露天煤矿第四系、煤系含水层混合疏干方式的研究

赵亚军，柏 乐

（1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010）

采矿工程

露天煤矿第四系、煤系含水层混合疏干方式的研究

赵亚军1，柏 乐2

（1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010）

通过对单个疏干孔第四系、煤系含水层混合疏干排水方式的研究，总结了此疏干方式优、缺点。采用混合疏干孔进行疏排作业投资少、疏排效果好，适合在我国内蒙古东部、东北部地区的露天煤矿推广实施。

露天煤矿；单个疏干孔；第四系潜水；煤系裂隙承压水；混合疏干方式

Abstract:Through researching the drainage pattern of the single drainage fourth system,mixed drainage of coal aquifer,the article summarizes the advantages and disadvantages of this method.Drainage operation with mixed drain holes has less investment and good hydrophobic effect,which is suitable for implementation in the eastern and northeast areas open-pit coal mines of Inner Mongolia.

Key words:open-pit coal mine;single drainage hole;fourth system diving;confined water in coal seam fissure;mixed drainage way

0 引言

我国内蒙古东部、东北部地区（锡林郭勒盟、呼伦贝尔盟等）大型露天煤矿较多，与内蒙古西部相比较，东部地区雨水丰盈，第四系潜水含水层和煤层裂隙承压含水层涌水量均较大，在露天煤矿建设前及生产过程中均要对地下水进行疏排处理。

目前普遍采用第四系、煤系垂直降水孔群井联合疏干的方式进行地下水处理，但对第四系潜水含水层和煤系承压含水层均分别设置疏干孔进行排水。煤系、第四系单独疏干系统如图1所示。

图1 煤系、第四系单独疏干系统

本次在锡林浩特某露天煤矿施工垂直降水孔排疏干时，采取在煤系疏干降水孔上，对第四系含水层位置也安装了过滤器，进行了单孔疏干井第四系、煤系含水层的混合疏干方式。通过一段时间的疏排，对混合疏干降水孔疏排情况进行了分析，总结了混合疏排的特点。第四系、煤系混合疏干降水孔示意图如图2所示。

图2 第四系、煤系混合疏干降水孔示意图

1 露天煤矿地下水疏排介绍

1.1 水文地质情况介绍

该露天煤矿位处于锡林郭勒草原深处，煤矿内主要的含水层有新生界松散岩类孔隙含水层（第四系潜水含水层）和侏罗系中、下统阿拉坦合力群河湖相碎屑岩孔隙、裂隙含水岩组（煤系裂隙含水层）。

1）新生界松散岩类孔隙含水层（第四系潜水含水层）。呈全矿区分布，其岩性多以砂砾、粉砂、粉细砂、细砂为主，平均厚度32.02 m。但富水性不均匀，差异较大，一般潜水位埋深3～6 m，透水性能好，水量较丰富，单位涌水量为0.25～1.49 L/（s·m），渗透系数达到3.67 m/d，富水性中等～强，水循环条件良好。

2）侏罗系中、下统阿拉坦合力群河湖相碎屑岩孔隙、裂隙含水岩组。岩性以粉、细砂岩为主，粗砂岩、砾岩次之，平均厚度64.93 m。水位埋深为26～43 m，单位涌水量为0.01～0.11 L/（s·m），渗透系数1.21 m/d，富水性弱。露天煤矿水文条件技术参数见表1。

表1 露天煤矿水文条件技术参数

1.2 露天煤矿地下水疏排情况

经过计算，采掘场第四系含水层潜水涌水量为15 560 m3/d,采掘场煤系裂隙含水层承压涌水量为13 350 m3/d。在采掘场周围，共布设了29眼第四系疏干降水孔，布设了30个煤系疏干降水孔；其中在煤系疏干降水孔上的第四系位置也安装了过滤器，形成混合疏干降水孔；第四系单孔的排水量为13.2 m3/h，煤系单孔的排水量35.5 m3/h。 露天煤矿疏干系统示意图如图3。

图3 露天煤矿疏干系统示意图

该露天煤矿的疏干系统技术参数见表2。

表2 露天煤矿疏干系统技术参数

2 单孔第四系、煤系混合疏干的特点

2.1 优点

1）增加了疏干点，提高了疏排效率。在疏干降水孔的第四系潜水含水层和煤系裂隙含水层同时安装过滤器，单孔排水量为第四系涌水量和煤系涌水量的总和（Q排=Q第四系+Q煤系），单孔排水量的增加，增加了疏干点，排水效率明显提高，特别是第四系潜水含水层，正常情况下，单独第四系疏干降水孔依靠潜水泵疏排来降低水位，受钻孔深度的限制，水位降至第四系底板；而混合疏干降水孔，第四系涌水直接汇入下部的煤系含水层，混合疏干降水孔的第四系含水层水位和煤系含水层水位一致，降至煤系含水层底板，所以混合疏干降水孔的第四系含水层水位降低较快，疏排效果高。混合疏干降水孔水位降低漏斗示意图如图4。

图4 混合疏干降水孔水位降低漏斗示意图

2）减少投资。在煤系疏干孔上部安装第四系过滤器混合疏干，即可在该位置减少1眼第四系疏干孔；露天煤矿施工1眼第四系疏干降水孔的主要材料、设备工程量见表3。

表3 第四系疏干降水孔（单孔）施工材料、设备工程量汇总

经过投资分析，单个成井的第四系疏干降水孔从材料、设备、安装、人工等几个方面考虑，第四系疏干降水孔每米投资约2 200元/m，单孔的投资约11万元。本矿共布设了30眼混合疏干孔，经计算，共节约330万元投资，所以对于大型露天煤矿群孔疏干系统可减少大量的投资，其次在施工作业及后期管理时也可节约管理成本。

2.2 缺点

1）作为试验井，实验数据不准确。露天煤矿为了提高生产效率，加快施工进度，在布设疏干系统前不设置专门的勘查水文孔进行试验，而是直接施工疏干降水孔，先加大孔间距进行布置，然后将疏干降水孔做试验性疏干孔，做抽水实验，然后取得的实验数据考虑合适的加密布孔；若对单独的第四系或煤系疏干降水孔进行抽水实验，其数据可靠，能够真实的反应布孔位置的水文情况；但要是将混合疏干孔进行抽水实验，得到的水文参数为第四系潜水和煤系承压水的叠加数据，收集的信息不准确，对于是否加密布孔，及加密布孔的范围计算结果不准确。

2）选择水泵偏大，疏干后期停泵率高。露天煤矿经过一段时间的疏干排水，第四系、煤系涌水量均呈递减趋势，由于第四系潜水含水层厚度、单孔涌水量、影响半径等技术参数均比煤系裂隙含水层的相关参数小，锡林郭勒盟地区日照充足，蒸发量大，第四系潜水含水层的补给量较小，第四系涌水量在疏排后期递减幅度较大，水量减少明显；如果混合疏干降水孔通过抽水实验，选取潜水泵，潜水泵的排水能力偏大，前期排水量较饱和，后期随着第四系潜水涌水量明显减少，导致后期潜水泵的停泵次数增加，对设备的损耗大，操作管理上增加难度。不过目前煤矿采用数字化管理，集中控制系统控制疏干降水孔的启停；为疏干系统的管理提供了便利。

3）施工安装作业复杂。过滤管规格不统一、滤料参数不一致。由于第四系含水层渗透系数大，岩性多为细砂、粉细砂等，地层内颗粒较细小；煤系裂隙含水层渗透系数偏小，多为煤层，颗粒大，所以对第四系和煤系的过滤管要求不同，第四系过滤管要求孔隙较小，煤系过滤管要求孔隙大，制作规范不统一，增加工序，特别是若使用缠丝过滤器，在缠丝过程中及安装过程中容易混淆。而且，由于填孔的第四系滤料和煤层滤料规格不同，第四系滤料颗粒较小，填充在上部的第四系含水层位置，随着疏排的持续，造成上部第四系含水层滤料逐渐的混入到下面的煤系含水层滤料中，首先会导致上部第四系含水层滤料减少，第四系地层裸露，其粉细砂容易混入水中，对潜水泵产生影响；其次由于第四系滤料向下混入，又可能造成煤系滤料堵塞，降低煤系含水层渗透性。

所以在制作、安装过滤管时，应加强施工管理；对第四系和煤系的滤料选取尽可能统一规格或在煤系滤料填充完后，在上部做一段密封填充（即隔水层）然后再填充第四系滤料。

作业工序的增加、容易出现塌孔。混合疏干降水孔在钻机停孔后安装井壁管和过滤管的过程中增加了第四系过滤管的安装工序，由于该地区第四系的砂层较厚，疏干孔在安装过程中较困难，增加了第四系过滤管的安装工序后，造成了安装时间的延长，在安装过程中第四系容易出现塌井现场，所以给钻孔安装施工作业造成了一定难度。在安装混合疏干降水孔的过程中应控制好安装时间，提高施工作业管理水平。

3 结 语

综上所述，若不考虑水文试验，实现集中控制系统，通过合理有效的施工管理，扎实有序的施工作业，在使用垂直降水孔疏排地下水时，采用第四系、煤系混合疏干孔进行疏排作业，能够减少投资，疏排效果显著，特别适合在我国内蒙古东部、东北部地区的大型露天煤矿进行推广实施。

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【责任编辑：陈 毓】

Study of themethod ofm ixed drainage in the fourth system coal bearing aquifer of open-pit coalmine

ZHAO Yajun1,BAI Le2
(1.Mining and Coal College,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China; 2.Mining Research Institute,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China)

TD824.6

B

1671-9816（2017）10-0001-04

2017-05-19

赵亚军（1959—），男，河北昌黎人，教授级高工，教授，硕士，1983年毕业于包头钢铁学院金属矿床开采专业，现在内蒙古科技大学矿业与煤炭学院任副院长，主管实验室工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.10.001

赵亚军，柏乐.露天煤矿第四系、煤系含水层混合疏干方式的研究［J］.露天采矿技术，2017，32（10）：1-3.