輻射井疏干技術在露天礦地下水疏干中的應用研究

，，，，

(1.南京大學地球科學與工程學院，江蘇南京210046； 2.馬鋼集團南山礦業有限責任公司，安徽馬鞍山243033)

輻射井疏干技術在露天礦地下水疏干中的應用研究

唐釗1，朱國榮1，王維勤2，洪振川2，王叢林2

(1.南京大學地球科學與工程學院，江蘇南京210046； 2.馬鋼集團南山礦業有限責任公司，安徽馬鞍山243033)

現有的井群疏干、地下巷道集中排水、地表地下聯合疏干方法都已比較成熟有效，但當礦區的地下水系統由非均質各向異性、低滲透性含水介質組成時，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易造成許多不必要的浪費；地表地下聯合疏干方法的地面部分對礦坑邊坡安全和采場作業都會造成一定的影響。結合馬鋼集團南山礦業公司高村露天鐵礦的地下水疏干技術研究專項，調查分析了礦區地質和水文地質條件，含水介質特點及含水層富水特征，借助GMS軟件建立了高村礦區地下水水流模型，提出了輻射井疏干技術的設想，并依據前人提出的“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的集水優勢。

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

關于輻射井理論上的研究，直到近年來輻射井成井技術的成熟及其在工程中的成功應用后才日見熱門。Tarshish(1992)提出水平輻射井給、排水情形下的地下水數學模型；Falta(1995)給出了相關的解析解；Zhang等(2001)給出了關于承壓、非承壓含水層中三維非穩定流的解析解;陳崇希等(2007)開發了一款地下水模擬專業軟件PGMS，這款軟件以“滲流-管流耦合模型”的三維達西-非達西流來刻畫井孔-含水層系統，解決了傳統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用前景。

對高村礦這樣的大型基巖深度開采的露天礦山應用輻射井疏干的相關文獻目前還沒有，但考慮到輻射井疏干子系統可根據含水層的富水特征靈活布置的特性，將輻射井應用于類似條件礦山是有可能實現的。結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控股有限公司南山礦業公司，位于馬鞍山市雨山區向山鎮北東約2.0 km處(圖1)。高村鐵礦是一大型露天磁鐵礦床，全礦床總計資源儲量2.2億t。在實際生產過程中，礦區地下水引起的生產安全、生產效益、地質災害、環境污染等問題日益突出,這在國內其他礦山開發中同樣是一大技術難題(黃敬軍，2002)。本次研究以保證高村露天采場的安全生產為前提，探討適合礦坑地下水疏干的方法和工藝，以期達到提高生產效益的目標。

1.1 水文地質特征及數學模型

礦區處亞熱帶濕潤季風氣候，區內的慈湖河由于河床底部廣泛分布蕪湖組(Qhw)淤泥質黏土層，河流與地下水不存在明顯的水力聯系，故本次研究未把地表河流的影響考慮在內。研究區主要分布白堊系下統大王山組(K1d)火山巖系，以安山巖、凝灰角礫巖、安山質火山碎屑巖為主構成基巖裂隙含水層(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，上部上更新統下蜀組粉質黏土構成局部隔水層。在人類活動影響下，局部隔水層的破壞及礦山地下水疏干使原來的承壓區向無壓過渡，總體表現為無壓與承壓交替分布的特點。

圖1 高村鐵礦交通位置示意圖

圖2 高村地區地形圖及水文地質圖

區內西北平原區無天然邊界，因此研究區流場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，研究區可概化為非均質各向異性無壓-承壓混合地下水非穩定流模型。其數學表達如下式。

(1)

式(1)中，Ω為求解空間;t為時間;h為水頭;ho為已知水頭分布函數;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;Ss為單位儲水量;w為單位面積含水層垂直方向水量交換量。

1.2 高村礦防、排水現狀

高村礦自2010年開始開采以來，一直以簡單的地面臨時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，加上降水時間上的不均勻性將引起較大變幅的動水壓力，開采施工采用的爆破方式易引起一定范圍內的震動，諸多因素長期作用下對邊坡的穩定性構成極大威脅，特別是第四系厚度較大的地段。現有的研究成果(孔祥龍等，2008)在關于內蒙古錫林浩特“勝利一號”露天礦邊坡問題的討論中提出：對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。臨時水倉不是長遠之計，傳統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 高村礦區節理玫瑰圖

疏干效果的控制因素有內因與外因兩方面。內因主要是含水層巖性及區域構造條件的影響。為此進行了節理裂隙統計，結果顯示礦區范圍內沒有較大的斷裂構造，節理走向主要有NE45°～55°和NW285°～295° 2組，以NW310°～320°走向的節理具有顯著導水性(圖3)，為地下水的儲存與運移提供了良好的條件，也是研究區地下水的主要流向。圖4示意了1.0 m2統計區內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。不難發現，水平輻射井能連通更多的導水裂隙，故其集水能力遠大于垂直鉆孔，而且在與地下水的接觸面積上更有利，水力坡度越大，這種優勢越突出。

圖4 單位面積垂向(a)與水平(b)集水構件軸線穿越節理示意圖

由降水量的季節性變化引起的動水補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域直接對地下水進行補給，礦區排水量呈季節性變化。

由于研究區的滲透系數較小，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計算，需安排疏干井近100口，這還未考慮裂隙含水層空間發育的各向異性。而水平輻射井對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勢，降水的季節性變化也不會對它產生大的干擾。

2.2 輻射井疏干工程布置

高村采場第一期規劃在現有-54 m開采平臺基礎上向下延深至-186 m，規劃采掘平臺10個，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：高村采場的西南幫是礦坑最富水的地段，該處已經因地下水水害影響了生產。輻射井疏干子系統可以在類似地段重點布置，而在富水性較差的地段少布置甚至不布置，這充分體現了輻射井較強的靈活性。

3 數值模擬與計算

3.1 滲流-管流耦合模型

近年來，由于輻射井鉆井技術的提高，輻射井的應用領域也從石油工業拓展到水文地質領域，但相關理論研究鮮有報道，這是因為傳統的地下水滲流模型將井壁作為均勻水頭邊界或等勢匯邊界的做法不符合實際，也無法處理井管中地下水從滲流過渡為管流的流態變化。為解決這個難題，陳崇希等(2004，2008)先后提出滲流-管流耦合模型的構想，該構想把管流部分等價為滲透系數很大的透鏡體，并在管流引入形式上符合達西定律的“等效滲透系數”，從而將水平井管的邊界問題轉移為豎井出水口的內邊界問題，其關鍵在于“等效滲透系數”的確定。

從水力學角度分析，可將紊流的5個流態分區的運動規律統一為達西定律：

V=KeJ

其中：

Ke=

(2)

式(2)中,J為水力坡度;γ為流體容重;μ為流體動力黏度；u為管內平均流速,m/d;f為摩擦系數;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”在理論上較Hantush及Neuman的將觀測孔中的水頭降深視為濾水管中各點的平均降深來得更具真實性，并在2003年與詹紅兵合作完成了“滲流-管流耦合模型”的砂槽實驗及一些實例應用，前后花了近10年時間證實了該理論的可靠性。

3.2 模擬與計算

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

圖6 高村采場地下水位流場圖

井群與水平輻射井對比疏干排水，要求采場的地下水水位預測從2014年-54 m降到2028年-186 m為一期規劃，每2年為1個應力期;二期規劃要求到2033年將水頭降至-270 m，計1個應力期。圖6計算結果顯示：在確保達到規劃水位的前提下，2種方案預測平均日排水量均在1.6萬m3左右，即9個水平輻射井的疏干能力等價30個豎井的疏干能力，輻射井的單井疏干能力是豎井的3.33倍。Seines等(1994)在研究薄層儲油層中輻射井的應用時有數據顯示：單個輻射井的有效出油量是相同水平豎井的4倍，與此次得出的結論較相近。

4 結 論

根據高村礦基巖裂隙含水層建立了高村地區的地下水數學模型。以礦區安全生產為保證前提，考慮到現有的臨時水倉疏干模式在長遠來看具有很高的風險，新的高效益的疏干模式呼之欲出。高村礦二期規劃水位降深至-270 m，這類基巖裂隙疏干及高邊坡問題一直是礦區疏干的熱難點問題。高村礦地下水疏干主要受大氣降水及區域構造兩方面影響，從這兩方面著手，詳細分析了輻射井在高村礦應用的可行性，并列舉了輻射井在高村礦疏干中的優勢，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，借助GMS軟件模擬了輻射井疏干方案在高村礦中的應用。該理論突破了傳統上將井管壁描述為等水頭邊界或等勢匯邊界的假設，將輻射井水平井管部分模擬為具有較大滲透系數的含水介質，從而使輻射井在具體實例中的數值模擬成為可能。本研究模擬結果同時表明：單個輻射井在疏干效益方面約3.33倍于單個豎井。

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

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

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

何慶成,張進德.1999.水平井技術在地下水和土體污染治理中的應用[J].水文地質工程地質,26(3):49-51.

黃敬軍.2002.江蘇礦山生態地質環境問題及防治對策[J].地質學刊(原《江蘇地質》),26(4):216-219.

黃玉珍,黃金亮,葛春梅,等.2009.技術進步是推動美國頁巖氣快速發展的關鍵[J].天然氣工業,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[J].南京大學學報：自然科學版,44(6):660-665.

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

張治暉,李來祥,尹紅蓮.2002.利用輻射井技術開發黃河灘地淺層地下水的研究[J].中國農村水利水電,(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

國家自然科學基金項目(41372235)、馬鋼集團項目(ky-2012-4)資助

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

P641.4

：A

：1674-3636(2014)04-0638-06