自流排滲施工技術在永平銅礦尾礦庫的應用

羅文明，劉金保，廖志剛

（1.江西省核工業地質局 二六八大隊，江西 玉山 334700；2.江西銅業集團公司 永平銅礦，江西 永平 334506）

1 引言

尾礦庫事故類型中，對環境影響最大的是尾礦庫潰壩事故，一旦潰壩，水流攜帶庫內堆積的大量尾礦砂沖向下游，對下游的村莊、農田、交通設施以及當地環境造成巨大影響。尾礦庫潰壩的事故概率為9×10-4，屬于很可能發生的風險等級［1］。永平銅礦燕倉尾礦庫于1984年建成并投入使用，建壩30多年來，已庫存了1億多m3尾礦，隨著壩體的不斷升高，壩體浸潤線也不斷提升，壩體安全受到威脅。尾礦庫自流排滲工程是降低浸潤線和保護壩體安全的一項非常有效措施。因此，如何經濟合理、技術可行地施工自流排滲工程便顯得極其重要。目前，尾礦庫自流排滲工程使用較多，主要由沉井和排（集）滲管、導水管組成。沉井法結合現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，分節制作、分節下沉、制作與下沉交替進行，能夠更有效的預防與控制井體傾斜、緩沉、扭轉等不利情況的出現；水平排（集）滲管成孔方式主要采用水平鉆機同步跟管靜壓法，并以鉆孔法作為輔助，再安裝排（集）滲管、導水管［2-6］。與一般尾礦庫自流排滲工程施工在均質土體中有些不同的是，燕倉尾礦庫初期壩由粘土碎石組成且碎石較多并含有中風化的大塊巖塊；尾砂較細，重砂礦物較多，含水量較高且尾砂擾動時極易液化，造成成孔成功率降低；部分成孔要同時穿透尾砂和突起的中風化-強風化山體，增加了施工難度。本文結合實際，研究和總結了這些特殊工程地質條件下的施工工藝方法，以供參考借鑒。

2 工程概況與設計

2.1 工程概況

永平銅礦燕倉尾礦庫子壩最終設計標高為150m，目前已堆至140m高程。該尾礦庫為一丘陵及小山環繞的小盆地，尾礦庫周邊的埡口多且高程低，由1#主壩和2#、3#、4#、5#四個副壩圍堵而成，設計庫區匯水面積2.6km2。

自尾礦庫建成開始，就對壩體進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，壩體的浸潤線居高不下，2#壩壩腳沼澤化現象非常嚴重，給壩體的穩定性帶來隱患［7］。為降低浸潤線，江銅集團決定在永平銅礦燕倉尾礦庫2#、3#初級壩體上施工水平自流排滲管井，進行新一輪的加固治理工作。

2.2 工程地質條件

2#尾礦壩為均質粘土壩，壩高14.60m，壩頂標高為109.60m，壩頂寬3.0m。庫區巖土層自上而下分為填土、尾細沙、尾粉砂、尾亞砂、尾粉土、尾輕亞粘、尾重亞粘、粘土（壩基土）、粉質粘土、強風化粉砂質頁巖共10級。

根據勘察資料和施工現場觀察，2#尾礦（初期）壩實為粘土碎石壩并含有未風化的大塊巖塊，粘土含量少于20%，其余為風化砂巖碎石，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，突起部分為中風化-強風化的原始山體（圖1），由風化砂巖和碎石土等組成。壩中尾礦主要為尾粉細砂約占55%、尾中粗砂約占12%、尾粉土、尾輕亞粘、尾重亞粘約占33%，尾砂擾動時極易液化。

2.3 工程設計

根據尾礦庫實際情況，設計上采用集水井和水平排（集）滲管系統降低浸潤線加固方法（圖1）。

圖1 尾礦庫水平排滲工程設計剖面示意圖

按照設計：在2#壩設計2個集水井，22根呈輻射狀的水平集滲管集結于井內，每根管長80m，2根將集水井內水引導自流出壩外的導水管，長超過100m，在初期壩上設計了6根水平排滲管，間距10m，每根水平排滲管長80m，自流出水。集水井井筒為鋼筋混凝土結構，井筒外徑為3.80m，內徑為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號壩排滲工程平面示意圖

3 施工設備

該工程使用的設備為2臺江蘇拓海煤礦鉆探機械有限公司生產的ZDY780型全液壓坑道鉆機，2臺DXY120T/2頂管機和2臺BW-250高壓泥漿泵，1臺XY-1型鉆機，2臺交流電焊機等。

ZDY780型鉆機由液壓站和動力頭兩大部分組成。液壓站主要包括電動機、液壓油泵、油箱、操作臺、高壓油管等組成。動力頭主要為液壓馬達，使用時將液壓馬達改裝裝在頂管機移動平臺上。液壓馬達最大扭矩為780N·m，最大轉速為190轉/min。DXY120T/2頂管機的作用是將套管推進或回拖。液壓站提供的高壓油通過操作臺控制鉆機的旋轉和頂管機活動平臺的進退。

4 施工工藝

4.1 測量定位

各工程定位時按設計要求，使用全站儀進行準確放樣，精度達到《工程測量規范》（GB50026-2007）要求。水平排滲管位于壩體背水斜坡面上，間距10m；輻射水平集滲管設計位于集水井內。

4.2 施工場地

由于水平排滲管位于壩體斜坡上,需先進行開挖平整場地,且需在每個鉆孔的位置施工一個反力裝置。反力裝置為一個埋深1.8～2.0m的鋼筋砼結構，規格為長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直徑200mm的水平孔洞。輻射水平集滲管集中于沉井內，用腳手架和木板搭建平臺。

4.3 集水井施工

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

集水井井筒封底：井筒沉至設計深度后，一般要超出1～1.5m，井內涌砂會超過3m，在涌砂面低于設計封底深度0.5m左右時，用一層土工布蓋在砂面上，再用鵝卵石壓0.3m，保持井內清水0.7～1m深，再在井內澆注水下0.3m厚高標號混凝土。養護一星期后，進行封底的其他工作。

4.4 水平鉆機設備安裝

在尾礦壩坡面平整好場地或集水井內做好支撐平臺后，水平鉆機設備就位，調整平穩并固定好設備，將設備水、電、油爐連接好。為確保鉆孔終點高于始點或在同一水平位置，鉆機的安裝應往上翹3～3.5°角，可根據鉆孔深度長短選擇。

4.5 水平成孔鉆進

4.5.1 集水井內施工工藝

（1）因鉆進的土層為均質的粉細砂，因此，采用跟管鉆進、管內鉆具旋轉切削和高壓水流沖洗工藝。

（2）鉆進時Φ127套管跟進，Φ89鉆具前端口短于套管10cm，盡量少撓動套管外土體，鉆進時應保持勻速鉆進。

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，常含風化粉細砂巖塊。成孔鉆進時，采用套管跟進、管內和管外鉆具回轉破土和高壓水流沖洗工藝。先用Φ130短鉆具開孔3m左右后卸去，再用Φ127×10mm套管同步跟進鉆進，管內用Φ91合金鉆具，鉆頭端口長出套管3～5cm。

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

（3）當鉆進超出粘土壩進入尾礦后，管內鉆具應比套管短3～5cm，并應開大水流沖洗，直到設計孔深。一般鉆孔應超出設計孔深2～3m，然后同時抽出鉆具和套管。

（4）由于該工程是全長80m均為Φ90U-PVC管，尾礦砂段40m為排滲管，沒有外鋼管保護，直接放入排滲管成功率非常低，因此，需抽出套管洗凈內壁后再沿原孔洞將套管頂進到設計深度。頂進時，前端需戴一個錐形密封帽，錐形密封帽可自由脫落，套管回抽時應留在尾礦中。

4.5.3 特殊工程地質條件施工工藝

由于場地內工程地質條件復雜，有些鉆孔需要依次穿透尾砂、尾砂中突起的山體部分再進入尾砂，這部分突起的山體屬于強風化-中風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，需要設計一套專用鉆具，使之既可以同時鉆穿尾砂，又可以鉆穿風化山體，同時還能提高工作效率，節約成本。

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，以下對排滲管的描述均適用于集滲管。按現場場地可安放的合適長度（本工程單節均為2m）鋸好，按要求的孔隙度進行鉆眼，兩端各留12cm不鉆眼，以便連接。將管內的鉆渣清理干凈，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，鐵絲的接頭應同一方向倒平。土工布應預先按U-PVC管的外徑大小縫制成筒狀，然后將U-PVC管包裹綁扎。第一節過濾管前端應用土工布綁扎密封，并用10#鐵絲固定好。

4.6.2 安裝排滲管

采用人工放送，計算好長度和節數，每節之間用接頭和專用U-PVC膠水連接，并用M4×15自攻螺絲固定。連接時，注意每節之間對節到位，確保對接質量。由于排滲管有80m長，其重量加上摩擦力，安放時越來越困難，應加人手至6人。安放排滲管時應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。開動機器，將套管一節節拔出，每拔一節套管，均要裝卸一次頂排滲管的鉆桿。

（2）排滲管安裝能否成功，起拔套管是關鍵，起拔時應注意連續作業，一氣呵成。試驗證明，由于起拔套管時前端的密封帽脫落，尾礦中高壓液化的粉細砂泥漿水會瞬即涌入套管和排滲管之間的空隙中可達5-8m之長，涌入的砂漿水經過土工布過濾后，迅速固化干結，產生巨大的摩阻力，使排滲管與套管之間不能產生相對運動，排滲管會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廢，成孔成功率極低（不到20%）。

（3）經過大量試驗總結后，在套管與排滲管之間設計使用了一個專用防砂套，可以在起拔套管時有效防止泥砂進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 達到了100%，所以，防止尾礦砂漿水進入套管與排滲管之間的空隙至關重要。

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，有兩個排滲管滿管排出，每天每管出水量在50t以上。

據礦山尾礦庫管理人員觀測，初期一個月內，浸潤線下降最大幅度達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象明顯好轉。

6 結論

（1）尾礦庫壩體斜坡水平鉆進施工時，如果要鉆穿粘土初期壩、尾砂甚至會遇到未風化的較大巖塊時，應根據不同的工程地質條件更換鉆具，采用不同的鉆進工藝。

（2）當鉆孔需要同時鉆穿尾砂和突起的風化山體土層特殊工程地質條件時，通過設計使用一套專用鉆具，可以明顯提高施工效率，加快施工進度和節約成本。

（3）長距離排滲管安裝和起拔套管時，采取專門措施防止泥砂進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.尾礦庫潰壩環境風險預測方法實例研究[J].環境科學與技術, 2014, 37(120):550-554.

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

［3］劉太政,趙競,崔忠良,等.輻射井自流排滲技術在尾礦壩除險加固上的應用[J].現代礦業, 2011, 506(6):95-98.

［4］郭建偉, 黎劍華, 劉優平, 等.尾礦壩排滲輻射井施工關鍵技術研究[J].南昌工程學院學報, 2017, 36(1):56-59+102.

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

［6］趙軍營,何鐵偉.水平-豎直孔聯合自流排滲在某尾礦庫治理中的應用[J].勘察科學技術, 2014(6):39-42.

［7］陳星, 劉發清, 朱遠樂, 等.尾礦庫土石初期壩坡面沼澤化治理措施[J].長江科學院院報, 2016, 33(3):122-126.