普阳煤矿排土场全基岩隧洞疏水措施

2022-10-04毛永祥何以剑

露天采矿技术 2022年5期

毛永祥，何以剑，王然，王胆

（1.昆明煤炭设计研究院，云南昆明 650000；2.云南先锋煤业开发有限公司，云南昆明 650000）

云贵高原群山环绕，地势陡峭，群山之间大多形成狭窄的冲沟，但在合理的运输距离范围内，可供选择的理想排土场并不多。因此，提高排土场边坡稳定性，可增加排土容量，带来显著经济价值，且煤矿对排土场的安全负有终生责任。经验表明，水对边坡的影响巨大[1]。南方露天矿雨季降雨集中，而排土场中排弃物料大多为黏性土，对水吸附力强[2]，一旦出现疏排水工程失效，容易在压脚区积水，对安全生产带来挑战[3]。

对于排土场边坡的疏排水措施，以往大多集中于疏干孔等抽排手段。于鹏等[4]在分析了胜利露天煤矿水文地质资料的基础上，采用地面疏干降水孔的方法对矿区地下水进行疏干，并分析了其可行性；马熹焱[5]研究了抚顺西露天矿的实际情况，采用水平疏干排水方式对矿区进行疏干排水，降水效果明显；宋景辉等[6]分析了小龙潭矿务局新邓耳排土场水文地质特点，采用贴坡疏排水的措施，疏干效果良好；王卫卫[7]在内蒙古某露天煤矿矿床疏干研究中提出运用矿床疏干、采坑排水、地面防水联合降水；杨丽萍[8]对伊敏三号露天煤矿疏干排水工程提出了降水孔和地面截排水方案；吴建等[9]对于疏干条件下隧洞涌水量及衬孔隙水压力的变化规律进行了研究；施成华[10]推导了隧道开挖疏水渗降漏斗曲线方程和考虑水渗流作用的隧道周边岩土体中有效应力的计算公式。由此可见对于地下水天然疏排措施的还研究得较少。

1 工程概况

研究区属于一溶蚀谷地，场地总体上呈近南北向展布，东、西、南三面为溶蚀中山，自然地形坡度8°左右。排土场自1989 年运营至今，堆填形成了20 个水平台阶，总排弃高度达225 m，总排弃量达4 000万m3。排土场安全等级为一级。

排土场原始地形分布有第四系淤泥质黏土层（层厚2.60～10.40 m，平均厚度6.48 m）和残坡积层黏土（层厚0.70～10.10 m，平均厚度3.83 m）。而人工排土层厚度一般小于40 m，黏土含量高，力学强度低。排土场区域地下水总体向北部径流、排泄。补给水源主要为大气降水的入渗补给和下伏基岩中承压水的渗透补给，2 个补给水源相遇后沿原始地形的沟谷向北水位低的溶洞、裂隙径流排泄。

排土场曾于1994 年、2007 年发生的2 次滑坡，均是由于集中降雨后，大气降水及排土场下伏基岩岩溶承压水对填土段不断补给造成。排土场底部排水暗涵已破坏，845 m 水平以下排水不畅积水，排土物料受水软化造成的滑坡。滑坡变形又进一步破坏已有排水设施，加剧排土场底部积水。排土场底部积水的危害主要表现在：①浸泡软化边坡土体，降低边坡土体强度，②产生水压力增大边坡土体下滑力，引发滑坡。根据某勘察公司2019 年11 月27 日—2020年1 月22 日旱季期间对排土场坡脚地段的水位观测，测得地下水积水范围面积约为0.158 km2（该区的大小随地下水位的升降而发生变化），在点821.57～822.29 m 水平和806.32～807.21 m 水平之间均呈线状分布渗出。可见排土场底部地下水较为丰富，坡脚地段地下水积水严重。

2 排土场底部积水区疏干措施

2.1 疏干措施方案

针对排土场填土层潜水，传统的垂直疏干难以得到长期稳定持续有效的疏干效果，主要是由于该排土场基底承压水富水性、岩溶裂隙发育不均匀，且填土层堆积物成分、密实度不同，导致填土区含水性变化大。为了降低地下水位，矿山需频繁启泵排水，运行过程中疏干孔容易出现过涌砂堵孔、损坏水泵设备等情况，加大了垂直降水孔疏干的管理维护难度及费用。

另一种常见的疏干措施有昂斜钻孔疏干，该方式在排土场边坡台阶坡角处，通过钻机向排土场钻凿微向上倾斜（约3°～10°，考虑排砂的最低要求）的钻孔，可使排土场地下水通过该钻孔自流淌出。根据排土场积水情况，计算出排除排土场底部积水需要施工的单个疏干钻孔长约260 m。目前国内昂斜疏干钻孔最大深度100 m，超过100 m 施工困难。昂斜疏干孔不仅施工长度短，还仅能对排土场较低坡脚地带地下水进行疏排，无法覆盖大部分积水区，疏干效果有限。

经分析，排土场积水主要由下伏基底承压水补给造成，若能考虑在基岩中实施疏干隧洞，一方面可降低地下水位，达到快速排水目的，也可实现快速施工，满足低成本维护需求。

2.2 全基岩隧洞疏水措施特征及技术参数

本方案隧洞全部在基岩内开挖，即隧洞水平全长596.76 m，全部建在中风化灰岩中，且位于潜在滑动面下不小于7.12 m。隧洞不受排土场变形、滑坡的影响。

1）隧洞疏干水文地质。基岩疏干隧洞布置在基底薄菜田组灰岩内，结合已有的排土场基底水文地质资料，疏干隧洞采用呈单线列的承压转无压完整井型水文地质计算模型，预测隧洞涌水量及降落曲线。经计算，隧洞涌水量为956 m3/d，当该灰岩地下水被隧洞疏干之后，降落曲线也将变得更加平缓而贴近底板隔水层直至消失。

2）疏水隧洞断面大小及支护形式。隧洞入口段其下覆基岩为基底薄菜田组灰岩，属Ⅲ～Ⅳ围岩。在平面定线确定后，可通过调整隧洞入口段标高及起始段纵坡，使得隧洞尽早落至基岩。经公路科学院合理化公式计算，确定疏水隧洞横断面尺寸为净宽4.00 m、净高2.50 m 的半圆拱断面。隧洞支护形式，采用锚喷支护，锚杆长2.0 m，间距1.0 m，80 mm 厚喷射C35 砼。前后洞口段长分别为15 m，采用钢筋混凝土衬砌。

3）疏水隧洞放水孔布置。全基岩疏水措施需配合放水孔，才能够实现对排土场的地下水疏干，选用短机身全液压坑道钻机。由于放水孔出水口向下，故能够长期持续稳定的疏干上部填土层积水。考虑到薄菜田组灰岩含水层富水性、岩溶裂隙发育的不均匀性，为了尽可能减少该层承压水向排土场排弃物料补给，削弱其对排土场底板的上顶推力作用，布置疏干隧洞的同时，在每个专用放水硐室处的隧洞横向两侧侧壁上各设置2 个斜向放水孔，在每个专用放水硐室处的巷道底板上设置1 个垂直放水孔，用以沟通灰岩导水裂隙通道，加强隧洞对灰岩含水层的疏干排水效果。根据灰岩风化程度可暂不设置孔口管。

4）建立地下水位观测网。矿山可利用已有的垂直降水孔或新设置地下水观测孔。若观测孔存在涌砂堵塞，煤矿应尽快对涌砂堵塞的钻孔进行修复，形成完整的地下水动态观测网，以便掌握现有疏降水条件下的地下水位变化规律。

5）疏水效果评价。经过对土工试验成果的分析，在试验方法、土样类型相似条件下，土体饱和固结快剪指标约为天然固结快剪指标的0.5～0.75；饱和快剪指标约为天然快剪的0.5～0.75。因此，排土场底部在疏干后边坡土体抗剪强度，可在饱和抗剪强度的基础上提高33 %～100 %。根据推测的排土场底部疏干后边坡岩体抗剪强度指标，选取典型剖面对排土场疏干后达到预计的90%疏水效果，即排土场底部基本不存在积水，及仅能达到疏水效果的80%、70%、60%等不同疏干效果情况下，对现状及最终排弃边坡稳定系数进行了验算。边坡稳定计算结果见表1。通过稳定性计算可知，疏干效果达到90%时，边坡稳定系数可满足GB 50197—2015《煤炭工业露天矿设计规范》边坡稳定系数不小于1.2 的要求。