煤礦斜井過(guò)第四富含水層深井井點(diǎn)降水法應(yīng)用研究

侯亞平

（山西晉城興唐煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

礦井主、副斜井穿過(guò)第四系富含水礫石層水量大且流速較快，嚴(yán)重影響了井筒施工的效率、效益，威脅施工人員安全，現(xiàn)結(jié)合著井田內(nèi)礦井斜井井筒基建階段遇到的多個(gè)含水層的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)井田范圍內(nèi)工程概況、水文地質(zhì)勘測(cè)及分析、理論計(jì)算以及工程施工設(shè)計(jì)與實(shí)踐分析研究等方法，對(duì)井筒建設(shè)過(guò)程中地下水的涌出量進(jìn)行預(yù)算，對(duì)于主、副斜井明槽開(kāi)挖采取管井井點(diǎn)降水法進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究，最終有效的解決了礦井井筒過(guò)第四系松散富含水層涌水的問(wèn)題，也為井田范圍的其他礦井井筒過(guò)富含水層降水方案的設(shè)計(jì)研究提供了技術(shù)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

礦井開(kāi)拓方式為“斜井-立井”綜合開(kāi)拓，主斜井井筒總斜長(zhǎng)936.3m，落底標(biāo)高為+425.8m，其中0～98m為表土段，98～355m為風(fēng)化基巖段，355m至井筒底部為基巖段，傾角20°，斷面凈寬為5.8m，凈高4.6m，采用拱形斷面，斷面積25.6m2。副斜井井筒斜長(zhǎng)914.9m（含18°變坡段），落底標(biāo)高為+437.0m，傾角為18°，斷面凈寬為5.6m，凈高4.8m，采用拱形斷面，斷面積24.6m2。回風(fēng)立井井筒垂深384.4m，落底標(biāo)高+438.8m，斷面直徑為3.8m。

2 礦井充水原因分析

1）該礦地區(qū)氣候氣候比較干旱，降水量一般集中在七月、八月和九月，并且降水稀少，而且年蒸發(fā)量是該地區(qū)年降水量的7倍左右，水流一般由地面的溝壑快速且集中的排除，只有極少的部分能夠滲入地下，這種地形基本上沒(méi)有造成井筒大量充水的危險(xiǎn)。

2）本區(qū)煤系地層為沉積碎屑巖，淺部風(fēng)化嚴(yán)重，且第四系松散層直接覆蓋其上，局部地段含水層富水性較強(qiáng)，尤其是河谷地段沖洪積層較厚，含水性較好，由于局部巖石固結(jié)的緊密性，接縫和裂縫發(fā)育不良，地下水排水不暢，靜水壓力大，水頭高，主要含水地層為松散層孔隙潛水含水層有第四系和第三系礫石層。如井檢1及井檢3號(hào)孔位于河谷中，鉆孔抽水試驗(yàn)單位涌水量 q=0.0438～0.522L/s·m，滲透系數(shù) K=0.0406～6.464m/d，是井筒充水的主要水源。

3）礦區(qū)內(nèi)無(wú)大的地表水體，井筒附近較大溝谷均屬季節(jié)性溪流，在通常情況下溝谷內(nèi)并沒(méi)有水流，但是在7～9月份雨季可能會(huì)有短暫的洪期，此時(shí)礦井工作人員必須做好充分的準(zhǔn)備工作來(lái)預(yù)防洪水涌入井筒。

4）雖然三疊系巖層含裂隙裂隙水，但該層水體較弱，埋藏深部。另外，延安組底部砂泥巖和泥巖含水較好，正常情況下，并不會(huì)對(duì)含煤地層產(chǎn)生比較明顯的影響。

5）礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層平均傾角為2°，為近水平地層，井田范圍內(nèi)也沒(méi)有大的斷層、褶曲等構(gòu)造，地層內(nèi)沒(méi)有巖漿侵入，沒(méi)有什么特殊的構(gòu)造能夠引起井筒突水。

3 井筒涌水量預(yù)算

本次鉆探的幾個(gè)專門的水文孔應(yīng)用穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)定地下水的水文特征，抽水設(shè)備采用深井潛水泵，選擇一個(gè)或兩個(gè)降深來(lái)進(jìn)行抽水試驗(yàn)，得到單位時(shí)間內(nèi)的涌水量，因此在計(jì)算總的涌水量時(shí)應(yīng)采用集中參數(shù)的穩(wěn)定流解析法公式（裘布依Dupuit公式）。這時(shí)我們就把第四系富水層看作是均質(zhì)、各向同性的介質(zhì)，符合線性滲透定律[1～2]。“狹長(zhǎng)水平坑道”法預(yù)算結(jié)果：設(shè)計(jì)基坑開(kāi)挖深度23.5m，故松散層選用無(wú)壓水公式：

式中：B為安全系數(shù)，取1.2；K為滲透系數(shù)；H為降水深度；R為影響半徑；

1）滲透系數(shù)K的計(jì)算：松散層利用井檢水文孔抽水試驗(yàn)成果，采用潛水完整井公式：

式中：Q為鉆孔涌水量（m3/d），取三次降深最大涌水量；R為影響半徑（m）；R為鉆孔半徑（m）；H為潛水含水層厚度（m）；M為承壓水含水層厚度（m）；S為水位降深（m），取最大降深值。

計(jì)算結(jié)果：基坑松散礫石層滲透系數(shù)：K=6.866m/d。

2）在進(jìn)行井筒的開(kāi)挖時(shí)，必須對(duì)第四系全新統(tǒng)松散層內(nèi)的地下水的涌出進(jìn)行預(yù)測(cè)，來(lái)保證井筒掘進(jìn)工作的正常進(jìn)行。根據(jù)上述地質(zhì)資料分析以及對(duì)于地下水滲流的探究計(jì)算，當(dāng)井筒穿過(guò)各層時(shí)，預(yù)計(jì)從井筒流入的水主要集中在第四，第三礫石層和碎屑巖的孔隙和裂隙含水層中。考慮到毛管上升高度的影響，為了避免在開(kāi)挖過(guò)程中干擾地基土，設(shè)計(jì)將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）在井筒掘進(jìn)時(shí)采用基坑降水法進(jìn)行降水，此時(shí)需要將水位降至基坑底部，即S=H=23.5m，通常可用經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：H為潛水含水層厚度，對(duì)于承壓水為靜水位高度（m）；

計(jì)算結(jié)果：松散層R=170m；

現(xiàn)場(chǎng)含水層巖性一致，雖然厚度不一，但在較大范圍內(nèi)仍為單層，基坑離地表水體較遠(yuǎn)。可以假定含水層是均質(zhì)的，厚度相等，并且分布無(wú)限。用穩(wěn)定流量"狹長(zhǎng)坑道法"計(jì)算每個(gè)基坑的涌水量。根據(jù)巖土工程調(diào)查報(bào)告和水文地質(zhì)野外工作，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，含水層滲透系數(shù)值為：K=110.0m/d，影響半徑R=170m，含水層厚度為40m，水位降深為24.0m，。具體的計(jì)算公式為（1）～（3）。得到的計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 基坑涌水量計(jì)算表

4 降水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 管井（深井）井點(diǎn)降水法的原理

管井井點(diǎn)降水法是在鉆好的排水孔內(nèi)插入管道，通過(guò)管道將鉆孔底部滲流出的地下水排出，也就是我們通常所說(shuō)的“井中井”，其具體工作原理如圖1，這種方法每個(gè)管道連接著一個(gè)水泵，排水量大，原理簡(jiǎn)單，操作方便，單孔出水量在50～100m3/h,但是水位降低量有限，一般為3～5m左右，在潛水層降水施工得到廣泛的應(yīng)用[3～4]。在此基礎(chǔ)上深井井點(diǎn)降水法，降水深度較大，一般用于基坑深度在15m以上的基坑排水，這是需要特制的深井潛水泵才能達(dá)到抽水的要求，它的降水效果可以說(shuō)是基坑降水中最為顯著的，一般可以降低幾十米的水位，甚至能達(dá)到上百米。并且不需要占用基坑施工范圍內(nèi)的空間，在基坑降水中得到青睞。

圖1 管井井點(diǎn)原理示意圖

4.2 深井井點(diǎn)降水方案設(shè)計(jì)

1）降水井深度計(jì)算過(guò)程如下：

其中：Hw為降水井深度（m）；Hw1為基坑深度（m）；Hw2為降水水位距離基坑底的深度(m)；Hw2=0.5mHw3為 HW3-iγ0，i為水力坡度，=1/5，γ0等效半徑，γ0=23m，Hw3=4.6m

Hw4為降水井過(guò)濾器工作長(zhǎng)度：Hw4=5.0mHw5為沉砂管長(zhǎng)度：Hw5=5.0mHw6為地下水水位變幅：Hw6=1.0m

結(jié)合基坑的降水面積、水文地質(zhì)情況，基坑開(kāi)挖深度最大為24.5m，將數(shù)據(jù)帶入式（4）計(jì)算得知降水井深度Hw≈40.0m，直徑為45.0cm，管道外壁由礫石材料填補(bǔ)，填補(bǔ)材料的厚度不小于10cm。

2）單井出水能力確定。單個(gè)排水井孔的排水能力：

3）干擾狀態(tài)下單井出水量確定。根據(jù)含水層的滲透性及建筑物基坑的形狀，降水井在需要降水的地段圍繞基坑等距間隔，間距為 15.0m：n主=320/15=21個(gè)，n副=508/15≈34個(gè)。

干擾狀態(tài)下的單井排出水量采用下式確定：

計(jì)算得：q主=900m3/d；q副=504m3/d。

井群總出水量 nq主 =18900m3/d；nq副=18144m3/d，大于基坑總涌水量Q主=17421m3/d，Q副=17646m3/d。且干擾狀態(tài)下單井出水量小于單井出水能力。在主、副井交界處有5眼井為共用井，所以共布置降水井50眼，可滿足降水要求，預(yù)計(jì)降水效果如圖2所示。

圖2 預(yù)計(jì)降水效果

4.3 降水方案的確定

1）基坑降水采用深井井點(diǎn)降水法。

2）降水井排列在基坑外圍，圍繞基坑等距離排列，間距為15m，主井筒明槽34眼，副斜井基坑抽水井21眼，5眼共用井，降水井共計(jì)50眼。

3）降水井底部的潛水泵采用揚(yáng)程為25～50m的特殊潛水泵，每小時(shí)的排水量為20～50m3。

4）排水：降水時(shí)抽出的地下水為清澈的優(yōu)質(zhì)水源可供再次利用。

5）環(huán)基坑排水管線用鋼管，其直徑算得：D=304mm，選用排水管直徑D=325mm鋼管，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件用排水管線將地下水排到影響半徑以外地方。降水井的位置情況詳見(jiàn)圖3。

圖3 降水井位置詳情

5 結(jié)論

管井降水后，水位線基本低于明槽開(kāi)挖底面，土體含水量減少，提高了土體穩(wěn)定性，使土體產(chǎn)生固結(jié)，防止了主、副斜井明槽開(kāi)挖后的邊、仰坡塌方。采用管井井點(diǎn)降水方案后，主斜井進(jìn)尺300m，掘面在350m處迎頭已基本沒(méi)有涌水，降水效果非常理想，并且將排出的水用于該礦的工程用水和生活用水，同時(shí)解決了水資源短缺的問(wèn)題。