朝阳露天煤矿地下水控制方法优化

杨庆龙，仝宇珍

（1.宝清煤电化公司 朝阳露天矿，黑龙江 双鸭山 155625；2.大地工程开发（集团）有限公司，北京 100102）

地下水作为水文地质单元内最活跃的因素，对采矿有着比较大的威胁，为保证露天煤矿安全正常生产，开展地下水疏干降水工作十分必要。朝阳露天矿矿区地下水丰富，含水层岩性主要由中砂、细砂、粉细砂等细颗粒物质组成，加上地下水铁离子含量高，易造成降水孔过滤器堵塞，严重影响降水孔疏干降水效果。朝阳露天煤矿地下水控制方法主要有垂直降水孔、坑底集水坑等。通过改进垂直降水孔结构，在降水孔滤料层设置冲洗管，增加洗井效果，提高降水孔出水量。在松散含水层施工大孔深水平放水孔，易产生缩孔、塌孔，以往露天煤矿未有先例。为有效降低采场工作帮中部含水层地下水位，解决平盘积水问题，朝阳露天煤矿尝试在中部含水层实施大孔深水平放水孔，取得了良好疏水效果。

1 朝阳露天矿概况

朝阳露天煤矿位于黑龙江省双鸭山市宝清县朝阳乡境内，三江平原南缘，地形平坦，西南高、东北低，地形高差不明显，地面标高在67～119 m 之间，一般为77 m 左右，地面大部为农田，在低洼处仍有沼泽地。矿区内水系主要有大、小索伦河，为季节性河流。矿区属寒温带大陆性季风气候，夏季炎热而短暂，冬季寒冷而漫长，春秋两季多风，夏季多雨，多年平均气温3.1 ℃，1 月份寒冷，平均气温－22.7 ℃，7月份炎热，平均气温27.3 ℃，平均无霜期150 d，季节性冻土厚1.40～2.00 m，冻结期为11 月至翌年4月，最大积雪深度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，年蒸发量1 293 mm，平均湿度66.7%。

朝阳露天矿于2009 年7 月开工建设，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 年分别投入的86 个、21 个、20 个、68 个地面降水孔降水。

2 水文地质条件

朝阳露天矿区位于区域中部偏南，为大、小索伦河冲积平原，地势平缓微向北倾斜，属山前台地向挠力河低平原过渡带，沉积了巨厚的第三纪和第四纪地层。根据地下水赋存条件和岩性组合特征，将本区自上而下划分为：顶部隔水层-上部含水层-中部隔水层-中部（煤层顶板以上）含水层-下部（煤层底板以下）隔水层-下部含水层。

2.1 含水层

1）上部含水层-第四系含水层组。全区普遍发育，岩性以中砂和细砂为主，夹有粗砂和粉砂，厚度在2.1～28.2 m 之间，平均厚度11.75 m，并夹有黏土以透镜体形式出现，底板标高平均51 m。渗透系数为10.447 m/d，水位埋深2.29 m，水位标高74.886 m，地下水埋藏类型为孔隙水，水力性质为承压水，地下水流向由南向北，水力坡度1.4‰。

2）中部（煤层顶）含水层组。全区发育，岩性主要为第三系微胶结各粒级砂岩及第四系底部中粗砂，含泥质，少数粉、细砂岩含泥质，呈胶结状，第四系底部砂层与第三系顶部微胶结砂岩之间无隔水层存在，因此，将其划分为同一含水层。该含水层厚度变化较大，平均厚度21.9 m。平均底板埋藏深度54.01 m，平均底板标高为16.44 m。渗透系数为1.344 m/d，水力性质承压水，地下水流向由南向北，该含水层与煤层顶板直接接触，为矿床直接充水含水层，底板埋藏深度，南部浅，北部深。

3）下部（煤层底）含水层组。发育在煤层底板以下，岩性为微胶结的灰色、灰绿色中、细砂岩和粉砂岩。厚度6.57 m，连续性较差，局部缺失，南部相对较厚，北部较薄。渗透系数为6.629 m/d，水位埋深2.03 m，水位标高73.049 m，地下水埋藏类型孔隙水，水力性质为承压水。

2.2 充水因素

本区地下水埋藏类型为孔隙充水矿床，水文地质条件复杂，含水层分布较广，持水性较强，含水层与隔水层交错沉积，含水层与隔水层在水平和垂直方向上不稳定发育，没有形成稳定的连续的含水层和隔水层，不易疏干。自然条件下，矿区处在水文地质单元径流区内，地下水以径流为主，地下水主要径流方向从西南－东北，即矿区接收南部上游的侧向补给，并向北部下游侧向排泄。通过对3 个含水层抽水试验及资料分析，含水层对矿坑充水程度与含水层的岩性、厚度、分布范围、渗透性等有关，露天开采时，上、中、下3 个含水层的水均直接涌进矿坑，成为直接充水含水层。综上所述，上、中、下部含水层组地下水是本矿主要充水水源，在露天开采过程中，地下水通过孔隙、断层带等充水通道进入采掘场。

3 地下水控制

3.1 地下水控制存在的问题

区内广泛发育第四系、第三系松散、软岩类地层，含水层、隔水层交互赋存，含水层水量丰富且渗透性差，不易疏干。露天煤矿主要采用地表降水孔预先降低地下水位，降水孔的过滤器采用包网过滤，含水层岩性主要为粉砂和微胶结粉砂岩，细颗粒和泥质成分含量较高，铁含量较高，易被氧化成微小团粒状结构，垂直降水孔运行过程中，含水层细颗粒随地下水流向垂直降水孔，导致细颗粒堵塞过滤器，造成垂直降水孔出水量减少，降低疏干效果，每年需要洗井2～3 次，且洗井效果较差，增加维护成本、降低水泵效率，为此，需要对地面降水孔结构进行优化。在相同的工程地质条件下，采用不同的疏干井结构进行疏干排水，会有完全不同的疏干效果[1]。

采掘场工作帮推进较快，导致工作帮地面降水孔、疏干管道服务时间较短，影响工作帮剥离、运输，降低露天矿采剥效率，需要丰富露天矿的地下水控制方法。

3.2 国内外地下水控制措施

垂直降水孔过滤器和近井含水层堵塞原因主要包括化学堵塞、物理堵塞等。化学堵塞可采用井口封闭、尽量避免与空气接触的方法处理[2]；而物理堵塞是由于抽水过程中影响范围内细粒的含水层介质发生扰动和迁移，通过沉淀吸附等物理作用富集于近井周围含水层及滤料的空隙中，减小了渗透通道的孔径从而诱发堵塞[3]。物理堵塞可基于含水层介质颗粒分析，通过合理的滤料粒径、厚度设计及出水量优化来缓解，并可采用定期反冲洗的方式进行处理[4]。

水平放水孔用于矿坑排水，不仅技术上可行，更具有布井位置灵活的优势[5]，适用于低渗透的含水层。在保证生产安全的基础上尽可能地降低生产成本、提高疏干效率。水平放水孔设计中主要考虑的因素包括含水层厚度、渗透性大小及非均质性和各向异性、地下水补给条件、水头高度等[6-7]。

4 地下水控制方法及优化

4.1 垂直降水孔

为解决细颗粒堵塞过滤器，造成垂直降水孔出水量减少的问题，垂直降水孔试验时在降水孔滤料层中间的环形区域均匀设置3 根冲洗管，冲洗管为φ75 mm 钢制缝隙式滤水管，缝隙宽度1.5 mm，因其距离井壁和主井过滤器较近，在冲洗管洗井过程中，能有效扰动滤料细颗粒沉积物和主井过滤器外侧附着物，结合主井井管洗井，易将细颗粒吸入主井管内，改善垂直降水孔滤料和过滤器的透水性，改善进水条件，提高降水效果，进而提高排水设备效率，节省能耗。

冲洗管由冲洗井壁管和冲洗过滤管组成，冲洗管设置于滤料层中，冲洗管与主井井管通过支撑板相连，支撑板为钢板，钢板规格为长150 mm、宽50 mm、厚6 mm，钢板竖向设置，长厚截面分别与井管、冲洗管对接焊接，井管与冲洗管净距50 mm，冲洗管随井管一同下管。在洗井过程中，配合主井洗井，冲洗管采用空压机洗井。冲洗管同时起到测压管作用，用于观测地下水位，做到一管多用。

2 个垂直降水孔采用桥式过滤器，其中SY－C1孔为缝宽0.75 mm 桥式过滤器，SY－C2 孔采用缝宽4 mm，包2 层JF33 筛网钢制桥式包网过滤器。

据水文地质测井及野外地质编录确定含水层厚度及位置，按照单孔稳定流完成抽水试验，利用抽水孔水位下降资料计算水文地质参数，通过迭代法[8]计算垂直降水孔渗透系数和影响半径。垂直降水孔水文地质参数计算结果一览表见表1。

表1 垂直降水孔水文地质参数计算结果一览表

通过垂直降水孔试验，确认了桥式包网过滤器（缝宽4 mm）和桥式过滤器（缝宽0.75 mm）2 种规格过滤器均能满足要求。

4.2 大孔深水平放水孔

朝阳露天矿于采掘场工作帮台阶松散粉细砂层布置水平放水孔，为国内露天煤矿首次在松散层实施大孔深（＞100 m）水平放水孔。水平放水孔对于中部含水层这种渗透系数小、持水性强的极难疏干含水层有较好的疏放水效果，但在松散含水层地层条件下易坍塌，故在采掘场工作帮台阶实施水平放水孔试验，探讨在此条件下，水平放水孔的施工难度、疏放水效果，选取合适的水平放水孔井管材质，从而为以后实施大孔深（＞100 m）水平放水孔工程提供指导。

试验孔布孔位置选择主要考虑因素：潜在的边坡失稳部位、试验时期易于排水。在采掘场中部煤层揭露段自西向东分别施工SY－S1 和SY－S2 2 个水平放水孔，设计水平放水孔孔深100 m，仰角5°，井管采用φ75 mm 软式透水管2 种（SY－S1）和φ75 mm PVC 缝隙式滤水管（SY－S2）。软式透水管是以PVC 过塑钢丝构成框架结构，外部包裹土工布制成具有透水能力，PVC 缝隙式滤水管为缝宽1.5 mm，缝间距2 cm，缝长10 cm，孔隙率＞5%。

通过对水平放水孔水量测量并进行记录，2018年11 月施工的2 个水平放水试验孔，水平放水孔实施后流量变化见表2，6 个月后单井流量仍可达1.7 m3/h。

表2 水平放水孔流量数据表

试验结果表明：水平放水孔疏水效果理想，在本矿区松散层实施大孔深水平放水孔是可行的。通过观测数据绘制比对2 个水平放水孔的流量变化，水平放水孔用于疏放中部含水层其水文地质条件一致的前提下，SY－S2 采用的PVC 缝隙式过滤器明显优于软式透水管，PVC 缝隙式过滤器出水量明显好于软式透水管，而且由于PVC 缝隙式过滤器为刚性，在井管安装时具有安装简便、节约时间的优点。

4.3 优化措施效果

垂直降水试验孔SY－C2 孔位于工作帮，此孔完成抽水试验工作后被剥离废弃，孔SY－C1 至今已运行3 年，单孔涌水量可达20 m3/h，垂直降水孔出水效果较好。

水平放水孔根据采掘场工作220 m/a 的推进速度，综合考虑推进速度及软岩施工难度等因素，确定每年初期、中期各施工1 组，每组30 个，全部采用PVC 缝隙式过滤器。施工时孔口位置根据工作帮台阶写实剖面进行调整。根据揭露中含水层底板西高东低的特点，结合露天矿开采计划布置第1 批水平放水孔，此区间中含水层底板标高＋7～+10 m，在中含水层底板下3 m 处布置水平放水孔。2021 年4 月施工的2 个水平放水孔单井涌水量分别为6、55 m3/h，水平放水孔出水量非常理想。

在地面降水孔、台阶水平放水孔作用下，工作帮工作面中含水层地下水位得到有效下降，保证了露天矿采剥工作正常进行。

5 结语

1）通过垂直降水孔结构优化改善了疏干井运行维护不理想的问题，能够起到有效清洗滤料及提高洗井效果，提高滤料和含水层的透水性，改善疏干降水井的进水能力。

2）通过在采掘工作帮台阶松散层施工大孔深（＞100 m）水平放水孔，能有效疏干工作帮中部含水层；本区水文地质条件，PVC 缝隙式过滤器的使用效果明显优于软式透水管。

3）结构优化后的“三冲管”垂直疏干降水井与大孔深水平放水孔措施的应用，能有效疏干本矿区地下水，保证生产安全和采剥进度。