煤矿斜井过第四富含水层深井井点降水法应用研究

侯亚平

（山西晋城兴唐煤业有限公司，山西 晋城 048000）

0 引言

矿井主、副斜井穿过第四系富含水砾石层水量大且流速较快，严重影响了井筒施工的效率、效益，威胁施工人员安全，现结合着井田内矿井斜井井筒基建阶段遇到的多个含水层的问题，通过对井田范围内工程概况、水文地质勘测及分析、理论计算以及工程施工设计与实践分析研究等方法，对井筒建设过程中地下水的涌出量进行预算，对于主、副斜井明槽开挖采取管井井点降水法进行参数设计和应用研究，最终有效的解决了矿井井筒过第四系松散富含水层涌水的问题，也为井田范围的其他矿井井筒过富含水层降水方案的设计研究提供了技术及实践经验。

1 工程概况

矿井开拓方式为“斜井-立井”综合开拓，主斜井井筒总斜长936.3m，落底标高为+425.8m，其中0～98m为表土段，98～355m为风化基岩段，355m至井筒底部为基岩段，倾角20°，断面净宽为5.8m，净高4.6m，采用拱形断面，断面积25.6m2。副斜井井筒斜长914.9m（含18°变坡段），落底标高为+437.0m，倾角为18°，断面净宽为5.6m，净高4.8m，采用拱形断面，断面积24.6m2。回风立井井筒垂深384.4m，落底标高+438.8m，断面直径为3.8m。

2 矿井充水原因分析

1）该矿地区气候气候比较干旱，降水量一般集中在七月、八月和九月，并且降水稀少，而且年蒸发量是该地区年降水量的7倍左右，水流一般由地面的沟壑快速且集中的排除，只有极少的部分能够渗入地下，这种地形基本上没有造成井筒大量充水的危险。

2）本区煤系地层为沉积碎屑岩，浅部风化严重，且第四系松散层直接覆盖其上，局部地段含水层富水性较强，尤其是河谷地段冲洪积层较厚，含水性较好，由于局部岩石固结的紧密性，接缝和裂缝发育不良，地下水排水不畅，静水压力大，水头高，主要含水地层为松散层孔隙潜水含水层有第四系和第三系砾石层。如井检1及井检3号孔位于河谷中，钻孔抽水试验单位涌水量 q=0.0438～0.522L/s·m，渗透系数 K=0.0406～6.464m/d，是井筒充水的主要水源。

3）矿区内无大的地表水体，井筒附近较大沟谷均属季节性溪流，在通常情况下沟谷内并没有水流，但是在7～9月份雨季可能会有短暂的洪期，此时矿井工作人员必须做好充分的准备工作来预防洪水涌入井筒。

4）虽然三叠系岩层含裂隙裂隙水，但该层水体较弱，埋藏深部。另外，延安组底部砂泥岩和泥岩含水较好，正常情况下，并不会对含煤地层产生比较明显的影响。

5）矿区内地质构造简单，地层平均倾角为2°，为近水平地层，井田范围内也没有大的断层、褶曲等构造，地层内没有岩浆侵入，没有什么特殊的构造能够引起井筒突水。

3 井筒涌水量预算

本次钻探的几个专门的水文孔应用稳定流抽水试验的方法来测定地下水的水文特征，抽水设备采用深井潜水泵，选择一个或两个降深来进行抽水试验，得到单位时间内的涌水量，因此在计算总的涌水量时应采用集中参数的稳定流解析法公式（裘布依Dupuit公式）。这时我们就把第四系富水层看作是均质、各向同性的介质，符合线性渗透定律[1～2]。“狭长水平坑道”法预算结果：设计基坑开挖深度23.5m，故松散层选用无压水公式：

式中：B为安全系数，取1.2；K为渗透系数；H为降水深度；R为影响半径；

1）渗透系数K的计算：松散层利用井检水文孔抽水试验成果，采用潜水完整井公式：

式中：Q为钻孔涌水量（m3/d），取三次降深最大涌水量；R为影响半径（m）；R为钻孔半径（m）；H为潜水含水层厚度（m）；M为承压水含水层厚度（m）；S为水位降深（m），取最大降深值。

计算结果：基坑松散砾石层渗透系数：K=6.866m/d。

2）在进行井筒的开挖时，必须对第四系全新统松散层内的地下水的涌出进行预测，来保证井筒掘进工作的正常进行。根据上述地质资料分析以及对于地下水渗流的探究计算，当井筒穿过各层时，预计从井筒流入的水主要集中在第四，第三砾石层和碎屑岩的孔隙和裂隙含水层中。考虑到毛管上升高度的影响，为了避免在开挖过程中干扰地基土，设计将地下水位降低到基深以下0.5m。即水位需降低至地表下-23.5m位置。

3）在井筒掘进时采用基坑降水法进行降水，此时需要将水位降至基坑底部，即S=H=23.5m，通常可用经验公式：

式中：H为潜水含水层厚度，对于承压水为静水位高度（m）；

计算结果：松散层R=170m；

现场含水层岩性一致，虽然厚度不一，但在较大范围内仍为单层，基坑离地表水体较远。可以假定含水层是均质的，厚度相等，并且分布无限。用稳定流量"狭长坑道法"计算每个基坑的涌水量。根据岩土工程调查报告和水文地质野外工作，结合以往经验，含水层渗透系数值为：K=110.0m/d，影响半径R=170m，含水层厚度为40m，水位降深为24.0m，。具体的计算公式为（1）～（3）。得到的计算结果详见表1。

表1 基坑涌水量计算表

4 降水井结构设计

4.1 管井（深井）井点降水法的原理

管井井点降水法是在钻好的排水孔内插入管道，通过管道将钻孔底部渗流出的地下水排出，也就是我们通常所说的“井中井”，其具体工作原理如图1，这种方法每个管道连接着一个水泵，排水量大，原理简单，操作方便，单孔出水量在50～100m3/h,但是水位降低量有限，一般为3～5m左右，在潜水层降水施工得到广泛的应用[3～4]。在此基础上深井井点降水法，降水深度较大，一般用于基坑深度在15m以上的基坑排水，这是需要特制的深井潜水泵才能达到抽水的要求，它的降水效果可以说是基坑降水中最为显著的，一般可以降低几十米的水位，甚至能达到上百米。并且不需要占用基坑施工范围内的空间，在基坑降水中得到青睐。

图1 管井井点原理示意图

4.2 深井井点降水方案设计

1）降水井深度计算过程如下：

其中：Hw为降水井深度（m）；Hw1为基坑深度（m）；Hw2为降水水位距离基坑底的深度(m)；Hw2=0.5mHw3为 HW3-iγ0，i为水力坡度，=1/5，γ0等效半径，γ0=23m，Hw3=4.6m

Hw4为降水井过滤器工作长度：Hw4=5.0mHw5为沉砂管长度：Hw5=5.0mHw6为地下水水位变幅：Hw6=1.0m

结合基坑的降水面积、水文地质情况，基坑开挖深度最大为24.5m，将数据带入式（4）计算得知降水井深度Hw≈40.0m，直径为45.0cm，管道外壁由砾石材料填补，填补材料的厚度不小于10cm。

2）单井出水能力确定。单个排水井孔的排水能力：

3）干扰状态下单井出水量确定。根据含水层的渗透性及建筑物基坑的形状，降水井在需要降水的地段围绕基坑等距间隔，间距为 15.0m：n主=320/15=21个，n副=508/15≈34个。

干扰状态下的单井排出水量采用下式确定：

计算得：q主=900m3/d；q副=504m3/d。

井群总出水量 nq主 =18900m3/d；nq副=18144m3/d，大于基坑总涌水量Q主=17421m3/d，Q副=17646m3/d。且干扰状态下单井出水量小于单井出水能力。在主、副井交界处有5眼井为共用井，所以共布置降水井50眼，可满足降水要求，预计降水效果如图2所示。

图2 预计降水效果

4.3 降水方案的确定

1）基坑降水采用深井井点降水法。

2）降水井排列在基坑外围，围绕基坑等距离排列，间距为15m，主井筒明槽34眼，副斜井基坑抽水井21眼，5眼共用井，降水井共计50眼。

3）降水井底部的潜水泵采用扬程为25～50m的特殊潜水泵，每小时的排水量为20～50m3。

4）排水：降水时抽出的地下水为清澈的优质水源可供再次利用。

5）环基坑排水管线用钢管，其直径算得：D=304mm，选用排水管直径D=325mm钢管，根据现场条件用排水管线将地下水排到影响半径以外地方。降水井的位置情况详见图3。

图3 降水井位置详情

5 结论

管井降水后，水位线基本低于明槽开挖底面，土体含水量减少，提高了土体稳定性，使土体产生固结，防止了主、副斜井明槽开挖后的边、仰坡塌方。采用管井井点降水方案后，主斜井进尺300m，掘面在350m处迎头已基本没有涌水，降水效果非常理想，并且将排出的水用于该矿的工程用水和生活用水，同时解决了水资源短缺的问题。