水平疏干孔在露天采坑防治水中的应用

陶政栋

(新疆紫金锌业有限公司， 新疆 乌恰县 845450)

地下水对露天采坑的安全生产带来比较大的影响，如果地下水治理措施不当，一方面工作边帮将出现坡面涌水现象，影响边帮的稳定性，导致局部滑坡；另一方面由于地下水水位较高，导致台阶炮孔涌水，将增加爆破费用，影响爆破效果，因此，露天采坑地下水治理工作尤为重要[1-4]。在露天采坑地下水治理过程中多以疏干为主，而水平疏干孔因其布设灵活，施工简单，费用低廉而得到广泛应用，是最为直接有效的水害防治措施之一[5-6]。

1 研究区水文地质

矿山位于一向斜水文地质单元，地形东高西低，北高南低，整体呈马蹄状，矿床属于典型的海底喷流沉积-热液改造型铅锌矿，具有明显的地层控矿特征。矿山采用露天开采，设计开采标高为2300～1700 m，设计开采规模为1×104t/d。截至2021年4月，露天开采已形成东西长约2500 m，南北宽约980 m，深约400 m的露天采坑，最低台阶2014 m标高已低于最低侵蚀基准面标高（2045 m），矿区成为该区域的地下水排泄区域。

1.1 矿区含水层

（1）第四系孔隙含水层。主要为残坡积层、阶地、洪积扇及河床洪积层的砾岩、砾石、砂和黏土等堆积，零星分布于河谷左右岸的坡顶及北部高陡斜坡处，位于当地侵蚀基准面以上。岩性由冰碛、冰水堆积的砂土、砾石、卵石和漂石组成，磨圆度呈次圆状至滚圆状，分选性差至中等，孔隙发育，透水性强，为透水不含水层。

（2）渐新统砂岩裂隙含水层。为矿体的间接顶板，中厚层状构造，主要为石英、长石，岩性为灰至灰绿色，岩心较完整，局部破碎，胶结性差，均为构造破碎带脉状含水带。该层渗透系数为0.0045 m/d。根据露天采坑水文地质调查，露天采坑2104 m和2089 m台阶在7～15线之间裂隙发育，2104 m、2089 m台阶炮孔和2089 m台阶工作边帮均发生涌水现象，2089 m台阶工作边帮坡面涌水量约为15 m3/h，表现出中等富水的特性，该区域为矿区碎屑岩裂隙含水层向矿坑充水的主要含水区段。

1.2 矿区隔水层

（1）古新统石膏、泥岩隔水层：为矿体顶板，岩性泥岩夹石膏、泥岩，呈青灰色、瓦灰色、紫红色，泥质结构，薄至中厚层构造，成分为黏土类矿物。该层岩心以长柱状为主，岩心完整，属隔水层。

（2）上白垩统泥质粉砂岩隔水层：为矿体底板，淡红色泥岩、泥质粉砂岩，岩心完整，属隔水层。

1.3 矿区补径排条件

天然条件下，大气降水和冰雪融水补给区域地下水。矿区向斜水文地质单元整体呈马蹄形，西北和西南部高，东南部低，地下水一般由西向东南部径流，局部以泉的形式排泄，旱季时地下水位下降，局部接受地表水补给。矿区露天开采改变了区域地下水流场，采坑区域由地下水径流区转变为地下水排泄区，成为了向斜水文地质单元的主要排泄点，而且随着采坑采掘深度和面积的逐步增加，矿区对区域的地下水影响范围也增大。

2 水平疏干孔方案模拟分析

2.1 水平疏干孔方案

在露天采坑2089 m台阶的7～15线之间裂隙脉状富水区域宽度约为100 m，坡面上集中涌水，涌水量约为5 m3/h。在2089 m台阶针对集中涌水区采用垂直构造面方向的水平孔直接疏放该脉状富水区域，孔间距取30 m，孔深为50 m，仰角为5°，鉴于工作边帮为临时疏干工程，故采用裸孔疏干。

2.2 数值模拟分析

2.2.1 模型构建

数值模拟以建立地质体物理模型（地质体）为基础，数值分析结果的可借鉴性很大程度上取决于模型建立的正确性和参数选取的可靠性。根据乌拉根铅锌矿水文地质条件和疏干方案，为保障模拟结果具有代表性，针对台阶疏干构建水文地质概念模型，利用截水沟模拟分析水平疏干孔疏干效果。根据矿山露天开采参数，取模型高度为15 m，同时依据矿山含水层水文地质参数取模型长×宽=200 m×200 m，将模型垂直方向上划分为一层，水平方向上划分为1600个网格。

采用地下水动力学中达西定律和连续性方程对矿区的水文地质模型进行描述。

2.2.2 水文地质参数设置

疏干孔利用地下水数值分析软件中的截水模型模拟，布设在模型下部，垂向上设置高度为钻机机高1.5 m；模型上部为进水边界，矿山露天采坑台阶高度为15 m，根据已施工的2089 m台阶施工的垂直炮孔水位观测资料，2089 m台阶在7～15线之间的脉状含水区域的垂直炮孔多呈满水状态，即以台阶底部为起始点计算时，该区域的地下水水位高度为15 m，同时模型边界设置在疏干范围以外，因此，取定水头为15 m。根据矿山地质勘察期间的抽水试验资料，砂岩含水层的平均渗透系数为0.0045 m/d，具体布设如图1所示。

图1 边界及工程布设

2.2.3 疏干效果模拟分析

通过软件建立的单台阶地下水三维模拟模型的地下水稳定流三维计算分析得出，疏干孔的总涌水量为38.7 m3/d，疏干后的地下水流场如图2所示。从图2可以看出，疏干孔控制范围内的地下水水深由15 m下降至1.5 m左右，疏干孔10 m范围左右地下水水深由15 m下降至5 m以内。2089 m台阶的地下水位多数控制在2.5 m以内，水深下降幅度达到80%以上，疏干效果明显。

图2 地下水疏干模拟效果

3 实施情况

2021年4月19 日，依据水平疏干孔设计方案，在采坑2089 m台阶7～15线的脉状含水区域采用SKD150电动潜孔锤（机高1.5 m）施工水平疏干孔，水平疏干孔仰角为5°，开孔孔径为128 mm，开孔5 m时变径一次，终孔孔径为108 mm。2089 m台阶7～15线的脉状含水区域宽度为100 m，共布设3个疏干孔，为了提高疏干效果，边界疏干孔分别位于脉状富水区域内5～10 m处，具体根据施工现场的条件确定，疏干孔的孔距控制在30 m左右。

露天采坑台阶的单次爆破宽度为45 m，为了尽快降低爆破区域的地下水水位，水平疏干孔的深度应超过拟疏干范围，结合相关矿山的经验，水平疏干孔应超过疏干范围约10 m，因此，3个疏干孔的施工深度应大于55 m。根据现场场地、边帮围岩稳定性及钻孔涌水情况等条件，实际施工疏干孔深度分别为58 m、62 m和56 m，累计施工深度为176 m，各孔的涌水量分别为15 m3/d、13 m3/d、12 m3/d，共计40 m3/d，与单台阶水文地质模型稳定流预测涌水量（38.7 m3/d）基本一致。如图3所示，水平疏干孔施工后地下水基本从水平疏干孔流出，工作边帮集中涌水现象消失，通过水平疏干孔疏放台阶地下水10 d后，工作边帮基本呈干涸状，说明疏干区域的地下水水位已大幅下降至疏干孔标高处。

图3 水平疏干孔实施效果

在2089 m台阶7～15线的脉状含水区域疏干10 d后，根据施工的垂直炮孔实测地下水水位统计结果，2089 m台阶7～15线的脉状含水区域的炮孔地下水水位基本控制在深度13 m以下，即从台阶底部计算时，水位高度约2 m以内，与单台阶水文地质模型预测的2.5 m以内基本一致，符合数值模拟结果，说明水平疏干孔有效治理了工作边帮涌水情况，改善了作业条件，提高了矿山安全生产效率。

4 结论

（1）采用单台阶水文地质模型，模拟分析了2089 m台阶水平疏干问题，预测了水平疏干孔的涌水量和疏干效果，有效地指导了疏干孔布设和实施，对水平疏干方案的成功实施具有良好的指导作用。

（2）针对露天采坑2089 m台阶工作边帮涌水影响安全生产问题，采用了水平疏干孔的治理方式，有效降低了工作边帮地下水位，解决露天边帮涌水及台阶炮孔涌水问题，改善了作业条件，提高了矿山安全生产效率，对类似矿山具有很好的借鉴作用。