弱渗透性第四系潜水含水层水防治措施
【类型】期刊
【作者】谢景立（中电投蒙东能源集团有限责任公司）
【作者单位】中电投蒙东能源集团有限责任公司
【刊名】露天采矿技术
【关键词】 露天矿；地下水；疏干井；边坡稳定；防治措施
【ISSN号】1671-9816
【页码】P4-6
【年份】2019
【期号】第1期
【期刊卷】4
【摘要】以白音华二、三号露天矿为例,针对弱渗透性第四系潜水含水层特点,结合现场实践经验,对大孔径疏干浅井、防渗墙等防治措施在现场的适用条件、应用方法做了进一步的探索,提出了减少地下水对露天矿生产和边坡安全影响的措施和建议。
【全文】 文献传递
弱渗透性第四系潜水含水层水防治措施
摘要：以白音华二、三号露天矿为例，针对弱渗透性第四系潜水含水层特点，结合现场实践经验，对大孔径疏干浅井、防渗墙等防治措施在现场的适用条件、应用方法做了进一步的探索，提出了减少地下水对露天矿生产和边坡安全影响的措施和建议。
关键词：露天矿；地下水；疏干井；边坡稳定；防治措施
白音华煤田地层自老至新有：石炭系，上侏罗统兴安岭群，下白垩统白音华组，新生界第三系，第四系更新统和全新统。其中，第四系由褐黑色腐植土、砂土、细砂、粗砂、粉砂、亚砂土、砂砾和少量土黄亚粘土、黄土等组成，强度较低，全区平均厚度11.70 m。第三系主要发育有粘土或砂质粘土，粘土塑性较强，全区平均厚度为25.18 m。
煤田含水层有第四系孔隙潜水含水层，1、2、3煤组裂隙承压含水岩组。其中，第四系潜水含水层补给由大气降水，冰雪消融水，大气凝结水及地下水径流组成，以大气降水为主，属水文地质条件简单含水层。以白音华三号矿为例，根据《矿田地质勘探报告》，露天矿首采区第四系孔隙含水层厚度6.83～21.33 m，平均为7.12 m，含水层水位埋深平均2.31 m，渗透系数为2.727～0.564 m/d，平均为1.645 m/d。由于该层渗透系数较小，春季冰雪融水和夏季大气降水不易排出，第四系涌水对采场各帮尤其是非工作帮和东西端帮上部地层侵蚀时间长，使边坡岩体强度大大降低，多处出现片帮、塌落甚至滑坡的现象。如不对第四系潜水进行有效疏干，边坡稳定性进一步降低，将严重影响东端帮下部原煤半固定破碎站，西端帮剥离半连续系统胶带机等重要设施的安全。
基于不同的水文地质条件和生产特点，防治地下水害主要采取“防、堵、疏、排、截”的综合治理措施。其中，疏干措施主要是借助于巷道、疏水孔、明沟等各种设施，预先降低开采区域地下水位，以保证采掘工作正常进行的措施。地下水封堵主要是采取注浆、围挡等措施将地下水与围挡区域分离，控制地下水对作业和设施安全造成的影响。
1 疏干措施
主要包括降水孔疏干法、巷道疏干法、放水孔疏干法、明排疏干法等，结合第四系潜水含水层特点，主要就放水孔疏干法和降水孔疏干法在现场的应用作以说明。
1.1 放水孔疏干措施
主要是参照井工煤矿巷道放水孔疏干方法，以垂直于台阶走向，与水平方向成1°～1.5°仰角，向含水层内施工钻孔，并将布有密集小孔的管材放入其中，含水层内的水通过管材上的透水小孔汇集到管材中流出。水平放水孔疏干办法实质上是增加含水层的渗透系数，使水顺利排出，以减少对边坡岩体的长时间侵蚀。这一技术在抚顺西露天矿已得到很好的应用，但由于白音华二、三号露天矿第四系地层过于松散，不仅难以成孔，而且沙土含量较大，管材上的渗水孔非常容易被泥土堵塞，地下水无法顺利导出，限制了水平放水孔的推广和应用[1-2]。
1.2 降水井疏干措施
降水井是最为常见的疏干方式（以下简称疏干井），主要是沿采场（区）周边地表施工钻井，穿透矿（井）田目标含水层，将地下水集中排出，以减少地下水向采掘区域的补给。白音华二、三号露天矿建设之初，内蒙古煤矿设计研究院根据各含水层条件，针对矿田全部含水层在采场周边施工了14眼疏干井（以下简称深孔疏干井），成井直径确定为500 mm，井距为250 m。在14眼疏干井投入使用后，其附近区域的上部边坡仍有大量潜水涌出，未起到应有的疏干作用。针对这一问题，结合其他矿山生产实践经验，主要从疏干井的井径、井距、距边坡坡顶线距离和施工措施方面，对第四系潜水含水层疏干系统进行了改进。
1）疏干井井径和井深。根据计算单井涌水量的裘依布公式：
式中：k为渗透系数，m/d；H为含水层厚度，m；h0为稳定水位高度，m；R为影响半径，m；r0为疏干井成井半径，m。
按裘依布公式，井径的变化对涌水量影响较小（井径r0增大10倍，涌水量只增加40%），而实际情况并非如此，特别是对于渗透系数较小的含水层，井径扩大后涌水量显著增加。为积极稳妥地实施该项目，在采场东帮施工的11眼浅井成井直径在原疏干深井的基础上增加100 mm，即浅井成井直径为600 mm[3]。
浅井的深度则根据地质条件变化进行随机调整，为降低工程造价，便于洗井及抽水，井深应达到第四系沙层底部10 m以下红粘土中。
2）疏干井井距。根据计算疏干井影响半径的库萨金经验公式，以及2井间剩余水头计算公式，含水层的厚度、渗透系数等对井间距值有着重大影响。由于区域第四系赋存不稳，含水层厚度、渗透系数变化较大，难以确定恒定的井间距数值。为此，在确定井位和井间距时，可根据已揭露边坡涌水情况布设井位。而在原始地表，则采用半数递减法，逐步减少疏干井间距，根据成井后的抽水试验数据，决定该井是否具有投运价值。
3）疏干井施工技术要求。①施工过程中应根据地层情况及时调整井深和下管位置；②成孔采用反循环钻机清水钻进，以保证孔壁充分透水，为形成稳定护壁，需要使用由粘土、水、氢氧化钠及大分子聚合物配制而成特制泥浆，在钻井过程中，冲洗液流速不能过快，否则对孔壁将产生冲刷破坏作用，造成孔壁坍塌；③由于第四系含水层分布不均匀，发育不稳定，成孔过程中发现含水层厚度小于2 m时，应及时停孔，重新选择孔位；④井壁管采用φ273 mm，壁厚6 mm的螺纹铁管，过滤器采用φ273 mm约翰逊式；⑤下管前过滤器用150 μm尼龙纱网双层包扎，以防细沙涌入井内；⑥滤料选用直径3～10 mm碎石，填料采用水冲法；⑦成井后用潜水泵进行洗井，水清后进行简易抽水试验，标定涌水量和水位降深；⑧由于第四系含水层涌水量差异较大，水泵应根据每口井抽水试验结果进行选型。
4）大孔径潜井疏干效果。根据现场实际涌水情况，先期在采场东端帮施工了11眼疏干潜井。目前运行情况正常，月平均抽水量达到1.7万m3，有效减少了第四系地层边坡中地下水的含量，提高了边坡岩体的强度。
2 地下水封堵措施
2.1 帷幕注浆措施
帷幕注浆就是在采掘区域外进行地质探孔和注浆孔等钻孔作业,然后把用水泥、水玻璃、粘土等材料制成浆液注入钻孔内,把周围一定范围内的岩缝中的水挤出,保证围岩的裂隙被具有一定强度的混合浆体充填密实，并与岩体固结成一体，形成止水帷幕。由于该项措施技术复杂、施工费用大，特别是第四系岩体较为松散，难以与注入的浆体结合为整体，无法起到有效的隔水作用[4-5]。
2.2 简易防渗墙挡水措施
白音华二号矿在初始拉沟过程中，由于雨量充沛第四系含水较多，地下水的大量涌入，致使设备作业困难，采场难以向下降深。根据首采区拉沟位置地质资料，并通过现场实际勘查，发现在采场的中西部近300 m范围内的第四系含水层赋存稳定，且厚度在7 m左右，可以采取封堵措施对水害进行治理。经现场技术人员认真研究，在距离采场边缘适当位置，开挖1条与坡顶线平行的沟槽，并向槽内回填第三系红粘土，利用其良好的隔水性能实现对地下水的隔挡。该措施施工工艺简单，施工设备无特殊要求，回填物料可就地取材，具有易操作、费用小、效果好的特点，但受施工设备作业参数限制，该措施只能应用于水位埋深浅、含水层厚度薄的区域。以现场施工常用的CAT360型液压挖掘机为例，按照其作业技术参数和第四系物料性质（决定台阶坡面角），适宜的沟槽规格如图1。如再增加1个下挖深度，理论上的沟槽截面积将由84 m2增加到172 m2。在实际施工过程中，在施工工期延长的情况下，受地下水涌出、浸泡的影响，沟槽面积还将大幅增加，工程量成倍甚至几倍增长，方案的经济技术合理性变差，不宜推广使用。
图1 简易防渗墙施工断面示意图
2．3采场内围挡措施
白音华三号矿东帮含水层厚度平均在13 m左右，最深处达到15 m。受地下水的长期浸泡，第三系粘土层逐渐泥化，东帮中段从965水平以上的3个台阶全部处于塌落状态，而且冲塌落体不断有地下水涌出，对煤系地层的稳定性产生了严重影响，进而威胁到下部半固定破碎站的安全。为了有效控制地下水对东帮边坡的影响，采取了在采场内筑坝围挡的治理方案[6]。
1）以沿塌陷区下部未收地下水影响的第三系或煤系地层为界向东扩帮，随着底部物料的清理，上部泥水混合的松软物料自然向下塌落，直至将塌陷区物料全部清理干净，东侧形成原始第三系和第四系组成的自然坡面。
2）在坡面底部沿一定方向按3‰～3‰的坡度挖出顺水沟，并向沟内放入大块坚硬碎石。
3）按照设计标高迅速回填红粘土，与两侧未扰动原始台阶相连，形成新的边帮台阶。
在实施过程中，一是要对塌陷区清理到位，保证回填的红粘土台阶有足够的宽度，以加大回填物料与原始地层之间的接触面积，提高坝体整体强度，防止坝体内排水不畅，水压过大或长期浸泡使坝体遭到破坏；二是掌握好清理的底面标高，开挖的顺水沟尽量接近第四系底板，使地下水能顺利汇集到沟内，三是回填的碎石要有足够的粒度和硬度，保证所汇集的地下水能沿孔隙排出。
采取上述措施，新形成的红粘土台阶可起到截水坝的作用，将第四系潜水阻隔在坝内侧，并沿底部用碎石形成的沟渠，将水从固定泄水点放出，对防止地下水对东帮大面积长期浸泡起到了一定作用。
3 结语
露天矿弱渗透性浅层地下水由其水文地质特性决定，具有治理难度大、危害大的特点，结合白音华二、三号露天矿几年来的实践经验，在防治弱渗透性浅层地下水害方面，一是要予以高度重视，将其视为安全工程、效益工程，从防治计划的制定、防治措施的研究、方案的实施、效果后评价方面进行全方位重点管控；二是要对水害防治的长期性和复杂性有充分的认识，地下水害伴随着露天矿生产和建设的全过程，随着水文地质条件、采矿工程位置的变化而变化，没有一蹴而就、一劳永逸的防治措施，只有成立专门的组织机构，配备专业技术人员进行长期的研究，才能及时对新的灾害或隐患提出有效的解决方案；三是要不断加大包括水文地质勘察、观测及防治措施实施在内的各项防治资金投入。
参考文献：
［1］杨占军，肖平，夏寿量．抚顺西露天矿浅部边坡地下水灾害的防治［J］．露天采矿技术，2004（5）．
［2］李恒芳．松散厚层流沙中大孔径钻井施工方法［J］．露天采矿技术，2013（6）．
［3］薛建坤，许继鹏，宋淑光．钻孔单位涌水量换算的探讨［J］．煤炭技术，2011（8）．
［4］王运敏．现代采矿手册［M］．北京：冶金工业出版社，2011．
［5］袁亮．煤矿总工程师手册［M］．北京：煤炭工业出版社，2010．7．
［6］王永江，沈文．中国煤矿水害预防及治理［M］．北京：煤炭工业出版社，1996．
【责任编辑：陈毓】
Water prevention measures on weak permeability quaternary phreatic aquifer
Abstract：Taking Baiyinhua No.2 and No.3 open-pit mine for example,aiming at weak permeable quaternary phreatic aquifer characteristics and practical experience,the article made further exploration on the applicable conditions and applied method of large aperture dewater wells and seepage prevention wall prevention measures,and presented measures and suggestions on reducing the influence of the groundwater to open-pit mine production and slope safety.
Key words：open-pit mine;groundwater;dewater well;slope stability;prevention measure
中图分类号：TD824.6
文献标志码：B
文章编号：1671－9816（2015）01－0004－03
DOI：10.13235/j.cnki.ltcm.2015.01.002
收稿日期：2014-07-18