楊慶龍，仝宇珍

（1.寶清煤電化公司 朝陽(yáng)露天礦，黑龍江 雙鴨山 155625；2.大地工程開(kāi)發(fā)（集團(tuán)）有限公司，北京 100102）

地下水作為水文地質(zhì)單元內(nèi)最活躍的因素，對(duì)采礦有著比較大的威脅，為保證露天煤礦安全正常生產(chǎn)，開(kāi)展地下水疏干降水工作十分必要。朝陽(yáng)露天礦礦區(qū)地下水豐富，含水層巖性主要由中砂、細(xì)砂、粉細(xì)砂等細(xì)顆粒物質(zhì)組成，加上地下水鐵離子含量高，易造成降水孔過(guò)濾器堵塞，嚴(yán)重影響降水孔疏干降水效果。朝陽(yáng)露天煤礦地下水控制方法主要有垂直降水孔、坑底集水坑等。通過(guò)改進(jìn)垂直降水孔結(jié)構(gòu)，在降水孔濾料層設(shè)置沖洗管，增加洗井效果，提高降水孔出水量。在松散含水層施工大孔深水平放水孔，易產(chǎn)生縮孔、塌孔，以往露天煤礦未有先例。為有效降低采場(chǎng)工作幫中部含水層地下水位，解決平盤(pán)積水問(wèn)題，朝陽(yáng)露天煤礦嘗試在中部含水層實(shí)施大孔深水平放水孔，取得了良好疏水效果。

1 朝陽(yáng)露天礦概況

朝陽(yáng)露天煤礦位于黑龍江省雙鴨山市寶清縣朝陽(yáng)鄉(xiāng)境內(nèi)，三江平原南緣，地形平坦，西南高、東北低，地形高差不明顯，地面標(biāo)高在67～119 m 之間，一般為77 m 左右，地面大部為農(nóng)田，在低洼處仍有沼澤地。礦區(qū)內(nèi)水系主要有大、小索倫河，為季節(jié)性河流。礦區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱而短暫，冬季寒冷而漫長(zhǎng)，春秋兩季多風(fēng)，夏季多雨，多年平均氣溫3.1 ℃，1 月份寒冷，平均氣溫－22.7 ℃，7月份炎熱，平均氣溫27.3 ℃，平均無(wú)霜期150 d，季節(jié)性凍土厚1.40～2.00 m，凍結(jié)期為11 月至翌年4月，最大積雪深度0.48 m。平均年降水量494.5 mm，降水多集中在6—9 月，占全年降水量的70%以上，年蒸發(fā)量1 293 mm，平均濕度66.7%。

朝陽(yáng)露天礦于2009 年7 月開(kāi)工建設(shè)，疏干方式采用地面垂直降水孔降水及坑底排水方式疏降地下水位，于2009 年、2017 年、2018 年、2020 年分別投入的86 個(gè)、21 個(gè)、20 個(gè)、68 個(gè)地面降水孔降水。

2 水文地質(zhì)條件

朝陽(yáng)露天礦區(qū)位于區(qū)域中部偏南，為大、小索倫河沖積平原，地勢(shì)平緩微向北傾斜，屬山前臺(tái)地向撓力河低平原過(guò)渡帶，沉積了巨厚的第三紀(jì)和第四紀(jì)地層。根據(jù)地下水賦存條件和巖性組合特征，將本區(qū)自上而下劃分為：頂部隔水層-上部含水層-中部隔水層-中部（煤層頂板以上）含水層-下部（煤層底板以下）隔水層-下部含水層。

2.1 含水層

1）上部含水層-第四系含水層組。全區(qū)普遍發(fā)育，巖性以中砂和細(xì)砂為主，夾有粗砂和粉砂，厚度在2.1～28.2 m 之間，平均厚度11.75 m，并夾有黏土以透鏡體形式出現(xiàn)，底板標(biāo)高平均51 m。滲透系數(shù)為10.447 m/d，水位埋深2.29 m，水位標(biāo)高74.886 m，地下水埋藏類型為孔隙水，水力性質(zhì)為承壓水，地下水流向由南向北，水力坡度1.4‰。

2）中部（煤層頂）含水層組。全區(qū)發(fā)育，巖性主要為第三系微膠結(jié)各粒級(jí)砂巖及第四系底部中粗砂，含泥質(zhì)，少數(shù)粉、細(xì)砂巖含泥質(zhì)，呈膠結(jié)狀，第四系底部砂層與第三系頂部微膠結(jié)砂巖之間無(wú)隔水層存在，因此，將其劃分為同一含水層。該含水層厚度變化較大，平均厚度21.9 m。平均底板埋藏深度54.01 m，平均底板標(biāo)高為16.44 m。滲透系數(shù)為1.344 m/d，水力性質(zhì)承壓水，地下水流向由南向北，該含水層與煤層頂板直接接觸，為礦床直接充水含水層，底板埋藏深度，南部淺，北部深。

3）下部（煤層底）含水層組。發(fā)育在煤層底板以下，巖性為微膠結(jié)的灰色、灰綠色中、細(xì)砂巖和粉砂巖。厚度6.57 m，連續(xù)性較差，局部缺失，南部相對(duì)較厚，北部較薄。滲透系數(shù)為6.629 m/d，水位埋深2.03 m，水位標(biāo)高73.049 m，地下水埋藏類型孔隙水，水力性質(zhì)為承壓水。

2.2 充水因素

本區(qū)地下水埋藏類型為孔隙充水礦床，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，含水層分布較廣，持水性較強(qiáng)，含水層與隔水層交錯(cuò)沉積，含水層與隔水層在水平和垂直方向上不穩(wěn)定發(fā)育，沒(méi)有形成穩(wěn)定的連續(xù)的含水層和隔水層，不易疏干。自然條件下，礦區(qū)處在水文地質(zhì)單元徑流區(qū)內(nèi)，地下水以徑流為主，地下水主要徑流方向從西南－東北，即礦區(qū)接收南部上游的側(cè)向補(bǔ)給，并向北部下游側(cè)向排泄。通過(guò)對(duì)3 個(gè)含水層抽水試驗(yàn)及資料分析，含水層對(duì)礦坑充水程度與含水層的巖性、厚度、分布范圍、滲透性等有關(guān)，露天開(kāi)采時(shí)，上、中、下3 個(gè)含水層的水均直接涌進(jìn)礦坑，成為直接充水含水層。綜上所述，上、中、下部含水層組地下水是本礦主要充水水源，在露天開(kāi)采過(guò)程中，地下水通過(guò)孔隙、斷層帶等充水通道進(jìn)入采掘場(chǎng)。

3 地下水控制

3.1 地下水控制存在的問(wèn)題

區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育第四系、第三系松散、軟巖類地層，含水層、隔水層交互賦存，含水層水量豐富且滲透性差，不易疏干。露天煤礦主要采用地表降水孔預(yù)先降低地下水位，降水孔的過(guò)濾器采用包網(wǎng)過(guò)濾，含水層巖性主要為粉砂和微膠結(jié)粉砂巖，細(xì)顆粒和泥質(zhì)成分含量較高，鐵含量較高，易被氧化成微小團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)，垂直降水孔運(yùn)行過(guò)程中，含水層細(xì)顆粒隨地下水流向垂直降水孔，導(dǎo)致細(xì)顆粒堵塞過(guò)濾器，造成垂直降水孔出水量減少，降低疏干效果，每年需要洗井2～3 次，且洗井效果較差，增加維護(hù)成本、降低水泵效率，為此，需要對(duì)地面降水孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在相同的工程地質(zhì)條件下，采用不同的疏干井結(jié)構(gòu)進(jìn)行疏干排水，會(huì)有完全不同的疏干效果[1]。

采掘場(chǎng)工作幫推進(jìn)較快，導(dǎo)致工作幫地面降水孔、疏干管道服務(wù)時(shí)間較短，影響工作幫剝離、運(yùn)輸，降低露天礦采剝效率，需要豐富露天礦的地下水控制方法。

3.2 國(guó)內(nèi)外地下水控制措施

垂直降水孔過(guò)濾器和近井含水層堵塞原因主要包括化學(xué)堵塞、物理堵塞等?；瘜W(xué)堵塞可采用井口封閉、盡量避免與空氣接觸的方法處理[2]；而物理堵塞是由于抽水過(guò)程中影響范圍內(nèi)細(xì)粒的含水層介質(zhì)發(fā)生擾動(dòng)和遷移，通過(guò)沉淀吸附等物理作用富集于近井周圍含水層及濾料的空隙中，減小了滲透通道的孔徑從而誘發(fā)堵塞[3]。物理堵塞可基于含水層介質(zhì)顆粒分析，通過(guò)合理的濾料粒徑、厚度設(shè)計(jì)及出水量?jī)?yōu)化來(lái)緩解，并可采用定期反沖洗的方式進(jìn)行處理[4]。

水平放水孔用于礦坑排水，不僅技術(shù)上可行，更具有布井位置靈活的優(yōu)勢(shì)[5]，適用于低滲透的含水層。在保證生產(chǎn)安全的基礎(chǔ)上盡可能地降低生產(chǎn)成本、提高疏干效率。水平放水孔設(shè)計(jì)中主要考慮的因素包括含水層厚度、滲透性大小及非均質(zhì)性和各向異性、地下水補(bǔ)給條件、水頭高度等[6-7]。

4 地下水控制方法及優(yōu)化

4.1 垂直降水孔

為解決細(xì)顆粒堵塞過(guò)濾器，造成垂直降水孔出水量減少的問(wèn)題，垂直降水孔試驗(yàn)時(shí)在降水孔濾料層中間的環(huán)形區(qū)域均勻設(shè)置3 根沖洗管，沖洗管為φ75 mm 鋼制縫隙式濾水管，縫隙寬度1.5 mm，因其距離井壁和主井過(guò)濾器較近，在沖洗管洗井過(guò)程中，能有效擾動(dòng)濾料細(xì)顆粒沉積物和主井過(guò)濾器外側(cè)附著物，結(jié)合主井井管洗井，易將細(xì)顆粒吸入主井管內(nèi)，改善垂直降水孔濾料和過(guò)濾器的透水性，改善進(jìn)水條件，提高降水效果，進(jìn)而提高排水設(shè)備效率，節(jié)省能耗。

沖洗管由沖洗井壁管和沖洗過(guò)濾管組成，沖洗管設(shè)置于濾料層中，沖洗管與主井井管通過(guò)支撐板相連，支撐板為鋼板，鋼板規(guī)格為長(zhǎng)150 mm、寬50 mm、厚6 mm，鋼板豎向設(shè)置，長(zhǎng)厚截面分別與井管、沖洗管對(duì)接焊接，井管與沖洗管凈距50 mm，沖洗管隨井管一同下管。在洗井過(guò)程中，配合主井洗井，沖洗管采用空壓機(jī)洗井。沖洗管同時(shí)起到測(cè)壓管作用，用于觀測(cè)地下水位，做到一管多用。

2 個(gè)垂直降水孔采用橋式過(guò)濾器，其中SY－C1孔為縫寬0.75 mm 橋式過(guò)濾器，SY－C2 孔采用縫寬4 mm，包2 層JF33 篩網(wǎng)鋼制橋式包網(wǎng)過(guò)濾器。

據(jù)水文地質(zhì)測(cè)井及野外地質(zhì)編錄確定含水層厚度及位置，按照單孔穩(wěn)定流完成抽水試驗(yàn)，利用抽水孔水位下降資料計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)，通過(guò)迭代法[8]計(jì)算垂直降水孔滲透系數(shù)和影響半徑。垂直降水孔水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果一覽表見(jiàn)表1。

表1 垂直降水孔水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果一覽表

通過(guò)垂直降水孔試驗(yàn)，確認(rèn)了橋式包網(wǎng)過(guò)濾器（縫寬4 mm）和橋式過(guò)濾器（縫寬0.75 mm）2 種規(guī)格過(guò)濾器均能滿足要求。

4.2 大孔深水平放水孔

朝陽(yáng)露天礦于采掘場(chǎng)工作幫臺(tái)階松散粉細(xì)砂層布置水平放水孔，為國(guó)內(nèi)露天煤礦首次在松散層實(shí)施大孔深（＞100 m）水平放水孔。水平放水孔對(duì)于中部含水層這種滲透系數(shù)小、持水性強(qiáng)的極難疏干含水層有較好的疏放水效果，但在松散含水層地層條件下易坍塌，故在采掘場(chǎng)工作幫臺(tái)階實(shí)施水平放水孔試驗(yàn)，探討在此條件下，水平放水孔的施工難度、疏放水效果，選取合適的水平放水孔井管材質(zhì)，從而為以后實(shí)施大孔深（＞100 m）水平放水孔工程提供指導(dǎo)。

試驗(yàn)孔布孔位置選擇主要考慮因素：潛在的邊坡失穩(wěn)部位、試驗(yàn)時(shí)期易于排水。在采掘場(chǎng)中部煤層揭露段自西向東分別施工SY－S1 和SY－S2 2 個(gè)水平放水孔，設(shè)計(jì)水平放水孔孔深100 m，仰角5°，井管采用φ75 mm 軟式透水管2 種（SY－S1）和φ75 mm PVC 縫隙式濾水管（SY－S2）。軟式透水管是以PVC 過(guò)塑鋼絲構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)，外部包裹土工布制成具有透水能力，PVC 縫隙式濾水管為縫寬1.5 mm，縫間距2 cm，縫長(zhǎng)10 cm，孔隙率＞5%。

通過(guò)對(duì)水平放水孔水量測(cè)量并進(jìn)行記錄，2018年11 月施工的2 個(gè)水平放水試驗(yàn)孔，水平放水孔實(shí)施后流量變化見(jiàn)表2，6 個(gè)月后單井流量仍可達(dá)1.7 m3/h。

表2 水平放水孔流量數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)結(jié)果表明：水平放水孔疏水效果理想，在本礦區(qū)松散層實(shí)施大孔深水平放水孔是可行的。通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制比對(duì)2 個(gè)水平放水孔的流量變化，水平放水孔用于疏放中部含水層其水文地質(zhì)條件一致的前提下，SY－S2 采用的PVC 縫隙式過(guò)濾器明顯優(yōu)于軟式透水管，PVC 縫隙式過(guò)濾器出水量明顯好于軟式透水管，而且由于PVC 縫隙式過(guò)濾器為剛性，在井管安裝時(shí)具有安裝簡(jiǎn)便、節(jié)約時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。

4.3 優(yōu)化措施效果

垂直降水試驗(yàn)孔SY－C2 孔位于工作幫，此孔完成抽水試驗(yàn)工作后被剝離廢棄，孔SY－C1 至今已運(yùn)行3 年，單孔涌水量可達(dá)20 m3/h，垂直降水孔出水效果較好。

水平放水孔根據(jù)采掘場(chǎng)工作220 m/a 的推進(jìn)速度，綜合考慮推進(jìn)速度及軟巖施工難度等因素，確定每年初期、中期各施工1 組，每組30 個(gè)，全部采用PVC 縫隙式過(guò)濾器。施工時(shí)孔口位置根據(jù)工作幫臺(tái)階寫(xiě)實(shí)剖面進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)揭露中含水層底板西高東低的特點(diǎn)，結(jié)合露天礦開(kāi)采計(jì)劃布置第1 批水平放水孔，此區(qū)間中含水層底板標(biāo)高＋7～+10 m，在中含水層底板下3 m 處布置水平放水孔。2021 年4 月施工的2 個(gè)水平放水孔單井涌水量分別為6、55 m3/h，水平放水孔出水量非常理想。

在地面降水孔、臺(tái)階水平放水孔作用下，工作幫工作面中含水層地下水位得到有效下降，保證了露天礦采剝工作正常進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)垂直降水孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善了疏干井運(yùn)行維護(hù)不理想的問(wèn)題，能夠起到有效清洗濾料及提高洗井效果，提高濾料和含水層的透水性，改善疏干降水井的進(jìn)水能力。

2）通過(guò)在采掘工作幫臺(tái)階松散層施工大孔深（＞100 m）水平放水孔，能有效疏干工作幫中部含水層；本區(qū)水文地質(zhì)條件，PVC 縫隙式過(guò)濾器的使用效果明顯優(yōu)于軟式透水管。

3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的“三沖管”垂直疏干降水井與大孔深水平放水孔措施的應(yīng)用，能有效疏干本礦區(qū)地下水，保證生產(chǎn)安全和采剝進(jìn)度。