自流排滲施工技術(shù)在永平銅礦尾礦庫(kù)的應(yīng)用

羅文明，劉金保，廖志剛

（1.江西省核工業(yè)地質(zhì)局 二六八大隊(duì)，江西 玉山 334700；2.江西銅業(yè)集團(tuán)公司 永平銅礦，江西 永平 334506）

1 引言

尾礦庫(kù)事故類型中，對(duì)環(huán)境影響最大的是尾礦庫(kù)潰壩事故，一旦潰壩，水流攜帶庫(kù)內(nèi)堆積的大量尾礦砂沖向下游，對(duì)下游的村莊、農(nóng)田、交通設(shè)施以及當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成巨大影響。尾礦庫(kù)潰壩的事故概率為9×10-4，屬于很可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)［1］。永平銅礦燕倉(cāng)尾礦庫(kù)于1984年建成并投入使用，建壩30多年來(lái)，已庫(kù)存了1億多m3尾礦，隨著壩體的不斷升高，壩體浸潤(rùn)線也不斷提升，壩體安全受到威脅。尾礦庫(kù)自流排滲工程是降低浸潤(rùn)線和保護(hù)壩體安全的一項(xiàng)非常有效措施。因此，如何經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行地施工自流排滲工程便顯得極其重要。目前，尾礦庫(kù)自流排滲工程使用較多，主要由沉井和排（集）滲管、導(dǎo)水管組成。沉井法結(jié)合現(xiàn)澆逆做法施工工藝適用于砂土等軟土地基且輻射井深度較大的情形，分節(jié)制作、分節(jié)下沉、制作與下沉交替進(jìn)行，能夠更有效的預(yù)防與控制井體傾斜、緩沉、扭轉(zhuǎn)等不利情況的出現(xiàn)；水平排（集）滲管成孔方式主要采用水平鉆機(jī)同步跟管靜壓法，并以鉆孔法作為輔助，再安裝排（集）滲管、導(dǎo)水管［2-6］。與一般尾礦庫(kù)自流排滲工程施工在均質(zhì)土體中有些不同的是，燕倉(cāng)尾礦庫(kù)初期壩由粘土碎石組成且碎石較多并含有中風(fēng)化的大塊巖塊；尾砂較細(xì)，重砂礦物較多，含水量較高且尾砂擾動(dòng)時(shí)極易液化，造成成孔成功率降低；部分成孔要同時(shí)穿透尾砂和突起的中風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化山體，增加了施工難度。本文結(jié)合實(shí)際，研究和總結(jié)了這些特殊工程地質(zhì)條件下的施工工藝方法，以供參考借鑒。

2 工程概況與設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

永平銅礦燕倉(cāng)尾礦庫(kù)子壩最終設(shè)計(jì)標(biāo)高為150m，目前已堆至140m高程。該尾礦庫(kù)為一丘陵及小山環(huán)繞的小盆地，尾礦庫(kù)周邊的埡口多且高程低，由1#主壩和2#、3#、4#、5#四個(gè)副壩圍堵而成，設(shè)計(jì)庫(kù)區(qū)匯水面積2.6km2。

自尾礦庫(kù)建成開(kāi)始，就對(duì)壩體進(jìn)行了多種方法的排滲加固施工。但隨著壩體的逐年加高，以前的一些排滲工程逐漸失效，壩體的浸潤(rùn)線居高不下，2#壩壩腳沼澤化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，給壩體的穩(wěn)定性帶來(lái)隱患［7］。為降低浸潤(rùn)線，江銅集團(tuán)決定在永平銅礦燕倉(cāng)尾礦庫(kù)2#、3#初級(jí)壩體上施工水平自流排滲管井，進(jìn)行新一輪的加固治理工作。

2.2 工程地質(zhì)條件

2#尾礦壩為均質(zhì)粘土壩，壩高14.60m，壩頂標(biāo)高為109.60m，壩頂寬3.0m。庫(kù)區(qū)巖土層自上而下分為填土、尾細(xì)沙、尾粉砂、尾亞砂、尾粉土、尾輕亞粘、尾重亞粘、粘土（壩基土）、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)頁(yè)巖共10級(jí)。

根據(jù)勘察資料和施工現(xiàn)場(chǎng)觀察，2#尾礦（初期）壩實(shí)為粘土碎石壩并含有未風(fēng)化的大塊巖塊，粘土含量少于20%，其余為風(fēng)化砂巖碎石，松散-稍密，水位以下含水豐富。壩底原始地形高低起伏不平坦，突起部分為中風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化的原始山體（圖1），由風(fēng)化砂巖和碎石土等組成。壩中尾礦主要為尾粉細(xì)砂約占55%、尾中粗砂約占12%、尾粉土、尾輕亞粘、尾重亞粘約占33%，尾砂擾動(dòng)時(shí)極易液化。

2.3 工程設(shè)計(jì)

根據(jù)尾礦庫(kù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)上采用集水井和水平排（集）滲管系統(tǒng)降低浸潤(rùn)線加固方法（圖1）。

圖1 尾礦庫(kù)水平排滲工程設(shè)計(jì)剖面示意圖

按照設(shè)計(jì)：在2#壩設(shè)計(jì)2個(gè)集水井，22根呈輻射狀的水平集滲管集結(jié)于井內(nèi)，每根管長(zhǎng)80m，2根將集水井內(nèi)水引導(dǎo)自流出壩外的導(dǎo)水管，長(zhǎng)超過(guò)100m，在初期壩上設(shè)計(jì)了6根水平排滲管，間距10m，每根水平排滲管長(zhǎng)80m，自流出水。集水井井筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，井筒外徑為3.80m，內(nèi)徑為3.20m，距井底2m和4.5m處分別安排一層輻射水平集滲管，管間角度為30°（圖2）。

圖2 2號(hào)壩排滲工程平面示意圖

3 施工設(shè)備

該工程使用的設(shè)備為2臺(tái)江蘇拓海煤礦鉆探機(jī)械有限公司生產(chǎn)的ZDY780型全液壓坑道鉆機(jī)，2臺(tái)DXY120T/2頂管機(jī)和2臺(tái)BW-250高壓泥漿泵，1臺(tái)XY-1型鉆機(jī)，2臺(tái)交流電焊機(jī)等。

ZDY780型鉆機(jī)由液壓站和動(dòng)力頭兩大部分組成。液壓站主要包括電動(dòng)機(jī)、液壓油泵、油箱、操作臺(tái)、高壓油管等組成。動(dòng)力頭主要為液壓馬達(dá)，使用時(shí)將液壓馬達(dá)改裝裝在頂管機(jī)移動(dòng)平臺(tái)上。液壓馬達(dá)最大扭矩為780N·m，最大轉(zhuǎn)速為190轉(zhuǎn)/min。DXY120T/2頂管機(jī)的作用是將套管推進(jìn)或回拖。液壓站提供的高壓油通過(guò)操作臺(tái)控制鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)和頂管機(jī)活動(dòng)平臺(tái)的進(jìn)退。

4 施工工藝

4.1 測(cè)量定位

各工程定位時(shí)按設(shè)計(jì)要求，使用全站儀進(jìn)行準(zhǔn)確放樣，精度達(dá)到《工程測(cè)量規(guī)范》（GB50026-2007）要求。水平排滲管位于壩體背水斜坡面上，間距10m；輻射水平集滲管設(shè)計(jì)位于集水井內(nèi)。

4.2 施工場(chǎng)地

由于水平排滲管位于壩體斜坡上,需先進(jìn)行開(kāi)挖平整場(chǎng)地,且需在每個(gè)鉆孔的位置施工一個(gè)反力裝置。反力裝置為一個(gè)埋深1.8～2.0m的鋼筋砼結(jié)構(gòu)，規(guī)格為長(zhǎng)1.2m寬0.8m高2.8m。為便于安裝排滲管，可在反力裝置中與水平鉆孔同高度的位置留著一個(gè)直徑200mm的水平孔洞。輻射水平集滲管集中于沉井內(nèi)，用腳手架和木板搭建平臺(tái)。

4.3 集水井施工

集水井制作施工：采用沉井技術(shù)，全部在現(xiàn)場(chǎng)分節(jié)進(jìn)行，包括泥土開(kāi)挖、井筒刃腳制安、鋼筋籠綁扎、立模、混凝土澆注等工序。泥土開(kāi)挖采用人工和砂泵排砂相結(jié)合的方法。用泥漿泵排砂時(shí)，可同時(shí)向井內(nèi)注水，防止水頭差過(guò)大引起涌砂量過(guò)多。一般開(kāi)挖深度1.2m左右可澆注一節(jié)。為防止井筒傾斜，可采用先向上游方向預(yù)傾斜1～3°和在井筒內(nèi)下游多挖砂土這二種措施進(jìn)行糾偏處理。

集水井井筒封底：井筒沉至設(shè)計(jì)深度后，一般要超出1～1.5m，井內(nèi)涌砂會(huì)超過(guò)3m，在涌砂面低于設(shè)計(jì)封底深度0.5m左右時(shí)，用一層土工布蓋在砂面上，再用鵝卵石壓0.3m，保持井內(nèi)清水0.7～1m深，再在井內(nèi)澆注水下0.3m厚高標(biāo)號(hào)混凝土。養(yǎng)護(hù)一星期后，進(jìn)行封底的其他工作。

4.4 水平鉆機(jī)設(shè)備安裝

在尾礦壩坡面平整好場(chǎng)地或集水井內(nèi)做好支撐平臺(tái)后，水平鉆機(jī)設(shè)備就位，調(diào)整平穩(wěn)并固定好設(shè)備，將設(shè)備水、電、油爐連接好。為確保鉆孔終點(diǎn)高于始點(diǎn)或在同一水平位置，鉆機(jī)的安裝應(yīng)往上翹3～3.5°角，可根據(jù)鉆孔深度長(zhǎng)短選擇。

4.5 水平成孔鉆進(jìn)

4.5.1 集水井內(nèi)施工工藝

（1）因鉆進(jìn)的土層為均質(zhì)的粉細(xì)砂，因此，采用跟管鉆進(jìn)、管內(nèi)鉆具旋轉(zhuǎn)切削和高壓水流沖洗工藝。

（2）鉆進(jìn)時(shí)Φ127套管跟進(jìn)，Φ89鉆具前端口短于套管10cm，盡量少撓動(dòng)套管外土體，鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)保持勻速鉆進(jìn)。

4.5.2 壩體斜坡上施工工藝

（1）在壩面上鉆孔，首先遇到的是粘土初期壩，土層中主要成分為粘土，常含風(fēng)化粉細(xì)砂巖塊。成孔鉆進(jìn)時(shí)，采用套管跟進(jìn)、管內(nèi)和管外鉆具回轉(zhuǎn)破土和高壓水流沖洗工藝。先用Φ130短鉆具開(kāi)孔3m左右后卸去，再用Φ127×10mm套管同步跟進(jìn)鉆進(jìn)，管內(nèi)用Φ91合金鉆具，鉆頭端口長(zhǎng)出套管3～5cm。

（2）粘土初期壩靠近山體部分，鉆進(jìn)中當(dāng)遇到較大未風(fēng)化的完整巖塊時(shí)，需要改用管外鉆具破除巖塊后，再用先前的方法鉆進(jìn)。

（3）當(dāng)鉆進(jìn)超出粘土壩進(jìn)入尾礦后，管內(nèi)鉆具應(yīng)比套管短3～5cm，并應(yīng)開(kāi)大水流沖洗，直到設(shè)計(jì)孔深。一般鉆孔應(yīng)超出設(shè)計(jì)孔深2～3m，然后同時(shí)抽出鉆具和套管。

（4）由于該工程是全長(zhǎng)80m均為Φ90U-PVC管，尾礦砂段40m為排滲管，沒(méi)有外鋼管保護(hù)，直接放入排滲管成功率非常低，因此，需抽出套管洗凈內(nèi)壁后再沿原孔洞將套管頂進(jìn)到設(shè)計(jì)深度。頂進(jìn)時(shí)，前端需戴一個(gè)錐形密封帽，錐形密封帽可自由脫落，套管回抽時(shí)應(yīng)留在尾礦中。

4.5.3 特殊工程地質(zhì)條件施工工藝

由于場(chǎng)地內(nèi)工程地質(zhì)條件復(fù)雜，有些鉆孔需要依次穿透尾砂、尾砂中突起的山體部分再進(jìn)入尾砂，這部分突起的山體屬于強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化的砂巖和砂巖碎石土等，厚度幾米至十幾米，一般通用鉆具不能使用，需要設(shè)計(jì)一套專用鉆具，使之既可以同時(shí)鉆穿尾砂，又可以鉆穿風(fēng)化山體，同時(shí)還能提高工作效率，節(jié)約成本。

4.6 排（集）滲管安裝

4.6.1 排滲管加工

由于排滲管與集滲管的施工工藝基本一致，以下對(duì)排滲管的描述均適用于集滲管。按現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地可安放的合適長(zhǎng)度（本工程單節(jié)均為2m）鋸好，按要求的孔隙度進(jìn)行鉆眼，兩端各留12cm不鉆眼，以便連接。將管內(nèi)的鉆渣清理干凈，在外面用符合要求的400g/m2土工布包裹，每隔50cm距離用16#鐵絲繞兩圈捆扎，鐵絲的接頭應(yīng)同一方向倒平。土工布應(yīng)預(yù)先按U-PVC管的外徑大小縫制成筒狀，然后將U-PVC管包裹綁扎。第一節(jié)過(guò)濾管前端應(yīng)用土工布綁扎密封，并用10#鐵絲固定好。

4.6.2 安裝排滲管

采用人工放送，計(jì)算好長(zhǎng)度和節(jié)數(shù)，每節(jié)之間用接頭和專用U-PVC膠水連接，并用M4×15自攻螺絲固定。連接時(shí)，注意每節(jié)之間對(duì)節(jié)到位，確保對(duì)接質(zhì)量。由于排滲管有80m長(zhǎng)，其重量加上摩擦力，安放時(shí)越來(lái)越困難，應(yīng)加人手至6人。安放排滲管時(shí)應(yīng)防止土工布破損和滑脫，排滲管安裝到位后，用Φ50鉆桿頂牢固定，防止起拔套管時(shí)將排滲管帶出。

4.7 起拔套管

（1）排滲管安裝好后，就可以起拔套管。開(kāi)動(dòng)機(jī)器，將套管一節(jié)節(jié)拔出，每拔一節(jié)套管，均要裝卸一次頂排滲管的鉆桿。

（2）排滲管安裝能否成功，起拔套管是關(guān)鍵，起拔時(shí)應(yīng)注意連續(xù)作業(yè)，一氣呵成。試驗(yàn)證明，由于起拔套管時(shí)前端的密封帽脫落，尾礦中高壓液化的粉細(xì)砂泥漿水會(huì)瞬即涌入套管和排滲管之間的空隙中可達(dá)5-8m之長(zhǎng)，涌入的砂漿水經(jīng)過(guò)土工布過(guò)濾后，迅速固化干結(jié)，產(chǎn)生巨大的摩阻力，使排滲管與套管之間不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，排滲管會(huì)伴隨套管一起拔出而使排滲管安裝失敗。在排滲管安裝施工的前期，由于未能有效防止泥砂涌入套管與排滲管之間的空隙而致使大量成孔報(bào)廢，成孔成功率極低（不到20%）。

（3）經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)總結(jié)后，在套管與排滲管之間設(shè)計(jì)使用了一個(gè)專用防砂套，可以在起拔套管時(shí)有效防止泥砂進(jìn)入套管與排滲管之間的空隙。使用專用防砂套后，安裝成孔成功率 達(dá)到了100%，所以，防止尾礦砂漿水進(jìn)入套管與排滲管之間的空隙至關(guān)重要。

5 排滲效果

水平排滲管施工成功后，初期均有半管到四分之三管清水流出，有兩個(gè)排滲管滿管排出，每天每管出水量在50t以上。

據(jù)礦山尾礦庫(kù)管理人員觀測(cè)，初期一個(gè)月內(nèi)，浸潤(rùn)線下降最大幅度達(dá)4.20m之多，效果非常明顯，一年半之后，仍有多管排水量在四分之三管，原尾礦壩腳沼澤化現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。

6 結(jié)論

（1）尾礦庫(kù)壩體斜坡水平鉆進(jìn)施工時(shí)，如果要鉆穿粘土初期壩、尾砂甚至?xí)龅轿达L(fēng)化的較大巖塊時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件更換鉆具，采用不同的鉆進(jìn)工藝。

（2）當(dāng)鉆孔需要同時(shí)鉆穿尾砂和突起的風(fēng)化山體土層特殊工程地質(zhì)條件時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)使用一套專用鉆具，可以明顯提高施工效率，加快施工進(jìn)度和節(jié)約成本。

（3）長(zhǎng)距離排滲管安裝和起拔套管時(shí)，采取專門措施防止泥砂進(jìn)入套管與排滲管之間的空隙是極其重要的，能夠顯著提高成孔成功率，提高施工工藝水平。

［1］聶志丹, 劉劍, 陳平, 等.尾礦庫(kù)潰壩環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法實(shí)例研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2014, 37(120):550-554.

［2］汪拾金. 榆木溝尾礦庫(kù)自流式輻射井排滲系統(tǒng)施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程）, 2017, 44(4):56-60.

［3］劉太政,趙競(jìng),崔忠良,等.輻射井自流排滲技術(shù)在尾礦壩除險(xiǎn)加固上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè), 2011, 506(6):95-98.

［4］郭建偉, 黎劍華, 劉優(yōu)平, 等.尾礦壩排滲輻射井施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2017, 36(1):56-59+102.

［5］阮茂盛, 奚興富, 周晨晨, 等.輻射井技術(shù)在尾礦庫(kù)降排水工程中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）, 2016, 43(4):72-75.

［6］趙軍營(yíng),何鐵偉.水平-豎直孔聯(lián)合自流排滲在某尾礦庫(kù)治理中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù), 2014(6):39-42.

［7］陳星, 劉發(fā)清, 朱遠(yuǎn)樂(lè), 等.尾礦庫(kù)土石初期壩坡面沼澤化治理措施[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2016, 33(3):122-126.