水平疏干孔在露天采坑防治水中的應(yīng)用

陶政棟

(新疆紫金鋅業(yè)有限公司， 新疆 烏恰縣 845450)

地下水對露天采坑的安全生產(chǎn)帶來比較大的影響，如果地下水治理措施不當，一方面工作邊幫將出現(xiàn)坡面涌水現(xiàn)象，影響邊幫的穩(wěn)定性，導(dǎo)致局部滑坡；另一方面由于地下水水位較高，導(dǎo)致臺階炮孔涌水，將增加爆破費用，影響爆破效果，因此，露天采坑地下水治理工作尤為重要[1-4]。在露天采坑地下水治理過程中多以疏干為主，而水平疏干孔因其布設(shè)靈活，施工簡單，費用低廉而得到廣泛應(yīng)用，是最為直接有效的水害防治措施之一[5-6]。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)

礦山位于一向斜水文地質(zhì)單元，地形東高西低，北高南低，整體呈馬蹄狀，礦床屬于典型的海底噴流沉積-熱液改造型鉛鋅礦，具有明顯的地層控礦特征。礦山采用露天開采，設(shè)計開采標高為2300～1700 m，設(shè)計開采規(guī)模為1×104t/d。截至2021年4月，露天開采已形成東西長約2500 m，南北寬約980 m，深約400 m的露天采坑，最低臺階2014 m標高已低于最低侵蝕基準面標高（2045 m），礦區(qū)成為該區(qū)域的地下水排泄區(qū)域。

1.1 礦區(qū)含水層

（1）第四系孔隙含水層。主要為殘坡積層、階地、洪積扇及河床洪積層的礫巖、礫石、砂和黏土等堆積，零星分布于河谷左右岸的坡頂及北部高陡斜坡處，位于當?shù)厍治g基準面以上。巖性由冰磧、冰水堆積的砂土、礫石、卵石和漂石組成，磨圓度呈次圓狀至滾圓狀，分選性差至中等，孔隙發(fā)育，透水性強，為透水不含水層。

（2）漸新統(tǒng)砂巖裂隙含水層。為礦體的間接頂板，中厚層狀構(gòu)造，主要為石英、長石，巖性為灰至灰綠色，巖心較完整，局部破碎，膠結(jié)性差，均為構(gòu)造破碎帶脈狀含水帶。該層滲透系數(shù)為0.0045 m/d。根據(jù)露天采坑水文地質(zhì)調(diào)查，露天采坑2104 m和2089 m臺階在7～15線之間裂隙發(fā)育，2104 m、2089 m臺階炮孔和2089 m臺階工作邊幫均發(fā)生涌水現(xiàn)象，2089 m臺階工作邊幫坡面涌水量約為15 m3/h，表現(xiàn)出中等富水的特性，該區(qū)域為礦區(qū)碎屑巖裂隙含水層向礦坑充水的主要含水區(qū)段。

1.2 礦區(qū)隔水層

（1）古新統(tǒng)石膏、泥巖隔水層：為礦體頂板，巖性泥巖夾石膏、泥巖，呈青灰色、瓦灰色、紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄至中厚層構(gòu)造，成分為黏土類礦物。該層巖心以長柱狀為主，巖心完整，屬隔水層。

（2）上白堊統(tǒng)泥質(zhì)粉砂巖隔水層：為礦體底板，淡紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，巖心完整，屬隔水層。

1.3 礦區(qū)補徑排條件

天然條件下，大氣降水和冰雪融水補給區(qū)域地下水。礦區(qū)向斜水文地質(zhì)單元整體呈馬蹄形，西北和西南部高，東南部低，地下水一般由西向東南部徑流，局部以泉的形式排泄，旱季時地下水位下降，局部接受地表水補給。礦區(qū)露天開采改變了區(qū)域地下水流場，采坑區(qū)域由地下水徑流區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤判箙^(qū)，成為了向斜水文地質(zhì)單元的主要排泄點，而且隨著采坑采掘深度和面積的逐步增加，礦區(qū)對區(qū)域的地下水影響范圍也增大。

2 水平疏干孔方案模擬分析

2.1 水平疏干孔方案

在露天采坑2089 m臺階的7～15線之間裂隙脈狀富水區(qū)域?qū)挾燃s為100 m，坡面上集中涌水，涌水量約為5 m3/h。在2089 m臺階針對集中涌水區(qū)采用垂直構(gòu)造面方向的水平孔直接疏放該脈狀富水區(qū)域，孔間距取30 m，孔深為50 m，仰角為5°，鑒于工作邊幫為臨時疏干工程，故采用裸孔疏干。

2.2 數(shù)值模擬分析

2.2.1 模型構(gòu)建

數(shù)值模擬以建立地質(zhì)體物理模型（地質(zhì)體）為基礎(chǔ)，數(shù)值分析結(jié)果的可借鑒性很大程度上取決于模型建立的正確性和參數(shù)選取的可靠性。根據(jù)烏拉根鉛鋅礦水文地質(zhì)條件和疏干方案，為保障模擬結(jié)果具有代表性，針對臺階疏干構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型，利用截水溝模擬分析水平疏干孔疏干效果。根據(jù)礦山露天開采參數(shù)，取模型高度為15 m，同時依據(jù)礦山含水層水文地質(zhì)參數(shù)取模型長×寬=200 m×200 m，將模型垂直方向上劃分為一層，水平方向上劃分為1600個網(wǎng)格。

采用地下水動力學(xué)中達西定律和連續(xù)性方程對礦區(qū)的水文地質(zhì)模型進行描述。

2.2.2 水文地質(zhì)參數(shù)設(shè)置

疏干孔利用地下水數(shù)值分析軟件中的截水模型模擬，布設(shè)在模型下部，垂向上設(shè)置高度為鉆機機高1.5 m；模型上部為進水邊界，礦山露天采坑臺階高度為15 m，根據(jù)已施工的2089 m臺階施工的垂直炮孔水位觀測資料，2089 m臺階在7～15線之間的脈狀含水區(qū)域的垂直炮孔多呈滿水狀態(tài)，即以臺階底部為起始點計算時，該區(qū)域的地下水水位高度為15 m，同時模型邊界設(shè)置在疏干范圍以外，因此，取定水頭為15 m。根據(jù)礦山地質(zhì)勘察期間的抽水試驗資料，砂巖含水層的平均滲透系數(shù)為0.0045 m/d，具體布設(shè)如圖1所示。

圖1 邊界及工程布設(shè)

2.2.3 疏干效果模擬分析

通過軟件建立的單臺階地下水三維模擬模型的地下水穩(wěn)定流三維計算分析得出，疏干孔的總涌水量為38.7 m3/d，疏干后的地下水流場如圖2所示。從圖2可以看出，疏干孔控制范圍內(nèi)的地下水水深由15 m下降至1.5 m左右，疏干孔10 m范圍左右地下水水深由15 m下降至5 m以內(nèi)。2089 m臺階的地下水位多數(shù)控制在2.5 m以內(nèi)，水深下降幅度達到80%以上，疏干效果明顯。

圖2 地下水疏干模擬效果

3 實施情況

2021年4月19 日，依據(jù)水平疏干孔設(shè)計方案，在采坑2089 m臺階7～15線的脈狀含水區(qū)域采用SKD150電動潛孔錘（機高1.5 m）施工水平疏干孔，水平疏干孔仰角為5°，開孔孔徑為128 mm，開孔5 m時變徑一次，終孔孔徑為108 mm。2089 m臺階7～15線的脈狀含水區(qū)域?qū)挾葹?00 m，共布設(shè)3個疏干孔，為了提高疏干效果，邊界疏干孔分別位于脈狀富水區(qū)域內(nèi)5～10 m處，具體根據(jù)施工現(xiàn)場的條件確定，疏干孔的孔距控制在30 m左右。

露天采坑臺階的單次爆破寬度為45 m，為了盡快降低爆破區(qū)域的地下水水位，水平疏干孔的深度應(yīng)超過擬疏干范圍，結(jié)合相關(guān)礦山的經(jīng)驗，水平疏干孔應(yīng)超過疏干范圍約10 m，因此，3個疏干孔的施工深度應(yīng)大于55 m。根據(jù)現(xiàn)場場地、邊幫圍巖穩(wěn)定性及鉆孔涌水情況等條件，實際施工疏干孔深度分別為58 m、62 m和56 m，累計施工深度為176 m，各孔的涌水量分別為15 m3/d、13 m3/d、12 m3/d，共計40 m3/d，與單臺階水文地質(zhì)模型穩(wěn)定流預(yù)測涌水量（38.7 m3/d）基本一致。如圖3所示，水平疏干孔施工后地下水基本從水平疏干孔流出，工作邊幫集中涌水現(xiàn)象消失，通過水平疏干孔疏放臺階地下水10 d后，工作邊幫基本呈干涸狀，說明疏干區(qū)域的地下水水位已大幅下降至疏干孔標高處。

圖3 水平疏干孔實施效果

在2089 m臺階7～15線的脈狀含水區(qū)域疏干10 d后，根據(jù)施工的垂直炮孔實測地下水水位統(tǒng)計結(jié)果，2089 m臺階7～15線的脈狀含水區(qū)域的炮孔地下水水位基本控制在深度13 m以下，即從臺階底部計算時，水位高度約2 m以內(nèi)，與單臺階水文地質(zhì)模型預(yù)測的2.5 m以內(nèi)基本一致，符合數(shù)值模擬結(jié)果，說明水平疏干孔有效治理了工作邊幫涌水情況，改善了作業(yè)條件，提高了礦山安全生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

（1）采用單臺階水文地質(zhì)模型，模擬分析了2089 m臺階水平疏干問題，預(yù)測了水平疏干孔的涌水量和疏干效果，有效地指導(dǎo)了疏干孔布設(shè)和實施，對水平疏干方案的成功實施具有良好的指導(dǎo)作用。

（2）針對露天采坑2089 m臺階工作邊幫涌水影響安全生產(chǎn)問題，采用了水平疏干孔的治理方式，有效降低了工作邊幫地下水位，解決露天邊幫涌水及臺階炮孔涌水問題，改善了作業(yè)條件，提高了礦山安全生產(chǎn)效率，對類似礦山具有很好的借鑒作用。