露天煤礦第四系、煤系含水層混合疏干方式的研究

趙亞軍，柏 樂

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

采礦工程

露天煤礦第四系、煤系含水層混合疏干方式的研究

趙亞軍1，柏 樂2

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

通過對單個疏干孔第四系、煤系含水層混合疏干排水方式的研究，總結(jié)了此疏干方式優(yōu)、缺點(diǎn)。采用混合疏干孔進(jìn)行疏排作業(yè)投資少、疏排效果好，適合在我國內(nèi)蒙古東部、東北部地區(qū)的露天煤礦推廣實(shí)施。

露天煤礦；單個疏干孔；第四系潛水；煤系裂隙承壓水；混合疏干方式

Abstract:Through researching the drainage pattern of the single drainage fourth system,mixed drainage of coal aquifer,the article summarizes the advantages and disadvantages of this method.Drainage operation with mixed drain holes has less investment and good hydrophobic effect,which is suitable for implementation in the eastern and northeast areas open-pit coal mines of Inner Mongolia.

Key words:open-pit coal mine;single drainage hole;fourth system diving;confined water in coal seam fissure;mixed drainage way

0 引言

我國內(nèi)蒙古東部、東北部地區(qū)（錫林郭勒盟、呼倫貝爾盟等）大型露天煤礦較多，與內(nèi)蒙古西部相比較，東部地區(qū)雨水豐盈，第四系潛水含水層和煤層裂隙承壓含水層涌水量均較大，在露天煤礦建設(shè)前及生產(chǎn)過程中均要對地下水進(jìn)行疏排處理。

目前普遍采用第四系、煤系垂直降水孔群井聯(lián)合疏干的方式進(jìn)行地下水處理，但對第四系潛水含水層和煤系承壓含水層均分別設(shè)置疏干孔進(jìn)行排水。煤系、第四系單獨(dú)疏干系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 煤系、第四系單獨(dú)疏干系統(tǒng)

本次在錫林浩特某露天煤礦施工垂直降水孔排疏干時(shí)，采取在煤系疏干降水孔上，對第四系含水層位置也安裝了過濾器，進(jìn)行了單孔疏干井第四系、煤系含水層的混合疏干方式。通過一段時(shí)間的疏排，對混合疏干降水孔疏排情況進(jìn)行了分析，總結(jié)了混合疏排的特點(diǎn)。第四系、煤系混合疏干降水孔示意圖如圖2所示。

圖2 第四系、煤系混合疏干降水孔示意圖

1 露天煤礦地下水疏排介紹

1.1 水文地質(zhì)情況介紹

該露天煤礦位處于錫林郭勒草原深處，煤礦內(nèi)主要的含水層有新生界松散巖類孔隙含水層（第四系潛水含水層）和侏羅系中、下統(tǒng)阿拉坦合力群河湖相碎屑巖孔隙、裂隙含水巖組（煤系裂隙含水層）。

1）新生界松散巖類孔隙含水層（第四系潛水含水層）。呈全礦區(qū)分布，其巖性多以砂礫、粉砂、粉細(xì)砂、細(xì)砂為主，平均厚度32.02 m。但富水性不均勻，差異較大，一般潛水位埋深3～6 m，透水性能好，水量較豐富，單位涌水量為0.25～1.49 L/（s·m），滲透系數(shù)達(dá)到3.67 m/d，富水性中等～強(qiáng)，水循環(huán)條件良好。

2）侏羅系中、下統(tǒng)阿拉坦合力群河湖相碎屑巖孔隙、裂隙含水巖組。巖性以粉、細(xì)砂巖為主，粗砂巖、礫巖次之，平均厚度64.93 m。水位埋深為26～43 m，單位涌水量為0.01～0.11 L/（s·m），滲透系數(shù)1.21 m/d，富水性弱。露天煤礦水文條件技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 露天煤礦水文條件技術(shù)參數(shù)

1.2 露天煤礦地下水疏排情況

經(jīng)過計(jì)算，采掘場第四系含水層潛水涌水量為15 560 m3/d,采掘場煤系裂隙含水層承壓涌水量為13 350 m3/d。在采掘場周圍，共布設(shè)了29眼第四系疏干降水孔，布設(shè)了30個煤系疏干降水孔；其中在煤系疏干降水孔上的第四系位置也安裝了過濾器，形成混合疏干降水孔；第四系單孔的排水量為13.2 m3/h，煤系單孔的排水量35.5 m3/h。 露天煤礦疏干系統(tǒng)示意圖如圖3。

圖3 露天煤礦疏干系統(tǒng)示意圖

該露天煤礦的疏干系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 露天煤礦疏干系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2 單孔第四系、煤系混合疏干的特點(diǎn)

2.1 優(yōu)點(diǎn)

1）增加了疏干點(diǎn)，提高了疏排效率。在疏干降水孔的第四系潛水含水層和煤系裂隙含水層同時(shí)安裝過濾器，單孔排水量為第四系涌水量和煤系涌水量的總和（Q排=Q第四系+Q煤系），單孔排水量的增加，增加了疏干點(diǎn)，排水效率明顯提高，特別是第四系潛水含水層，正常情況下，單獨(dú)第四系疏干降水孔依靠潛水泵疏排來降低水位，受鉆孔深度的限制，水位降至第四系底板；而混合疏干降水孔，第四系涌水直接匯入下部的煤系含水層，混合疏干降水孔的第四系含水層水位和煤系含水層水位一致，降至煤系含水層底板，所以混合疏干降水孔的第四系含水層水位降低較快，疏排效果高。混合疏干降水孔水位降低漏斗示意圖如圖4。

圖4 混合疏干降水孔水位降低漏斗示意圖

2）減少投資。在煤系疏干孔上部安裝第四系過濾器混合疏干，即可在該位置減少1眼第四系疏干孔；露天煤礦施工1眼第四系疏干降水孔的主要材料、設(shè)備工程量見表3。

表3 第四系疏干降水孔（單孔）施工材料、設(shè)備工程量匯總

經(jīng)過投資分析，單個成井的第四系疏干降水孔從材料、設(shè)備、安裝、人工等幾個方面考慮，第四系疏干降水孔每米投資約2 200元/m，單孔的投資約11萬元。本礦共布設(shè)了30眼混合疏干孔，經(jīng)計(jì)算，共節(jié)約330萬元投資，所以對于大型露天煤礦群孔疏干系統(tǒng)可減少大量的投資，其次在施工作業(yè)及后期管理時(shí)也可節(jié)約管理成本。

2.2 缺點(diǎn)

1）作為試驗(yàn)井，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。露天煤礦為了提高生產(chǎn)效率，加快施工進(jìn)度，在布設(shè)疏干系統(tǒng)前不設(shè)置專門的勘查水文孔進(jìn)行試驗(yàn)，而是直接施工疏干降水孔，先加大孔間距進(jìn)行布置，然后將疏干降水孔做試驗(yàn)性疏干孔，做抽水實(shí)驗(yàn)，然后取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)考慮合適的加密布孔；若對單獨(dú)的第四系或煤系疏干降水孔進(jìn)行抽水實(shí)驗(yàn)，其數(shù)據(jù)可靠，能夠真實(shí)的反應(yīng)布孔位置的水文情況；但要是將混合疏干孔進(jìn)行抽水實(shí)驗(yàn)，得到的水文參數(shù)為第四系潛水和煤系承壓水的疊加數(shù)據(jù)，收集的信息不準(zhǔn)確，對于是否加密布孔，及加密布孔的范圍計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。

2）選擇水泵偏大，疏干后期停泵率高。露天煤礦經(jīng)過一段時(shí)間的疏干排水，第四系、煤系涌水量均呈遞減趨勢，由于第四系潛水含水層厚度、單孔涌水量、影響半徑等技術(shù)參數(shù)均比煤系裂隙含水層的相關(guān)參數(shù)小，錫林郭勒盟地區(qū)日照充足，蒸發(fā)量大，第四系潛水含水層的補(bǔ)給量較小，第四系涌水量在疏排后期遞減幅度較大，水量減少明顯；如果混合疏干降水孔通過抽水實(shí)驗(yàn)，選取潛水泵，潛水泵的排水能力偏大，前期排水量較飽和，后期隨著第四系潛水涌水量明顯減少，導(dǎo)致后期潛水泵的停泵次數(shù)增加，對設(shè)備的損耗大，操作管理上增加難度。不過目前煤礦采用數(shù)字化管理，集中控制系統(tǒng)控制疏干降水孔的啟停；為疏干系統(tǒng)的管理提供了便利。

3）施工安裝作業(yè)復(fù)雜。過濾管規(guī)格不統(tǒng)一、濾料參數(shù)不一致。由于第四系含水層滲透系數(shù)大，巖性多為細(xì)砂、粉細(xì)砂等，地層內(nèi)顆粒較細(xì)??；煤系裂隙含水層滲透系數(shù)偏小，多為煤層，顆粒大，所以對第四系和煤系的過濾管要求不同，第四系過濾管要求孔隙較小，煤系過濾管要求孔隙大，制作規(guī)范不統(tǒng)一，增加工序，特別是若使用纏絲過濾器，在纏絲過程中及安裝過程中容易混淆。而且，由于填孔的第四系濾料和煤層濾料規(guī)格不同，第四系濾料顆粒較小，填充在上部的第四系含水層位置，隨著疏排的持續(xù)，造成上部第四系含水層濾料逐漸的混入到下面的煤系含水層濾料中，首先會導(dǎo)致上部第四系含水層濾料減少，第四系地層裸露，其粉細(xì)砂容易混入水中，對潛水泵產(chǎn)生影響；其次由于第四系濾料向下混入，又可能造成煤系濾料堵塞，降低煤系含水層滲透性。

所以在制作、安裝過濾管時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)施工管理；對第四系和煤系的濾料選取盡可能統(tǒng)一規(guī)格或在煤系濾料填充完后，在上部做一段密封填充（即隔水層）然后再填充第四系濾料。

作業(yè)工序的增加、容易出現(xiàn)塌孔。混合疏干降水孔在鉆機(jī)?？缀蟀惭b井壁管和過濾管的過程中增加了第四系過濾管的安裝工序，由于該地區(qū)第四系的砂層較厚，疏干孔在安裝過程中較困難，增加了第四系過濾管的安裝工序后，造成了安裝時(shí)間的延長，在安裝過程中第四系容易出現(xiàn)塌井現(xiàn)場，所以給鉆孔安裝施工作業(yè)造成了一定難度。在安裝混合疏干降水孔的過程中應(yīng)控制好安裝時(shí)間，提高施工作業(yè)管理水平。

3 結(jié) 語

綜上所述，若不考慮水文試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)集中控制系統(tǒng)，通過合理有效的施工管理，扎實(shí)有序的施工作業(yè)，在使用垂直降水孔疏排地下水時(shí)，采用第四系、煤系混合疏干孔進(jìn)行疏排作業(yè)，能夠減少投資，疏排效果顯著，特別適合在我國內(nèi)蒙古東部、東北部地區(qū)的大型露天煤礦進(jìn)行推廣實(shí)施。

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【責(zé)任編輯：陳 毓】

Study of themethod ofm ixed drainage in the fourth system coal bearing aquifer of open-pit coalmine

ZHAO Yajun1,BAI Le2
(1.Mining and Coal College,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China; 2.Mining Research Institute,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China)

TD824.6

B

1671-9816（2017）10-0001-04

2017-05-19

趙亞軍（1959—），男，河北昌黎人，教授級高工，教授，碩士，1983年畢業(yè)于包頭鋼鐵學(xué)院金屬礦床開采專業(yè)，現(xiàn)在內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院任副院長，主管實(shí)驗(yàn)室工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.10.001

趙亞軍，柏樂.露天煤礦第四系、煤系含水層混合疏干方式的研究［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（10）：1-3.