辐射井疏干技术在露天矿地下水疏干中的应用研究

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(1.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京210046； 2.马钢集团南山矿业有限责任公司，安徽马鞍山243033)

辐射井疏干技术在露天矿地下水疏干中的应用研究

唐钊1，朱国荣1，王维勤2，洪振川2，王丛林2

(1.南京大学地球科学与工程学院，江苏南京210046； 2.马钢集团南山矿业有限责任公司，安徽马鞍山243033)

现有的井群疏干、地下巷道集中排水、地表地下联合疏干方法都已比较成熟有效，但当矿区的地下水系统由非均质各向异性、低渗透性含水介质组成时，井群疏干受到低渗透性含水层和高倾角裂隙的制约，无法达到良好的疏干效果。地下巷道集中排水方法一次性工程投入很大，含水层富水性极度不均时易造成许多不必要的浪费；地表地下联合疏干方法的地面部分对矿坑边坡安全和采场作业都会造成一定的影响。结合马钢集团南山矿业公司高村露天铁矿的地下水疏干技术研究专项，调查分析了矿区地质和水文地质条件，含水介质特点及含水层富水特征，借助GMS软件建立了高村矿区地下水水流模型，提出了辐射井疏干技术的设想，并依据前人提出的“渗流-管流耦合模型”模拟辐射井，完成了此类矿山的地下水辐射井疏干方法的初步研究。

辐射井；渗流-管流耦合模型；GMS软件；地下水疏干；高村铁矿；安徽马鞍山

0 引 言

辐射井是由一大口径的竖井和以竖井为中心向四周辐射的水平集水管组成。其工作原理是地下水沿水平集水管汇集至竖井中再集中抽出(张治晖等，2002)，同水平集水巷道一样具有很强的集水优势。

早在20世纪30年代，水平辐射井技术就开始应用于油气藏的开采，其成井技术及工艺方面的研究也渐趋成熟,美国页岩气快速发展的关键与辐射井钻井技术的突破是密不可分的(黄玉珍等，2009)。水平辐射井在水文地质工作中的应用有：在国外环境污染治理中较多应用，尤其是浅层地下水污染物的治理(何庆成等，1999)；张治晖等(2002)关于辐射井在开发黄河滩地浅层地下水的研究中，关于辐射井的成井技术、井深选择及水平集水管的布置等作了详细阐述；李书涛等(2004)通过对比管井与辐射井在尾矿坝排渗中的模拟应用，得出了辐射井比管井更有利于降低坝体浸润曲线的结论。

关于辐射井理论上的研究，直到近年来辐射井成井技术的成熟及其在工程中的成功应用后才日见热门。Tarshish(1992)提出水平辐射井给、排水情形下的地下水数学模型；Falta(1995)给出了相关的解析解；Zhang等(2001)给出了关于承压、非承压含水层中三维非稳定流的解析解;陈崇希等(2007)开发了一款地下水模拟专业软件PGMS，这款软件以“渗流-管流耦合模型”的三维达西-非达西流来刻画井孔-含水层系统，解决了传统渗流模型井孔边界处理的难题，使辐射井的模拟研究具有很好的应用前景。

对高村矿这样的大型基岩深度开采的露天矿山应用辐射井疏干的相关文献目前还没有，但考虑到辐射井疏干子系统可根据含水层的富水特征灵活布置的特性，将辐射井应用于类似条件矿山是有可能实现的。结合高村铁矿的具体情况，探讨在基岩裂隙含水层中大降深条件下水平辐射井方案的可行性。

1 概 况

高村铁矿隶属马钢集团控股有限公司南山矿业公司，位于马鞍山市雨山区向山镇北东约2.0 km处(图1)。高村铁矿是一大型露天磁铁矿床，全矿床总计资源储量2.2亿t。在实际生产过程中，矿区地下水引起的生产安全、生产效益、地质灾害、环境污染等问题日益突出,这在国内其他矿山开发中同样是一大技术难题(黄敬军，2002)。本次研究以保证高村露天采场的安全生产为前提，探讨适合矿坑地下水疏干的方法和工艺，以期达到提高生产效益的目标。

1.1 水文地质特征及数学模型

矿区处亚热带湿润季风气候，区内的慈湖河由于河床底部广泛分布芜湖组(Qhw)淤泥质黏土层，河流与地下水不存在明显的水力联系，故本次研究未把地表河流的影响考虑在内。研究区主要分布白垩系下统大王山组(K1d)火山岩系，以安山岩、凝灰角砾岩、安山质火山碎屑岩为主构成基岩裂隙含水层(图2)。在一定的深度(155～300 m)，基岩裂隙被石膏脉充填形成底部隔水底板，上部上更新统下蜀组粉质黏土构成局部隔水层。在人类活动影响下，局部隔水层的破坏及矿山地下水疏干使原来的承压区向无压过渡，总体表现为无压与承压交替分布的特点。

图1 高村铁矿交通位置示意图

图2 高村地区地形图及水文地质图

区内西北平原区无天然边界，因此研究区流场处理为一类给定水头边界，西部南段有石膏脉填充，处理为隔水边界，其余各边界由山脉分水岭组成天然零通量边界。因此，研究区可概化为非均质各向异性无压-承压混合地下水非稳定流模型。其数学表达如下式。

(1)

式(1)中，Ω为求解空间;t为时间;h为水头;ho为已知水头分布函数;hi为第一类边界的已知水头分布;qi为第二类边界的已知通量;Γ1、Γ2为空间域Ω的边界;Ki为渗透系数;Ss为单位储水量;w为单位面积含水层垂直方向水量交换量。

1.2 高村矿防、排水现状

高村矿自2010年开始开采以来，一直以简单的地面临时水仓的方式将涌出矿坑的地下水集中排入附近的地表水体。随着开采深度的增加，边坡中地下水的水力坡度不断增大，加上降水时间上的不均匀性将引起较大变幅的动水压力，开采施工采用的爆破方式易引起一定范围内的震动，诸多因素长期作用下对边坡的稳定性构成极大威胁，特别是第四系厚度较大的地段。现有的研究成果(孔祥龙等，2008)在关于内蒙古锡林浩特“胜利一号”露天矿边坡问题的讨论中提出：对于低渗透性的含水层，疏干井疏干能力受到制约变得很弱，无法有效将降落漏斗展开。临时水仓不是长远之计，传统的疏干井疏干效果堪忧。

2 可行性研究

2.1 疏干效果的控制因素

图3 高村矿区节理玫瑰图

疏干效果的控制因素有内因与外因两方面。内因主要是含水层岩性及区域构造条件的影响。为此进行了节理裂隙统计，结果显示矿区范围内没有较大的断裂构造，节理走向主要有NE45°～55°和NW285°～295° 2组，以NW310°～320°走向的节理具有显著导水性(图3)，为地下水的储存与运移提供了良好的条件，也是研究区地下水的主要流向。图4示意了1.0 m2统计区内相同的裂隙密度条件下，相同长度竖井钻孔和辐射井水平井管穿透的裂隙数。不难发现，水平辐射井能连通更多的导水裂隙，故其集水能力远大于垂直钻孔，而且在与地下水的接触面积上更有利，水力坡度越大，这种优势越突出。

图4 单位面积垂向(a)与水平(b)集水构件轴线穿越节理示意图

由降水量的季节性变化引起的动水补给不均匀是影响高村矿地下水疏干效果的主要外部因素。高村矿在长期开采下，大气降水在部分基岩裸露区域直接对地下水进行补给，矿区排水量呈季节性变化。

由于研究区的渗透系数较小，最大单井出水量大多在100～200 m3/d之间，按历年最大月排水量58万m3计算，需安排疏干井近100口，这还未考虑裂隙含水层空间发育的各向异性。而水平辐射井对裂隙的空间分布的不均匀性不敏感，且在集水效益方面较竖井具有更大优势，降水的季节性变化也不会对它产生大的干扰。

2.2 辐射井疏干工程布置

高村采场第一期规划在现有-54 m开采平台基础上向下延深至-186 m，规划采掘平台10个，至2028年竣工。由于是基岩裂隙含水层，竖井的深度可以打浅一些，按不超过50 m考虑。因此将疏干工程分2个阶段完成：第一阶段竖井井口位置-66 m，井底高程-132 m；第二阶段竖井井口位置-126 m，井底高程-194 m(图5)。

图5 高村采场辐射井分期工程布置示意图

就疏干效果来看，水平辐射井的集水原理同水平巷道一样，尽管水平集水效果略逊于后者，但工程投入会少一些，采用分阶段疏干方案分期投资的方式更减轻了企业的资金压力。从安全角度来说，辐射井的水平管部分不存在因含水层岩性松散或突水等因素引起巷道坍塌等人身安全问题，因此比巷道更具安全保证。资料表明：高村采场的西南帮是矿坑最富水的地段，该处已经因地下水水害影响了生产。辐射井疏干子系统可以在类似地段重点布置，而在富水性较差的地段少布置甚至不布置，这充分体现了辐射井较强的灵活性。

3 数值模拟与计算

3.1 渗流-管流耦合模型

近年来，由于辐射井钻井技术的提高，辐射井的应用领域也从石油工业拓展到水文地质领域，但相关理论研究鲜有报道，这是因为传统的地下水渗流模型将井壁作为均匀水头边界或等势汇边界的做法不符合实际，也无法处理井管中地下水从渗流过渡为管流的流态变化。为解决这个难题，陈崇希等(2004，2008)先后提出渗流-管流耦合模型的构想，该构想把管流部分等价为渗透系数很大的透镜体，并在管流引入形式上符合达西定律的“等效渗透系数”，从而将水平井管的边界问题转移为竖井出水口的内边界问题，其关键在于“等效渗透系数”的确定。

从水力学角度分析，可将紊流的5个流态分区的运动规律统一为达西定律：

V=KeJ

其中：

Ke=

(2)

式(2)中,J为水力坡度;γ为流体容重;μ为流体动力黏度；u为管内平均流速,m/d;f为摩擦系数;g为重力加速度,m/d2。

陈崇希的“渗流-管流耦合模型”和“等效渗透系数”在理论上较Hantush及Neuman的将观测孔中的水头降深视为滤水管中各点的平均降深来得更具真实性，并在2003年与詹红兵合作完成了“渗流-管流耦合模型”的砂槽实验及一些实例应用，前后花了近10年时间证实了该理论的可靠性。

3.2 模拟与计算

本次研究借助GMS软件中的MODFLOW模块，以马鞍山地区50%降雨保证率(1 007.40 mm/a)作为预测时段降雨补给速率，建立高村矿地下水疏干预测模型。模型区域面积29.985 6 km2，剖分网格100×100，有效网格5 628，渗透系数范围0.000 05～0.1 m/d, 给水度范围0.005～0.24(图6)。

图6 高村采场地下水位流场图

井群与水平辐射井对比疏干排水，要求采场的地下水水位预测从2014年-54 m降到2028年-186 m为一期规划，每2年为1个应力期;二期规划要求到2033年将水头降至-270 m，计1个应力期。图6计算结果显示：在确保达到规划水位的前提下，2种方案预测平均日排水量均在1.6万m3左右，即9个水平辐射井的疏干能力等价30个竖井的疏干能力，辐射井的单井疏干能力是竖井的3.33倍。Seines等(1994)在研究薄层储油层中辐射井的应用时有数据显示：单个辐射井的有效出油量是相同水平竖井的4倍，与此次得出的结论较相近。

4 结 论

根据高村矿基岩裂隙含水层建立了高村地区的地下水数学模型。以矿区安全生产为保证前提，考虑到现有的临时水仓疏干模式在长远来看具有很高的风险，新的高效益的疏干模式呼之欲出。高村矿二期规划水位降深至-270 m，这类基岩裂隙疏干及高边坡问题一直是矿区疏干的热难点问题。高村矿地下水疏干主要受大气降水及区域构造两方面影响，从这两方面着手，详细分析了辐射井在高村矿应用的可行性，并列举了辐射井在高村矿疏干中的优势，提出了辐射井分期疏干的方案，勾画了工程布置图。

以陈崇希提出的“渗流-管流耦合模型”理论为依据，借助GMS软件模拟了辐射井疏干方案在高村矿中的应用。该理论突破了传统上将井管壁描述为等水头边界或等势汇边界的假设，将辐射井水平井管部分模拟为具有较大渗透系数的含水介质，从而使辐射井在具体实例中的数值模拟成为可能。本研究模拟结果同时表明：单个辐射井在疏干效益方面约3.33倍于单个竖井。

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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；编辑：陆李萍

国家自然科学基金项目(41372235)、马钢集团项目(ky-2012-4)资助

唐钊(1988— )，女，硕士研究生, 水文学及水资源专业，E-mail：952584784@qq.com

P641.4

：A

：1674-3636(2014)04-0638-06