反循環(huán)疏干淺井在輪斗連續(xù)系統(tǒng)效率提升方面的應(yīng)用

趙 亮，祁利民，閆立峰

（扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200）

扎哈淖爾露天煤礦于2009年開始引入德國塔克拉夫公司生產(chǎn)輪斗連續(xù)系統(tǒng)，輪斗連續(xù)系統(tǒng)2013年底完成安裝，2014年底完成重載試運行，并在2015年4月份正式投入生產(chǎn)運行。輪斗連續(xù)工藝系統(tǒng)由1臺輪斗挖掘機、5條帶式輸送機和1臺排土機組成。輪斗挖掘機生產(chǎn)能力為6 600 m3/h，排土機和帶式輸送機的生產(chǎn)能力為7 900 m3/h。生產(chǎn)過程是由輪斗挖掘機采掘，經(jīng)5條帶式輸送機至排土機排棄，帶式輸送機全長7.3 km，帶寬2 m，帶速5 m/s。排土場采用扇形排棄，工作平盤最大寬度為115 m。

輪斗挖掘機應(yīng)用于剝離采場內(nèi)地表第四系巖層。第四系上部由黃色、黃褐色及淺灰色中、細砂組成，成分主要為石英、長石，局部含少量火山巖礫。中部為黑色湖泊沼澤相淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土構(gòu)成，具可塑性，含螺化石碎片，有腥臭味。下部由黃褐色-淺灰色黏土、含黏土的沖、洪積砂礫石（泥礫）構(gòu)成，砂成分主要為石英、長石，礫石成分為火山巖、變質(zhì)巖，次菱角狀，分選中等，巖體結(jié)構(gòu)較為松軟適合輪斗挖掘機作業(yè)。

根據(jù)地質(zhì)資料顯示礦區(qū)第四系為含水層，巖性以淺黃色細砂為主，含少量礫石，礫石直徑一般為3～10 mm。地下水位一般2～10 m，為孔隙潛水。富水性中等，鉆孔單位涌水量0.175～0.530 L/（s·m），滲透系數(shù)為0.05～7.38 m/d。地下水水力坡度一般約為0.5 %～1.0 %。含水層厚度一般為2～20 m，其變化規(guī)律為南部、西部厚度較大，一般為10～30 m，富水性較好，北部及東部較薄，一般為5～13 m。該含水層地下水的主要補給來源為大氣降水，其排泄方式主要為地下水徑流和入滲補給下伏弱滲透含水層，其次為蒸發(fā)作用。

扎哈淖爾露天煤礦北幫邊坡（工作幫）面臨著第四系淺層地下水的困擾。在地下水的作用下，114機道一側(cè)的北幫邊坡出現(xiàn)眾多地下水涌水點，并發(fā)生邊坡局部坍塌、砂層涌砂的現(xiàn)象，在工作平臺低洼處匯集大量地下水，直接影響輪斗剝離工作的正常運行；在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中，為了滿足輪斗連續(xù)系統(tǒng)對作業(yè)場地的技術(shù)要求，受地下涌水浸泡形成的淤泥需利用剝離設(shè)備進行換填，每年發(fā)生的清理淤泥量為80萬m3，發(fā)生費用約800萬元。在2017年反循環(huán)疏干試驗井的成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，擬在輪斗作業(yè)推進方向地表建設(shè)疏干井，將地表淺層含水超前進行疏干，減少輪斗作業(yè)工作面的涌水量，減少清淤量，提高輪斗作業(yè)效率[1-2]。

1 反循環(huán)疏干井布設(shè)方案及施工工藝

為減少輪斗作業(yè)工作面的涌水量，減少清淤量，提高輪斗作業(yè)效率，在輪斗工作面布設(shè)疏干井[3]。

1.1 疏干井布設(shè)方案

結(jié)合2018年扎哈淖爾露天煤礦輪斗工作方案，本次共布設(shè)36眼疏干井，分2排分布構(gòu)成，疏干井以SG（疏干）為編碼，從東至西順序編號。第1排共18眼疏干井，距離輪斗作業(yè)面50 m，編號為SG1～SG18；第2排共18眼疏干井，距離輪斗作業(yè)面100 m，編號為SG18～ SG36；疏干井沿輪斗膠帶走向呈直線排列，結(jié)合礦區(qū)西部第四系含水層厚度為10～30 m，本次疏干井設(shè)計深度為40 m，2排疏干井呈三角形布置，孔網(wǎng)布設(shè)參數(shù)為行距50 m，排距50 m；疏干井的井壁管和濾水管采用口徑φ280 mm，壁厚10 mm的PVC管材，輪斗工作面疏干井布設(shè)方案如圖1。

圖1 輪斗工作面疏干井布設(shè)方案

1.2 疏干井施工工藝系統(tǒng)

1）疏干井施工工藝。本次共施工疏干井36眼，勘探工程量為1 438 m，實際施工平均井深39.94 m。鉆探設(shè)備為車載反循環(huán)鉆機，采用無心反循環(huán)清水鉆進工藝，避免鉆進過程中出現(xiàn)泥漿護壁，影響沙層水滲透性，施工鉆孔擴孔口徑φ500 mm?？碧缴疃纫越掖┑谒南捣凵啊⒌[砂含水層為目的，達到疏干四系淺層含水的要求。鉆進過程中通過返漿巖塊采取巖心縮減樣，判別地層層序和含水層埋藏深度[4-6]。

擴孔結(jié)束后立即下管，采用提吊下管法，下管前根據(jù)含水層結(jié)構(gòu)進行管材排布、編號，濾水管均用100目（150 μm）的尼龍紗網(wǎng)包扎2層；下完管材進行動水填礫，礫料選擇礫徑小于5 mm的磨圓好、無風化、無雜質(zhì)的優(yōu)質(zhì)礫石。礫料填充完畢后進行洗井工作。

2）抽水試驗。抽水試驗的目的是評價單井涌水量，確定含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。對本次施工的36眼疏干淺井均進行完整單孔穩(wěn)定流抽水試驗和疏排水動態(tài)監(jiān)測。首先利用潛水泵洗井，洗井效果達到水清砂凈后進行抽水試驗，抽水試驗按照GB 50027—2001供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范的要求進行；本次抽水試驗從最小降深開始，且3次降深值合理，第1次、第2次穩(wěn)定時間均不小于8 h,第3次穩(wěn)定時間不小于16 h。及時進行各類原始資料整理、分析，現(xiàn)場繪制各類曲線[7]。抽水試驗結(jié)束后，對所有觀測資料進行檢查、校核，編制了抽水試驗關(guān)系曲線[8]。通過對抽水試驗資料的整理和計算，計算了水文地質(zhì)參數(shù)，進行單井水量評價。

3）管路安裝。本次疏干排水主管路的管材為φ325 mm × 6 mm螺紋焊管，焊接長度1 512 m；支管路為φ159 mm × 4 mm低碳鋼管，焊接長度1 052 m；井內(nèi)出水管為φ50 mm × 4 mm的PVC塑料管，連接長度2 250 m。主管路與支管路、支管路與PVC塑料管均由法蘭盤連接，并安裝止逆閥，防止停泵時疏干主管路水量返送到疏干井內(nèi)。

4）潛水泵及控制系統(tǒng)安裝。抽水試驗結(jié)束后安裝潛水泵，根據(jù)抽水試驗各疏干井的水量情況配備不同規(guī)格的潛水泵，以保證疏干井頻繁啟停潛水泵；每臺潛水泵均配備液位計控制系統(tǒng)，安裝前均檢驗液位計的靈敏性，確保水位下降到下限時潛水泵自動停止運行，水位恢復(fù)至上限時自動運行。控制系統(tǒng)下限安裝在潛水泵入水口上1 m，上限安裝在下限以上5～6 m；每眼疏干井配備渦輪流量計。潛水泵、控制系統(tǒng)由鋼絲繩連接牢固，并在地表固定，防止設(shè)備脫落。每眼疏干井均獨立配備電源控制柜，控制潛水泵和控制系統(tǒng)的啟停。

2 疏干井效果評價

2.1 疏干井抽水試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)對36眼疏干井的持續(xù)跟蹤觀察，自2018年4月16日開始采集有效監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行疏干排水動態(tài)監(jiān)測和有效性分析，第1排疏干井隨著輪斗連續(xù)系統(tǒng)的作業(yè)開始逐漸拆除，截至8月15日36眼疏干井累計排水量為7 7116 m3。SG1疏干井的日排水量如圖2，SG19疏干井的日排水量如圖3。

圖2 SG1疏干井日排水量曲線圖

圖3 SG19疏干井日排水量曲線圖

由排水量曲線圖可以看出：受含水層厚度、結(jié)構(gòu)和巖性影響，疏干井含水層的富水性差異大，日排水量差異大；所有疏干井日排水量呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，且下降的速度逐漸減??；由于受到第2排疏干井的截流效果和采場臨空面的滲流作用，第1排疏干井整體的排水量較小，排水量下降幅度較大。

利用北幫地表已有的水文觀測井，監(jiān)測地下水位變化情況，觀1地下水位變化曲線如圖4，觀3地下水位變化曲線如圖5，根據(jù)地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地下水位自疏干井運行后開始呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，截止到8月6日水位觀測值由疏干井運行前的6.1～8.3 m下降到10.4～14.2 m，最大下降值為5.9 m，除部分含水層厚度較大的疏干井，地下水位均下降到疏干井含水層底板以下。說明疏干排水使淺層地下水水位整體下降，有效的阻止地下水向礦坑內(nèi)徑流排泄。

圖4 觀1地下水位變化曲線

圖5 觀3地下水位變化曲線

2.2 輪斗工作效率分析

根據(jù)歷年的現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況，第四系淺層含水是影響輪斗連續(xù)系統(tǒng)效率發(fā)揮的關(guān)鍵制約因素，首先，受第四系淺層含水的影響，輪斗連續(xù)系統(tǒng)工作面存在眾多涌水點，發(fā)生工作面局部坍塌、砂層涌砂現(xiàn)象，在工作平臺低洼處匯集大量滲流水，直接影響輪斗剝離工作的正常運行；其次，為了滿足輪斗連續(xù)系統(tǒng)對作業(yè)場地的技術(shù)要求，受地下涌水浸泡形成的淤泥需利用剝離設(shè)備進行換填，每年發(fā)生的清理淤泥量為80萬m3，需發(fā)生直接費用約1 500萬元；再者，受到地下水影響，且輪斗工作線較長，無法形成有效的排水線路，輪斗移設(shè)時行走場地處理時間較長，占用輔助工程設(shè)備數(shù)量較多，影響輪斗連續(xù)系統(tǒng)的移設(shè)時間。

疏干排水的主要目的是減少北幫第四系淺層地下水向采場內(nèi)徑流排泄影響輪斗作業(yè)效率，提高輪斗的工作效率。通過本次疏干排水期間的清淤量和輪斗產(chǎn)量與往年同期的清淤量和輪斗產(chǎn)量對比，分析疏干排水對輪斗工作清淤工程量的影響程度。2016—2018年輪斗連續(xù)系統(tǒng)清淤量和產(chǎn)量統(tǒng)計表見表1。

表1 2016—2018年輪斗連續(xù)系統(tǒng)清淤量和產(chǎn)量

為了更加直觀的表征疏干井運行對減少輪斗連續(xù)系統(tǒng)清淤量的效果，利用2016—2018年輪斗產(chǎn)量與清淤量的比值形成曲線（如圖6）。

圖6 2016－2018年產(chǎn)量與清淤量關(guān)系曲線

由圖6可以看出，2018年與往年同期相比，除4月份外，其他各月產(chǎn)量與清淤量的比值約為18，遠大于2016、2017年同期產(chǎn)量與清淤量的比值，由此可以得出，由于疏干井超前疏干、截流作用，滲流到輪斗連續(xù)系統(tǒng)施工場地的淺層地下水大幅減少，有效減少了清淤量，從而提高輪斗連續(xù)系統(tǒng)的作業(yè)效率和經(jīng)濟效益，按照清淤單價15元/m3計算，截止到8月份與2016、2017年同期相比清淤量直接費用分別減少350萬元、260萬元。

3 結(jié)論

針對扎哈淖爾露天煤礦輪斗連續(xù)系統(tǒng)受第四系淺層地表含水影響，連續(xù)系統(tǒng)效率無法正常發(fā)揮的問題，利用反循環(huán)疏干超前疏干淺層地表含水的方式，提高輪斗連續(xù)系統(tǒng)的作業(yè)效率，并基于輪斗歷年實際產(chǎn)量情況，對反循環(huán)疏干井提升輪斗連續(xù)系統(tǒng)作業(yè)效率的效果進行了評價。

1）因受含水層厚度、結(jié)構(gòu)和巖性影響，疏干井含水層的富水性差異大，日排水量差異大，由于受到第2排疏干井的截流效果和采場臨空面的滲流作用，第1排疏干井整體的排水量較小，排水量下降幅度較大。

2）疏干排水累計排水量為77 116 m3，每日排水量由建井初期持續(xù)減少；疏干井運行期間，輪斗北幫地下水水位逐漸下降，疏干井運行結(jié)束時監(jiān)測最大下降5.9 m，說明疏干排水使淺層地下水水位整體下降，有效地阻止地下水向礦坑內(nèi)徑流排泄。

3）由于疏干井超前疏干、截流作用，滲流到輪斗連續(xù)系統(tǒng)施工場地的淺層地下水大幅減少，有效減少了清淤量，從而提高輪斗連續(xù)系統(tǒng)的作業(yè)效率和經(jīng)濟效益。