輻射井疏干技術(shù)在露天礦地下水疏干中的應(yīng)用研究

，，，，

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210046； 2.馬鋼集團(tuán)南山礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽馬鞍山243033)

輻射井疏干技術(shù)在露天礦地下水疏干中的應(yīng)用研究

唐釗1，朱國榮1，王維勤2，洪振川2，王叢林2

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210046； 2.馬鋼集團(tuán)南山礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽馬鞍山243033)

現(xiàn)有的井群疏干、地下巷道集中排水、地表地下聯(lián)合疏干方法都已比較成熟有效，但當(dāng)?shù)V區(qū)的地下水系統(tǒng)由非均質(zhì)各向異性、低滲透性含水介質(zhì)組成時(shí)，井群疏干受到低滲透性含水層和高傾角裂隙的制約，無法達(dá)到良好的疏干效果。地下巷道集中排水方法一次性工程投入很大，含水層富水性極度不均時(shí)易造成許多不必要的浪費(fèi)；地表地下聯(lián)合疏干方法的地面部分對(duì)礦坑邊坡安全和采場(chǎng)作業(yè)都會(huì)造成一定的影響。結(jié)合馬鋼集團(tuán)南山礦業(yè)公司高村露天鐵礦的地下水疏干技術(shù)研究專項(xiàng)，調(diào)查分析了礦區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，含水介質(zhì)特點(diǎn)及含水層富水特征，借助GMS軟件建立了高村礦區(qū)地下水水流模型，提出了輻射井疏干技術(shù)的設(shè)想，并依據(jù)前人提出的“滲流-管流耦合模型”模擬輻射井，完成了此類礦山的地下水輻射井疏干方法的初步研究。

輻射井；滲流-管流耦合模型；GMS軟件；地下水疏干；高村鐵礦；安徽馬鞍山

0 引 言

輻射井是由一大口徑的豎井和以豎井為中心向四周輻射的水平集水管組成。其工作原理是地下水沿水平集水管匯集至豎井中再集中抽出(張治暉等，2002)，同水平集水巷道一樣具有很強(qiáng)的集水優(yōu)勢(shì)。

早在20世紀(jì)30年代，水平輻射井技術(shù)就開始應(yīng)用于油氣藏的開采，其成井技術(shù)及工藝方面的研究也漸趨成熟,美國頁巖氣快速發(fā)展的關(guān)鍵與輻射井鉆井技術(shù)的突破是密不可分的(黃玉珍等，2009)。水平輻射井在水文地質(zhì)工作中的應(yīng)用有：在國外環(huán)境污染治理中較多應(yīng)用，尤其是淺層地下水污染物的治理(何慶成等，1999)；張治暉等(2002)關(guān)于輻射井在開發(fā)黃河灘地淺層地下水的研究中，關(guān)于輻射井的成井技術(shù)、井深選擇及水平集水管的布置等作了詳細(xì)闡述；李書濤等(2004)通過對(duì)比管井與輻射井在尾礦壩排滲中的模擬應(yīng)用，得出了輻射井比管井更有利于降低壩體浸潤曲線的結(jié)論。

關(guān)于輻射井理論上的研究，直到近年來輻射井成井技術(shù)的成熟及其在工程中的成功應(yīng)用后才日見熱門。Tarshish(1992)提出水平輻射井給、排水情形下的地下水?dāng)?shù)學(xué)模型；Falta(1995)給出了相關(guān)的解析解；Zhang等(2001)給出了關(guān)于承壓、非承壓含水層中三維非穩(wěn)定流的解析解;陳崇希等(2007)開發(fā)了一款地下水模擬專業(yè)軟件PGMS，這款軟件以“滲流-管流耦合模型”的三維達(dá)西-非達(dá)西流來刻畫井孔-含水層系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)滲流模型井孔邊界處理的難題，使輻射井的模擬研究具有很好的應(yīng)用前景。

對(duì)高村礦這樣的大型基巖深度開采的露天礦山應(yīng)用輻射井疏干的相關(guān)文獻(xiàn)目前還沒有，但考慮到輻射井疏干子系統(tǒng)可根據(jù)含水層的富水特征靈活布置的特性，將輻射井應(yīng)用于類似條件礦山是有可能實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合高村鐵礦的具體情況，探討在基巖裂隙含水層中大降深條件下水平輻射井方案的可行性。

1 概 況

高村鐵礦隸屬馬鋼集團(tuán)控股有限公司南山礦業(yè)公司，位于馬鞍山市雨山區(qū)向山鎮(zhèn)北東約2.0 km處(圖1)。高村鐵礦是一大型露天磁鐵礦床，全礦床總計(jì)資源儲(chǔ)量2.2億t。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，礦區(qū)地下水引起的生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效益、地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境污染等問題日益突出,這在國內(nèi)其他礦山開發(fā)中同樣是一大技術(shù)難題(黃敬軍，2002)。本次研究以保證高村露天采場(chǎng)的安全生產(chǎn)為前提，探討適合礦坑地下水疏干的方法和工藝，以期達(dá)到提高生產(chǎn)效益的目標(biāo)。

1.1 水文地質(zhì)特征及數(shù)學(xué)模型

礦區(qū)處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)的慈湖河由于河床底部廣泛分布蕪湖組(Qhw)淤泥質(zhì)黏土層，河流與地下水不存在明顯的水力聯(lián)系，故本次研究未把地表河流的影響考慮在內(nèi)。研究區(qū)主要分布白堊系下統(tǒng)大王山組(K1d)火山巖系，以安山巖、凝灰角礫巖、安山質(zhì)火山碎屑巖為主構(gòu)成基巖裂隙含水層(圖2)。在一定的深度(155～300 m)，基巖裂隙被石膏脈充填形成底部隔水底板，上部上更新統(tǒng)下蜀組粉質(zhì)黏土構(gòu)成局部隔水層。在人類活動(dòng)影響下，局部隔水層的破壞及礦山地下水疏干使原來的承壓區(qū)向無壓過渡，總體表現(xiàn)為無壓與承壓交替分布的特點(diǎn)。

圖1 高村鐵礦交通位置示意圖

圖2 高村地區(qū)地形圖及水文地質(zhì)圖

區(qū)內(nèi)西北平原區(qū)無天然邊界，因此研究區(qū)流場(chǎng)處理為一類給定水頭邊界，西部南段有石膏脈填充，處理為隔水邊界，其余各邊界由山脈分水嶺組成天然零通量邊界。因此，研究區(qū)可概化為非均質(zhì)各向異性無壓-承壓混合地下水非穩(wěn)定流模型。其數(shù)學(xué)表達(dá)如下式。

(1)

式(1)中，Ω為求解空間;t為時(shí)間;h為水頭;ho為已知水頭分布函數(shù);hi為第一類邊界的已知水頭分布;qi為第二類邊界的已知通量;Γ1、Γ2為空間域Ω的邊界;Ki為滲透系數(shù);Ss為單位儲(chǔ)水量;w為單位面積含水層垂直方向水量交換量。

1.2 高村礦防、排水現(xiàn)狀

高村礦自2010年開始開采以來，一直以簡單的地面臨時(shí)水倉的方式將涌出礦坑的地下水集中排入附近的地表水體。隨著開采深度的增加，邊坡中地下水的水力坡度不斷增大，加上降水時(shí)間上的不均勻性將引起較大變幅的動(dòng)水壓力，開采施工采用的爆破方式易引起一定范圍內(nèi)的震動(dòng)，諸多因素長期作用下對(duì)邊坡的穩(wěn)定性構(gòu)成極大威脅，特別是第四系厚度較大的地段。現(xiàn)有的研究成果(孔祥龍等，2008)在關(guān)于內(nèi)蒙古錫林浩特“勝利一號(hào)”露天礦邊坡問題的討論中提出：對(duì)于低滲透性的含水層，疏干井疏干能力受到制約變得很弱，無法有效將降落漏斗展開。臨時(shí)水倉不是長遠(yuǎn)之計(jì)，傳統(tǒng)的疏干井疏干效果堪憂。

2 可行性研究

2.1 疏干效果的控制因素

圖3 高村礦區(qū)節(jié)理玫瑰圖

疏干效果的控制因素有內(nèi)因與外因兩方面。內(nèi)因主要是含水層巖性及區(qū)域構(gòu)造條件的影響。為此進(jìn)行了節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示礦區(qū)范圍內(nèi)沒有較大的斷裂構(gòu)造，節(jié)理走向主要有NE45°～55°和NW285°～295° 2組，以NW310°～320°走向的節(jié)理具有顯著導(dǎo)水性(圖3)，為地下水的儲(chǔ)存與運(yùn)移提供了良好的條件，也是研究區(qū)地下水的主要流向。圖4示意了1.0 m2統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)相同的裂隙密度條件下，相同長度豎井鉆孔和輻射井水平井管穿透的裂隙數(shù)。不難發(fā)現(xiàn)，水平輻射井能連通更多的導(dǎo)水裂隙，故其集水能力遠(yuǎn)大于垂直鉆孔，而且在與地下水的接觸面積上更有利，水力坡度越大，這種優(yōu)勢(shì)越突出。

圖4 單位面積垂向(a)與水平(b)集水構(gòu)件軸線穿越節(jié)理示意圖

由降水量的季節(jié)性變化引起的動(dòng)水補(bǔ)給不均勻是影響高村礦地下水疏干效果的主要外部因素。高村礦在長期開采下，大氣降水在部分基巖裸露區(qū)域直接對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給，礦區(qū)排水量呈季節(jié)性變化。

由于研究區(qū)的滲透系數(shù)較小，最大單井出水量大多在100～200 m3/d之間，按歷年最大月排水量58萬m3計(jì)算，需安排疏干井近100口，這還未考慮裂隙含水層空間發(fā)育的各向異性。而水平輻射井對(duì)裂隙的空間分布的不均勻性不敏感，且在集水效益方面較豎井具有更大優(yōu)勢(shì)，降水的季節(jié)性變化也不會(huì)對(duì)它產(chǎn)生大的干擾。

2.2 輻射井疏干工程布置

高村采場(chǎng)第一期規(guī)劃在現(xiàn)有-54 m開采平臺(tái)基礎(chǔ)上向下延深至-186 m，規(guī)劃采掘平臺(tái)10個(gè)，至2028年竣工。由于是基巖裂隙含水層，豎井的深度可以打淺一些，按不超過50 m考慮。因此將疏干工程分2個(gè)階段完成：第一階段豎井井口位置-66 m，井底高程-132 m；第二階段豎井井口位置-126 m，井底高程-194 m(圖5)。

圖5 高村采場(chǎng)輻射井分期工程布置示意圖

就疏干效果來看，水平輻射井的集水原理同水平巷道一樣，盡管水平集水效果略遜于后者，但工程投入會(huì)少一些，采用分階段疏干方案分期投資的方式更減輕了企業(yè)的資金壓力。從安全角度來說，輻射井的水平管部分不存在因含水層巖性松散或突水等因素引起巷道坍塌等人身安全問題，因此比巷道更具安全保證。資料表明：高村采場(chǎng)的西南幫是礦坑最富水的地段，該處已經(jīng)因地下水水害影響了生產(chǎn)。輻射井疏干子系統(tǒng)可以在類似地段重點(diǎn)布置，而在富水性較差的地段少布置甚至不布置，這充分體現(xiàn)了輻射井較強(qiáng)的靈活性。

3 數(shù)值模擬與計(jì)算

3.1 滲流-管流耦合模型

近年來，由于輻射井鉆井技術(shù)的提高，輻射井的應(yīng)用領(lǐng)域也從石油工業(yè)拓展到水文地質(zhì)領(lǐng)域，但相關(guān)理論研究鮮有報(bào)道，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的地下水滲流模型將井壁作為均勻水頭邊界或等勢(shì)匯邊界的做法不符合實(shí)際，也無法處理井管中地下水從滲流過渡為管流的流態(tài)變化。為解決這個(gè)難題，陳崇希等(2004，2008)先后提出滲流-管流耦合模型的構(gòu)想，該構(gòu)想把管流部分等價(jià)為滲透系數(shù)很大的透鏡體，并在管流引入形式上符合達(dá)西定律的“等效滲透系數(shù)”，從而將水平井管的邊界問題轉(zhuǎn)移為豎井出水口的內(nèi)邊界問題，其關(guān)鍵在于“等效滲透系數(shù)”的確定。

從水力學(xué)角度分析，可將紊流的5個(gè)流態(tài)分區(qū)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一為達(dá)西定律：

V=KeJ

其中：

Ke=

(2)

式(2)中,J為水力坡度;γ為流體容重;μ為流體動(dòng)力黏度；u為管內(nèi)平均流速,m/d;f為摩擦系數(shù);g為重力加速度,m/d2。

陳崇希的“滲流-管流耦合模型”和“等效滲透系數(shù)”在理論上較Hantush及Neuman的將觀測(cè)孔中的水頭降深視為濾水管中各點(diǎn)的平均降深來得更具真實(shí)性，并在2003年與詹紅兵合作完成了“滲流-管流耦合模型”的砂槽實(shí)驗(yàn)及一些實(shí)例應(yīng)用，前后花了近10年時(shí)間證實(shí)了該理論的可靠性。

3.2 模擬與計(jì)算

本次研究借助GMS軟件中的MODFLOW模塊，以馬鞍山地區(qū)50%降雨保證率(1 007.40 mm/a)作為預(yù)測(cè)時(shí)段降雨補(bǔ)給速率，建立高村礦地下水疏干預(yù)測(cè)模型。模型區(qū)域面積29.985 6 km2，剖分網(wǎng)格100×100，有效網(wǎng)格5 628，滲透系數(shù)范圍0.000 05～0.1 m/d, 給水度范圍0.005～0.24(圖6)。

圖6 高村采場(chǎng)地下水位流場(chǎng)圖

井群與水平輻射井對(duì)比疏干排水，要求采場(chǎng)的地下水水位預(yù)測(cè)從2014年-54 m降到2028年-186 m為一期規(guī)劃，每2年為1個(gè)應(yīng)力期;二期規(guī)劃要求到2033年將水頭降至-270 m，計(jì)1個(gè)應(yīng)力期。圖6計(jì)算結(jié)果顯示：在確保達(dá)到規(guī)劃水位的前提下，2種方案預(yù)測(cè)平均日排水量均在1.6萬m3左右，即9個(gè)水平輻射井的疏干能力等價(jià)30個(gè)豎井的疏干能力，輻射井的單井疏干能力是豎井的3.33倍。Seines等(1994)在研究薄層儲(chǔ)油層中輻射井的應(yīng)用時(shí)有數(shù)據(jù)顯示：單個(gè)輻射井的有效出油量是相同水平豎井的4倍，與此次得出的結(jié)論較相近。

4 結(jié) 論

根據(jù)高村礦基巖裂隙含水層建立了高村地區(qū)的地下水?dāng)?shù)學(xué)模型。以礦區(qū)安全生產(chǎn)為保證前提，考慮到現(xiàn)有的臨時(shí)水倉疏干模式在長遠(yuǎn)來看具有很高的風(fēng)險(xiǎn)，新的高效益的疏干模式呼之欲出。高村礦二期規(guī)劃水位降深至-270 m，這類基巖裂隙疏干及高邊坡問題一直是礦區(qū)疏干的熱難點(diǎn)問題。高村礦地下水疏干主要受大氣降水及區(qū)域構(gòu)造兩方面影響，從這兩方面著手，詳細(xì)分析了輻射井在高村礦應(yīng)用的可行性，并列舉了輻射井在高村礦疏干中的優(yōu)勢(shì)，提出了輻射井分期疏干的方案，勾畫了工程布置圖。

以陳崇希提出的“滲流-管流耦合模型”理論為依據(jù)，借助GMS軟件模擬了輻射井疏干方案在高村礦中的應(yīng)用。該理論突破了傳統(tǒng)上將井管壁描述為等水頭邊界或等勢(shì)匯邊界的假設(shè)，將輻射井水平井管部分模擬為具有較大滲透系數(shù)的含水介質(zhì)，從而使輻射井在具體實(shí)例中的數(shù)值模擬成為可能。本研究模擬結(jié)果同時(shí)表明：單個(gè)輻射井在疏干效益方面約3.33倍于單個(gè)豎井。

陳崇希,萬軍偉,詹紅兵,等.2004.“滲流-管流耦合模型”的物理模擬及其數(shù)值模擬[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),31(1):1-8.

陳崇希,胡立堂,王旭升.2007.地下水流模擬系統(tǒng)PGMS(1.0版)簡介[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),34(6):Ⅰ-Ⅱ.

陳崇希,胡立堂.2008.滲流-管流耦合模型及其應(yīng)用綜述[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),35(3):70-75.

何慶成,張進(jìn)德.1999.水平井技術(shù)在地下水和土體污染治理中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),26(3):49-51.

黃敬軍.2002.江蘇礦山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題及防治對(duì)策[J].地質(zhì)學(xué)刊(原《江蘇地質(zhì)》),26(4):216-219.

黃玉珍,黃金亮,葛春梅,等.2009.技術(shù)進(jìn)步是推動(dòng)美國頁巖氣快速發(fā)展的關(guān)鍵[J].天然氣工業(yè),29(5):7-10.

孔祥龍,朱國榮,鄭全明,等.2008.基于水力截獲原理的露天煤礦邊坡地下水疏干技術(shù)[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,44(6):660-665.

李書濤,余宏明.2004.尾礦壩排滲方法對(duì)比分析與研究[J].礦業(yè)工程,2(4):33-35.

張治暉,李來祥,尹紅蓮.2002.利用輻射井技術(shù)開發(fā)黃河灘地淺層地下水的研究[J].中國農(nóng)村水利水電,(3):12-13.

FALTA R W. 1995. Analytical solutions for gas-flow due to gas injection and extraction from horizontal wells[J].Ground Water, 33(2):235-246.

SEINES K S C, LIEN HAUG B T. 1994. Troll horizontal well tests demonstrate large production potential from thin oil zones[J].SPE Reservoir Engineering, 9(2):133-139.

TARSHISH M.1992. Combined mathematical model of flow in an aquifer-horizontalwell system [J]. Ground Water, 30(6):931-935.

ZHANG HONGBIN, WANG L V, PARK E.2001.On the horizontal-well pumping tests in anisotropic confined aquifers[J].Journal of Hydrology,252(1): 37-50.

ZHANG HONGBIN.2002.Groundwater flow to a horizontal or slanted well in an unconfined aquifer[J].Water Resources Research, 38(7):1-11.

On application of radiate dewatering well in groundwater draining system in surface mine

TANGZhao1，ZHUGuo-rong1，WANGWei-qin2，HONGZhen-chuan2，WANGCong-lin2

(1.School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210046,China;2.Nanshan Mining Co Ltd, Ma’anshan Iron and Steel Group, Ma’anshan 243033, Anhui, China)

The present drainage methods such as multi-well dewatering, mine roadway dewatering and joint drainage of surface water and groundwater were mature and effective, but the multi-well dewatering method was subject to the low-permeability aquifer and fracture which was of high inclination-angle when the groundwater aquifer system was heterogeneous, anisotropy and of low-permeability. Then the drainage effect would not be as good as expected. Furthermore, mine roadway dewatering method needed plenty of engineering input when the containable of aquifer water was very unevenly distributed. Unnecessarily redundant would be brought about otherwise. The authors investigated and analyzed the geological and hydrogeological conditions of mine lot in combination with groundwater drainage technology research projects of Gaocun open-pit iron mine of Nanshan Mining Company in Ma’anshan Iron and Steel Group. On the basis of ‘well-aquifer seepage-pipe coupling model’ theory and with the help of GMS software, groundwater flow model of Gaocun iron ore was set up. It realized the pilot study of radiate dewatering well drainage method which was applied to such mine discussed in the text.

Radiate well; Well-aquifer seepage-pipe coupling model; GMS software; Mine groundwater drainage; Gaocun iron mine; Ma’anshan, Anhui

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.638

2014-03-10；

：2014-04-18；編輯：陸李萍

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41372235)、馬鋼集團(tuán)項(xiàng)目(ky-2012-4)資助

唐釗(1988— )，女，碩士研究生, 水文學(xué)及水資源專業(yè)，E-mail：952584784@qq.com

P641.4

：A

：1674-3636(2014)04-0638-06