时，在圆心O₁处打竖直井3，端部深入到含水层102底部以下1m；直径11.9cm；

距离O₁点（L₁+L₂+L₃+A₁O₂）处，打钻孔斜孔直段204，切孔角β，长度为L₃/cosβ；斜孔直段204直径24.5cm；

此时斜孔直段204刚好到达含水层102与松散层交界处，开始打钻孔的弯曲段205，弯曲段205直径11.9cm，曲率为q，长度为50m；

此时钻孔达到C2位置，开始打水平段206，水平段206直径11.9cm，长度为

（L_松*cotα+A₁O₁）；

以上就完成了一半的钻孔量，另一半与此对称，方法相同，也是从地表开始钻孔，最后与竖直井3贯通。

以上三段钻孔在Y方向上是一致的，这样可以精确钻孔，实现与垂直钻孔的交汇。

外井302在潜水面103处安装有水流封隔器303，避免外井中上部308中处理后地下水和下层污染地下水的混合。

采用输气泵305向内井301注气的另一个目的是，考虑到受污染地下水可能存在挥发性有机物，因此向污染地下水注入大量气体，实现挥发性有机物质从水相转移至气相。因此在竖直井3上面安装有抽气机306，通过抽气管道361抽取内井301中的气相污染物。

在外井302上部308中安装有水位传感器309，可随时监测井内水位高度。

总结：含水层102中受污染地下水通过定向水平孔2流至竖直井3中，通过输气泵305和潜水电泵307，使地下水从竖直井2下部向上部308运移，通过第三孔隙段311的小孔渗透到外径中，外径的小孔上附有水流反应器304， 通过发生一系列的生物、化学和物理反应，达到除去地下水中污染物质的目的。同时，受整个系统水力梯度影响，处理后的地下水通过内井301和外井302的孔隙结构流向土层101，经过土层101的进一步过滤和吸附，地下水入渗至潜水面103，再次回归地下水系统。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于定向钻探的地下水原位修复装置，其特征在于，包括：带有同轴设置的内井(301)和外井(302)的竖直井(3)和对称设置在所述竖直井(3)两侧的定向水平孔(2)，所述定向水平孔(2)包括水平段(206)、弯曲段(205)、斜孔直段(204)；所述外井(302)被封隔器隔离成独立的上下两个腔体，各腔体上均设置有与外部连通的孔隙段，其中下腔体上设置的孔隙段用于和带有径向射流孔的水平段(206)相连，上腔体的内部设置有过滤装置；所述内井(301)内设置有泵送装置，并且其上设置有分别与所述外井各腔体相通的孔隙段；

其中，弯曲段(205)是曲率相同的一段圆弧，内切于斜孔直段(204)和水平段(206)； 弯曲段(205)的曲率为：

q＝βπ/L_弯

圆心角与斜孔直段(204)与水平面倾角的夹角相同为β，L_弯是弯曲段(205)弧长；

其中，所述竖直井(3)一侧的所述水平段(206)的长度为：

L_松*cotα+A₁O₁

在地面堆积污染物圆形中心位置为竖直井(3)的位置，则竖直井(3)与地表的交点为O₁，污染物的半径即为O₁A₁，以A₁为出发点，以α角作斜线，α为污染传递角80°，与松散层的底部边界的交点为C，C在地表的投影为C₁，则A₁C₁的距离L₁，L₁＝L_松*cotα，L_松为松散层垂深，地质资料能够查询；

其中，所述弯曲段(205)在水平面上的投影长度为：

L₂＝sinβh_含/(1-cosβ)，水平段(206)与地面水平，水平段(206)与含水层上部的距离为h_含，h_含=0.75﹡L_含，L_含为受污染含水层的厚度；

其中，所述斜孔直段(204)在水平面上的投影长度为：

L₃＝cotβL_松；

L_松为松散层垂深，β是斜孔直段(204)与水平面倾角为70°。

2.根据权利要求1所述的一种基于定向钻探的地下水原位修复装置，其特征在于，所述外井(302)的上部(308)安装有水位传感器(309)。

3.根据权利要求1所述的基于定向钻探的地下水原位修复装置，其特征在于，所述内井(301)连接有输气泵(305)和/或抽气泵(306)。

4.根据权利要求1所述的基于定向钻探的地下水原位修复装置，其特征在于，所述过滤装置为一圈围绕在所述外井(302)上腔体内侧的过滤材料。

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