煤礦斜井過第四富含水層深井井點降水法應用研究

侯亞平

（山西晉城興唐煤業有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

礦井主、副斜井穿過第四系富含水礫石層水量大且流速較快，嚴重影響了井筒施工的效率、效益，威脅施工人員安全，現結合著井田內礦井斜井井筒基建階段遇到的多個含水層的問題，通過對井田范圍內工程概況、水文地質勘測及分析、理論計算以及工程施工設計與實踐分析研究等方法，對井筒建設過程中地下水的涌出量進行預算，對于主、副斜井明槽開挖采取管井井點降水法進行參數設計和應用研究，最終有效的解決了礦井井筒過第四系松散富含水層涌水的問題，也為井田范圍的其他礦井井筒過富含水層降水方案的設計研究提供了技術及實踐經驗。

1 工程概況

礦井開拓方式為“斜井-立井”綜合開拓，主斜井井筒總斜長936.3m，落底標高為+425.8m，其中0～98m為表土段，98～355m為風化基巖段，355m至井筒底部為基巖段，傾角20°，斷面凈寬為5.8m，凈高4.6m，采用拱形斷面，斷面積25.6m2。副斜井井筒斜長914.9m（含18°變坡段），落底標高為+437.0m，傾角為18°，斷面凈寬為5.6m，凈高4.8m，采用拱形斷面，斷面積24.6m2?；仫L立井井筒垂深384.4m，落底標高+438.8m，斷面直徑為3.8m。

2 礦井充水原因分析

1）該礦地區氣候氣候比較干旱，降水量一般集中在七月、八月和九月，并且降水稀少，而且年蒸發量是該地區年降水量的7倍左右，水流一般由地面的溝壑快速且集中的排除，只有極少的部分能夠滲入地下，這種地形基本上沒有造成井筒大量充水的危險。

2）本區煤系地層為沉積碎屑巖，淺部風化嚴重，且第四系松散層直接覆蓋其上，局部地段含水層富水性較強，尤其是河谷地段沖洪積層較厚，含水性較好，由于局部巖石固結的緊密性，接縫和裂縫發育不良，地下水排水不暢，靜水壓力大，水頭高，主要含水地層為松散層孔隙潛水含水層有第四系和第三系礫石層。如井檢1及井檢3號孔位于河谷中，鉆孔抽水試驗單位涌水量 q=0.0438～0.522L/s·m，滲透系數 K=0.0406～6.464m/d，是井筒充水的主要水源。

3）礦區內無大的地表水體，井筒附近較大溝谷均屬季節性溪流，在通常情況下溝谷內并沒有水流，但是在7～9月份雨季可能會有短暫的洪期，此時礦井工作人員必須做好充分的準備工作來預防洪水涌入井筒。

4）雖然三疊系巖層含裂隙裂隙水，但該層水體較弱，埋藏深部。另外，延安組底部砂泥巖和泥巖含水較好，正常情況下，并不會對含煤地層產生比較明顯的影響。

5）礦區內地質構造簡單，地層平均傾角為2°，為近水平地層，井田范圍內也沒有大的斷層、褶曲等構造，地層內沒有巖漿侵入，沒有什么特殊的構造能夠引起井筒突水。

3 井筒涌水量預算

本次鉆探的幾個專門的水文孔應用穩定流抽水試驗的方法來測定地下水的水文特征，抽水設備采用深井潛水泵，選擇一個或兩個降深來進行抽水試驗，得到單位時間內的涌水量，因此在計算總的涌水量時應采用集中參數的穩定流解析法公式（裘布依Dupuit公式）。這時我們就把第四系富水層看作是均質、各向同性的介質，符合線性滲透定律[1～2]。“狹長水平坑道”法預算結果：設計基坑開挖深度23.5m，故松散層選用無壓水公式：

式中：B為安全系數，取1.2；K為滲透系數；H為降水深度；R為影響半徑；

1）滲透系數K的計算：松散層利用井檢水文孔抽水試驗成果，采用潛水完整井公式：

式中：Q為鉆孔涌水量（m3/d），取三次降深最大涌水量；R為影響半徑（m）；R為鉆孔半徑（m）；H為潛水含水層厚度（m）；M為承壓水含水層厚度（m）；S為水位降深（m），取最大降深值。

計算結果：基坑松散礫石層滲透系數：K=6.866m/d。

2）在進行井筒的開挖時，必須對第四系全新統松散層內的地下水的涌出進行預測，來保證井筒掘進工作的正常進行。根據上述地質資料分析以及對于地下水滲流的探究計算，當井筒穿過各層時，預計從井筒流入的水主要集中在第四，第三礫石層和碎屑巖的孔隙和裂隙含水層中?？紤]到毛管上升高度的影響，為了避免在開挖過程中干擾地基土，設計將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）在井筒掘進時采用基坑降水法進行降水，此時需要將水位降至基坑底部，即S=H=23.5m，通?？捎媒涷灩剑?/p>

式中：H為潛水含水層厚度，對于承壓水為靜水位高度（m）；

計算結果：松散層R=170m；

現場含水層巖性一致，雖然厚度不一，但在較大范圍內仍為單層，基坑離地表水體較遠?？梢约俣ê畬邮蔷|的，厚度相等，并且分布無限。用穩定流量"狹長坑道法"計算每個基坑的涌水量。根據巖土工程調查報告和水文地質野外工作，結合以往經驗，含水層滲透系數值為：K=110.0m/d，影響半徑R=170m，含水層厚度為40m，水位降深為24.0m，。具體的計算公式為（1）～（3）。得到的計算結果詳見表1。

表1 基坑涌水量計算表

4 降水井結構設計

4.1 管井（深井）井點降水法的原理

管井井點降水法是在鉆好的排水孔內插入管道，通過管道將鉆孔底部滲流出的地下水排出，也就是我們通常所說的“井中井”，其具體工作原理如圖1，這種方法每個管道連接著一個水泵，排水量大，原理簡單，操作方便，單孔出水量在50～100m3/h,但是水位降低量有限，一般為3～5m左右，在潛水層降水施工得到廣泛的應用[3～4]。在此基礎上深井井點降水法，降水深度較大，一般用于基坑深度在15m以上的基坑排水，這是需要特制的深井潛水泵才能達到抽水的要求，它的降水效果可以說是基坑降水中最為顯著的，一般可以降低幾十米的水位，甚至能達到上百米。并且不需要占用基坑施工范圍內的空間，在基坑降水中得到青睞。

圖1 管井井點原理示意圖

4.2 深井井點降水方案設計

1）降水井深度計算過程如下：

其中：Hw為降水井深度（m）；Hw1為基坑深度（m）；Hw2為降水水位距離基坑底的深度(m)；Hw2=0.5mHw3為 HW3-iγ0，i為水力坡度，=1/5，γ0等效半徑，γ0=23m，Hw3=4.6m

Hw4為降水井過濾器工作長度：Hw4=5.0mHw5為沉砂管長度：Hw5=5.0mHw6為地下水水位變幅：Hw6=1.0m

結合基坑的降水面積、水文地質情況，基坑開挖深度最大為24.5m，將數據帶入式（4）計算得知降水井深度Hw≈40.0m，直徑為45.0cm，管道外壁由礫石材料填補，填補材料的厚度不小于10cm。

2）單井出水能力確定。單個排水井孔的排水能力：

3）干擾狀態下單井出水量確定。根據含水層的滲透性及建筑物基坑的形狀，降水井在需要降水的地段圍繞基坑等距間隔，間距為 15.0m：n主=320/15=21個，n副=508/15≈34個。

干擾狀態下的單井排出水量采用下式確定：

計算得：q主=900m3/d；q副=504m3/d。

井群總出水量 nq主 =18900m3/d；nq副=18144m3/d，大于基坑總涌水量Q主=17421m3/d，Q副=17646m3/d。且干擾狀態下單井出水量小于單井出水能力。在主、副井交界處有5眼井為共用井，所以共布置降水井50眼，可滿足降水要求，預計降水效果如圖2所示。

圖2 預計降水效果

4.3 降水方案的確定

1）基坑降水采用深井井點降水法。

2）降水井排列在基坑外圍，圍繞基坑等距離排列，間距為15m，主井筒明槽34眼，副斜井基坑抽水井21眼，5眼共用井，降水井共計50眼。

3）降水井底部的潛水泵采用揚程為25～50m的特殊潛水泵，每小時的排水量為20～50m3。

4）排水：降水時抽出的地下水為清澈的優質水源可供再次利用。

5）環基坑排水管線用鋼管，其直徑算得：D=304mm，選用排水管直徑D=325mm鋼管，根據現場條件用排水管線將地下水排到影響半徑以外地方。降水井的位置情況詳見圖3。

圖3 降水井位置詳情

5 結論

管井降水后，水位線基本低于明槽開挖底面，土體含水量減少，提高了土體穩定性，使土體產生固結，防止了主、副斜井明槽開挖后的邊、仰坡塌方。采用管井井點降水方案后，主斜井進尺300m，掘面在350m處迎頭已基本沒有涌水，降水效果非常理想，并且將排出的水用于該礦的工程用水和生活用水，同時解決了水資源短缺的問題。