煤矿斜井过第四富含水层深井井点降水法应用研究_侯亚平(1).pdf

煤矿斜井过第四富含水层深井井点降水法应用研究 侯 亚 平 （山西晋城兴唐煤业有限公司 ， 山西 晋城 048000 ） 摘要 为了解决矿井斜井开拓过程中由于第四系松散富含水层的影响， 严重阻碍矿井的正常建设， 威胁施工人员的安全， 通过理论分析、 数值计算等方法， 对其明槽开挖采用深井井点降水进行设计研 究， 解决了矿井井筒涌水问题和生活、 工程用水短缺的问题， 从安全和经济两个方面取得了良好收益。 关键词 斜井开拓 ； 明槽开挖 ； 井点降水 中图分类号 TD 265文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0052-03 Application research of well point dewatering for deep well passing the fourth rich aquifer in inclined shaft of a mine HOU Yaping （Shanxi Jincheng Xing Tang Coal Industry Co., Ltd. , Shanxi Jincheng 048000） Absrtact In order to solve the mine in the process of slope development because of the influence of the quaternary unconsolidated aquifer rich, severely hampered the normal construction of the mine, threatening the safety of construction personnel, through the theoretical anal- ysis and numerical calculation s, the Ming groove excavation using the deep well point precipitation to design research, solve the problem of the mine shaft water gushing and life, engineering water shortage, from two aspects has obtained the good safety and economic benefits. Key words Inclined well development ; Open groove excavation ; Well point precipitation 0引言 矿井主、 副斜井穿过第四系富含水砾石层水量 大且流速较快， 严重影响了井筒施工的效率、 效益， 威胁施工人员安全， 现结合着井田内矿井斜井井筒 基建阶段遇到的多个含水层的问题， 通过对井田范 围内工程概况、 水文地质勘测及分析、 理论计算以 及工程施工设计与实践分析研究等方法， 对井筒建 设过程中地下水的涌出量进行预算， 对于主、 副斜 井明槽开挖采取管井井点降水法进行参数设计和 应用研究， 最终有效的解决了矿井井筒过第四系松 散富含水层涌水的问题， 也为井田范围的其他矿井 井筒过富含水层降水方案的设计研究提供了技术 及实践经验。 1工程概况 矿井开拓方式为 “斜井 - 立井” 综合开拓， 主斜 井井筒总斜长 936.3m， 落底标高为 425.8m， 其中 0～98m 为表土段， 98～355m 为风化基岩段， 355m 至 井筒底部为基岩段， 倾角 20， 断面净宽为 5.8m， 净高 4.6m， 采用拱形断面， 断面积 25.6m2。 副斜井井 筒斜长 914.9m （含 18变坡段） ， 落底标高为 437. 0m， 倾角为 18， 断面净宽为 5.6m， 净高 4.8m， 采 用拱形断面，断面积 24.6m2。回风立井井筒垂深 384.4m， 落底标高 438.8m， 断面直径为 3.8m。 2矿井充水原因分析 1） 该矿地区气候气候比较干旱， 降水量一般集 中在七月、 八月和九月， 并且降水稀少， 而且年蒸发量 是该地区年降水量的 7 倍左右， 水流一般由地面的沟 壑快速且集中的排除，只有极少的部分能够渗入地 下， 这种地形基本上没有造成井筒大量充水的危险。 2） 本区煤系地层为沉积碎屑岩， 浅部风化严重， 且第四系松散层直接覆盖其上， 局部地段含水层富水 性较强， 尤其是河谷地段冲洪积层较厚， 含水性较好， 由于局部岩石固结的紧密性，接缝和裂缝发育不良， 地下水排水不畅， 静水压力大， 水头高， 主要含水地层 为松散层孔隙潜水含水层有第四系和第三系砾石层。 如井检 1 及井检 3 号孔位于河谷中， 钻孔抽水试验单 位涌水量 q0.0438～0.522L/s m，渗透系数 K0. 0406～6.464m/d， 是井筒充水的主要水源。 3） 矿区内无大的地表水体， 井筒附近较大沟谷 均属季节性溪流，在通常情况下沟谷内并没有水 流，但是在 7～9 月份雨季可能会有短暂的洪期， 此 时矿井工作人员必须做好充分的准备工作来预防 洪水涌入井筒。 4） 虽然三叠系岩层含裂隙裂隙水， 但该层水体 较弱， 埋藏深部。另外， 延安组底部砂泥岩和泥岩含 水较好， 正常情况下， 并不会对含煤地层产生比较 明显的影响。 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 52 ChaoXing 5） 矿区内地质构造简单， 地层平均倾角为 2， 为近水平地层， 井田范围内也没有大的断层、 褶曲 等构造， 地层内没有岩浆侵入， 没有什么特殊的构 造能够引起井筒突水。 3井筒涌水量预算 本次钻探的几个专门的水文孔应用稳定流抽 水试验的方法来测定地下水的水文特征， 抽水设备 采用深井潜水泵， 选择一个或两个降深来进行抽水 试验， 得到单位时间内的涌水量， 因此在计算总的 涌水量时应采用集中参数的稳定流解析法公式 （裘 布依 Dupuit 公式） 。这时我们就把第四系富水层看 作是均质、 各向同性的介质， 符合线性渗透定律[1～2]。 “狭长水平坑道”法预算结果设计基坑开挖深度 23.5m， 故松散层选用无压水公式 QBKH 2 R （1） 式中 B 为安全系数，取 1.2； K 为渗透系数； H 为降水深度； R 为影响半径； 1） 渗透系数 K 的计算 松散层利用井检水文孔 抽水试验成果， 采用潜水完整井公式 K0.732Q 1gR- 1gr （2H- S ） S （2） 式中 Q 为钻孔涌水量 （m3/d） ， 取三次降深最大 涌水量； R 为影响半径 （m ） ； R 为钻孔半径 （m ） ； H 为 潜水含水层厚度 （m ） ； M为承压水含水层厚度 （m ） ； S 为水位降深 （m ） ， 取最大降深值。 计算结果基坑松散砾石层渗透系数 K6. 866m/d。 2） 在进行井筒的开挖时， 必须对第四系全新统 松散层内的地下水的涌出进行预测， 来保证井筒掘 进工作的正常进行。根据上述地质资料分析以及对 于地下水渗流的探究计算，当井筒穿过各层时， 预 计从井筒流入的水主要集中在第四， 第三砾石层和 碎屑岩的孔隙和裂隙含水层中。考虑到毛管上升高 度的影响，为了避免在开挖过程中干扰地基土， 设 计将地下水位降低到基深以下 0.5m。 即水位需降低 至地表下 - 23.5m 位置。 3） 在井筒掘进时采用基坑降水法进行降水， 此 时需要将水位降至基坑底部， 即 SH23.5m， 通常 可用经验公式 R2SHK ■ （3） 式中 H 为潜水含水层厚度，对于承压水为静 水位高度 （m ） ； 计算结果 松散层 R170m； 现场含水层岩性一致， 虽然厚度不一， 但在较大 范围内仍为单层， 基坑离地表水体较远。可以假定含 水层是均质的， 厚度相等， 并且分布无限。 用稳定流量 “ 狭长坑道法 “ 计算每个基坑的涌水量。根据岩土工 程调查报告和水文地质野外工作，结合以往经验， 含 水层渗透系数值为K110.0m/d，影响半径 R170m， 含水层厚度为 40m， 水位降深为 24.0m， 。具体的计算 公式为 （1 ） ～ （3 ） 。得到的计算结果详见表 1。 表 1基坑涌水量计算表 4降水井结构设计 4.1管井 （深井） 井点降水法的原理 管井井点降水法是在钻好的排水孔内插入管 道，通过管道将钻孔底部渗流出的地下水排出， 也 就是我们通常所说的 “井中井” ， 其具体工作原理如 图 1，这种方法每个管道连接着一个水泵，排水量 大， 原理简单， 操作方便， 单孔出水量在 50～100m3/h, 但是水位降低量有限， 一般为 3～5m 左右， 在潜水层 降水施工得到广泛的应用[3～4]。在此基础上深井井点 降水法， 降水深度较大， 一般用于基坑深度在 15m 以上的基坑排水， 这是需要特制的深井潜水泵才能 达到抽水的要求， 它的降水效果可以说是基坑降水 中最为显著的， 一般可以降低几十米的水位， 甚至 能达到上百米。并且不需要占用基坑施工范围内的 空间， 在基坑降水中得到青睐。 1－井盖； 2－井口； 3－出水管； 4－电缆； 5－砂砾； 6－井管； 7－潜水电泵； 8－过滤管； 9－导向段； 10－沉砂管 图 1管井井点原理示意图 4.2深井井点降水方案设计 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 建筑物 名称 围降面积 （11.25 放 坡 ） 引用半径 r0m 引用影 响半径 R0m 基坑开 挖深度 m 降水水 位深度 S′m 基坑涌 水量 Qm3/d 主井明槽5970m22517023.524.017421 副井明槽6352m22417021.924.017646 53 ChaoXing 1） 降水井深度计算过程如下 HwHW1HW2HW3HW4HW5HW6（4） 其中 Hw为降水井深度 （m ） ； Hw1为基坑深度 （m ） ； Hw2为降水水位距离基坑底的深度m； Hw20. 5mHw3为 HW3- iγ0， i 为水力坡度，1/5， γ0等效半 径， γ023m， Hw34.6m Hw4为降水井过滤器工作长度 Hw45.0mHw5为 沉砂管长度 Hw55.0mHw6为地下水水位变幅 Hw61. 0m 结合基坑的降水面积、 水文地质情况， 基坑开 挖深度最大为 24.5m， 将数据带入式 （4） 计算得知降 水井深度 Hw≈40.0m， 直径为 45.0cm， 管道外壁由 砾石材料填补， 填补材料的厚度不小于 10cm。 2） 单井出水能力确定。单个排水井孔的排水能 力 q Ld α 241296m3/d（5） 3） 干扰状态下单井出水量确定。根据含水层的 渗透性及建筑物基坑的形状， 降水井在需要降水的 地 段 围 绕 基 坑 等 距 间 隔 ， 间 距 为 15.0m n 主 320/1521 个， n 副 508/15≈34 个。 干扰状态下的单井排出水量采用下式确定 q 1.366k （2H- Sw ） Sw lg R0n ηγ0n-1γw （6） 计算得 q主900m3/d； q副504m3/d。 井 群 总 出 水 量 nq主 18900m3/d； nq副 18144m3/d， 大于基坑总涌水量 Q 主 17421m3/d， Q 副 17646m3/d。且干扰状态下单井出水量小于单井 出水能力。在主、 副井交界处有 5 眼井为共用井， 所 以共布置降水井 50 眼， 可满足降水要求， 预计降水 效果如图 2 所示。 图 2预计降水效果 4.3降水方案的确定 1） 基坑降水采用深井井点降水法。 2） 降水井排列在基坑外围， 围绕基坑等距离排 列， 间距为 15m， 主井筒明槽 34 眼， 副斜井基坑抽 水井 21 眼， 5 眼共用井， 降水井共计 50 眼。 3） 降水井底部的潜水泵采用扬程为 25～50m 的 特殊潜水泵， 每小时的排水量为 20～50m3。 4） 排水 降水时抽出的地下水为清澈的优质水 源可供再次利用。 5） 环基坑排水管线用钢管，其直径 算得 D304mm， 选用排水管直径 D325mm 钢管， 根据现 场条件用排水管线将地下水排到影响半径以外地 方。降水井的位置情况详见图 3。 图 3降水井位置详情 5结论 管井降水后，水位线基本低于明槽开挖底面， 土体含水量减少， 提高了土体稳定性， 使土体产生 固结， 防止了主、 副斜井明槽开挖后的边、 仰坡塌 方。采用管井井点降水方案后， 主斜井进尺 300m， 掘面在 350m 处迎头已基本没有涌水，降水效果非 常理想， 并且将排出的水用于该矿的工程用水和生 活用水， 同时解决了水资源短缺的问题。 参考文献 [1] 徐勇才,徐朕.基坑工程中井点降水的设计计算方法[J].浙 江建筑,2011,280817- 20. [2] 林治富.深井井点降水在工程中的应用[J].企业科技与发 展,201022148- 151. [3] 李忠勇.浅谈井点降水施工技术应用[J].广东建材,2010,26 08116- 117. [4] 程华安.浅谈工程井点降水施工[J].中华建设,201006 66- 67. 作者简介 侯亚平 （1989-） ， 男， 安徽省淮北市人， 2010 年毕业于山 西煤炭职业技术学院矿山地质专业， 助理工程师， 地质技术 管理。（收稿日期 2019- 5- 15） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 54 ChaoXing