反循环疏干浅井在轮斗连续系统效率提升方面的应用

时间：2024-07-28

赵亮，祁利民，闫立峰

（扎鲁特旗扎哈淖尔煤业有限公司,内蒙古霍林郭勒 029200）

扎哈淖尔露天煤矿于2009年开始引入德国塔克拉夫公司生产轮斗连续系统，轮斗连续系统2013年底完成安装，2014年底完成重载试运行，并在2015年4月份正式投入生产运行。轮斗连续工艺系统由1台轮斗挖掘机、5条带式输送机和1台排土机组成。轮斗挖掘机生产能力为6 600 m3/h，排土机和带式输送机的生产能力为7 900 m3/h。生产过程是由轮斗挖掘机采掘，经5条带式输送机至排土机排弃，带式输送机全长7.3 km，带宽2 m，带速5 m/s。排土场采用扇形排弃，工作平盘最大宽度为115 m。

轮斗挖掘机应用于剥离采场内地表第四系岩层。第四系上部由黄色、黄褐色及浅灰色中、细砂组成，成分主要为石英、长石，局部含少量火山岩砾。中部为黑色湖泊沼泽相淤泥质粉质黏土构成，具可塑性，含螺化石碎片，有腥臭味。下部由黄褐色-浅灰色黏土、含黏土的冲、洪积砂砾石（泥砾）构成，砂成分主要为石英、长石，砾石成分为火山岩、变质岩，次菱角状，分选中等，岩体结构较为松软适合轮斗挖掘机作业。

根据地质资料显示矿区第四系为含水层，岩性以浅黄色细砂为主，含少量砾石，砾石直径一般为3～10 mm。地下水位一般2～10 m，为孔隙潜水。富水性中等，钻孔单位涌水量0.175～0.530 L/（s·m），渗透系数为0.05～7.38 m/d。地下水水力坡度一般约为0.5 %～1.0 %。含水层厚度一般为2～20 m，其变化规律为南部、西部厚度较大，一般为10～30 m，富水性较好，北部及东部较薄，一般为5～13 m。该含水层地下水的主要补给来源为大气降水，其排泄方式主要为地下水径流和入渗补给下伏弱渗透含水层，其次为蒸发作用。

扎哈淖尔露天煤矿北帮边坡（工作帮）面临着第四系浅层地下水的困扰。在地下水的作用下，114机道一侧的北帮边坡出现众多地下水涌水点，并发生边坡局部坍塌、砂层涌砂的现象，在工作平台低洼处汇集大量地下水，直接影响轮斗剥离工作的正常运行；在现场生产过程中，为了满足轮斗连续系统对作业场地的技术要求，受地下涌水浸泡形成的淤泥需利用剥离设备进行换填，每年发生的清理淤泥量为80万m3，发生费用约800万元。在2017年反循环疏干试验井的成功经验的基础上，拟在轮斗作业推进方向地表建设疏干井，将地表浅层含水超前进行疏干，减少轮斗作业工作面的涌水量，减少清淤量，提高轮斗作业效率[1-2]。

1 反循环疏干井布设方案及施工工艺

为减少轮斗作业工作面的涌水量，减少清淤量，提高轮斗作业效率，在轮斗工作面布设疏干井[3]。

1.1 疏干井布设方案

结合2018年扎哈淖尔露天煤矿轮斗工作方案，本次共布设36眼疏干井，分2排分布构成，疏干井以SG（疏干）为编码，从东至西顺序编号。第1排共18眼疏干井，距离轮斗作业面50 m，编号为SG1～SG18；第2排共18眼疏干井，距离轮斗作业面100 m，编号为SG18～ SG36；疏干井沿轮斗胶带走向呈直线排列，结合矿区西部第四系含水层厚度为10～30 m，本次疏干井设计深度为40 m，2排疏干井呈三角形布置，孔网布设参数为行距50 m，排距50 m；疏干井的井壁管和滤水管采用口径φ280 mm，壁厚10 mm的PVC管材，轮斗工作面疏干井布设方案如图1。

图1 轮斗工作面疏干井布设方案

1.2 疏干井施工工艺系统

1）疏干井施工工艺。本次共施工疏干井36眼，勘探工程量为1 438 m，实际施工平均井深39.94 m。钻探设备为车载反循环钻机，采用无心反循环清水钻进工艺，避免钻进过程中出现泥浆护壁，影响沙层水渗透性，施工钻孔扩孔口径φ500 mm。勘探深度以揭穿第四系粉砂、砾砂含水层为目的，达到疏干四系浅层含水的要求。钻进过程中通过返浆岩块采取岩心缩减样，判别地层层序和含水层埋藏深度[4-6]。

扩孔结束后立即下管，采用提吊下管法，下管前根据含水层结构进行管材排布、编号，滤水管均用100目（150 μm）的尼龙纱网包扎2层；下完管材进行动水填砾，砾料选择砾径小于5 mm的磨圆好、无风化、无杂质的优质砾石。砾料填充完毕后进行洗井工作。

2）抽水试验。抽水试验的目的是评价单井涌水量，确定含水层的水文地质参数。对本次施工的36眼疏干浅井均进行完整单孔稳定流抽水试验和疏排水动态监测。首先利用潜水泵洗井，洗井效果达到水清砂净后进行抽水试验，抽水试验按照GB 50027—2001供水水文地质勘察规范的要求进行；本次抽水试验从最小降深开始，且3次降深值合理，第1次、第2次稳定时间均不小于8 h,第3次稳定时间不小于16 h。及时进行各类原始资料整理、分析，现场绘制各类曲线[7]。抽水试验结束后，对所有观测资料进行检查、校核，编制了抽水试验关系曲线[8]。通过对抽水试验资料的整理和计算，计算了水文地质参数，进行单井水量评价。

3）管路安装。本次疏干排水主管路的管材为φ325 mm × 6 mm螺纹焊管，焊接长度1 512 m；支管路为φ159 mm × 4 mm低碳钢管，焊接长度1 052 m；井内出水管为φ50 mm × 4 mm的PVC塑料管，连接长度2 250 m。主管路与支管路、支管路与PVC塑料管均由法兰盘连接，并安装止逆阀，防止停泵时疏干主管路水量返送到疏干井内。

4）潜水泵及控制系统安装。抽水试验结束后安装潜水泵，根据抽水试验各疏干井的水量情况配备不同规格的潜水泵，以保证疏干井频繁启停潜水泵；每台潜水泵均配备液位计控制系统，安装前均检验液位计的灵敏性，确保水位下降到下限时潜水泵自动停止运行，水位恢复至上限时自动运行。控制系统下限安装在潜水泵入水口上1 m，上限安装在下限以上5～6 m；每眼疏干井配备涡轮流量计。潜水泵、控制系统由钢丝绳连接牢固，并在地表固定，防止设备脱落。每眼疏干井均独立配备电源控制柜，控制潜水泵和控制系统的启停。

2 疏干井效果评价

2.1 疏干井抽水试验数据分析

根据对36眼疏干井的持续跟踪观察，自2018年4月16日开始采集有效监测数据，进行疏干排水动态监测和有效性分析，第1排疏干井随着轮斗连续系统的作业开始逐渐拆除，截至8月15日36眼疏干井累计排水量为7 7116 m3。SG1疏干井的日排水量如图2，SG19疏干井的日排水量如图3。

图2 SG1疏干井日排水量曲线图

图3 SG19疏干井日排水量曲线图

由排水量曲线图可以看出：受含水层厚度、结构和岩性影响，疏干井含水层的富水性差异大，日排水量差异大；所有疏干井日排水量呈现逐渐下降趋势，且下降的速度逐渐减小；由于受到第2排疏干井的截流效果和采场临空面的渗流作用，第1排疏干井整体的排水量较小，排水量下降幅度较大。

利用北帮地表已有的水文观测井，监测地下水位变化情况，观1地下水位变化曲线如图4，观3地下水位变化曲线如图5，根据地下水位监测数据显示，地下水位自疏干井运行后开始呈现持续下降趋势，截止到8月6日水位观测值由疏干井运行前的6.1～8.3 m下降到10.4～14.2 m，最大下降值为5.9 m，除部分含水层厚度较大的疏干井，地下水位均下降到疏干井含水层底板以下。说明疏干排水使浅层地下水水位整体下降，有效的阻止地下水向矿坑内径流排泄。

图4 观1地下水位变化曲线

图5 观3地下水位变化曲线

2.2 轮斗工作效率分析

根据历年的现场生产实际情况，第四系浅层含水是影响轮斗连续系统效率发挥的关键制约因素，首先，受第四系浅层含水的影响，轮斗连续系统工作面存在众多涌水点，发生工作面局部坍塌、砂层涌砂现象，在工作平台低洼处汇集大量渗流水，直接影响轮斗剥离工作的正常运行；其次，为了满足轮斗连续系统对作业场地的技术要求，受地下涌水浸泡形成的淤泥需利用剥离设备进行换填，每年发生的清理淤泥量为80万m3，需发生直接费用约1 500万元；再者，受到地下水影响，且轮斗工作线较长，无法形成有效的排水线路，轮斗移设时行走场地处理时间较长，占用辅助工程设备数量较多，影响轮斗连续系统的移设时间。

疏干排水的主要目的是减少北帮第四系浅层地下水向采场内径流排泄影响轮斗作业效率，提高轮斗的工作效率。通过本次疏干排水期间的清淤量和轮斗产量与往年同期的清淤量和轮斗产量对比，分析疏干排水对轮斗工作清淤工程量的影响程度。2016—2018年轮斗连续系统清淤量和产量统计表见表1。

表1 2016—2018年轮斗连续系统清淤量和产量

为了更加直观的表征疏干井运行对减少轮斗连续系统清淤量的效果，利用2016—2018年轮斗产量与清淤量的比值形成曲线（如图6）。

图6 2016－2018年产量与清淤量关系曲线

由图6可以看出，2018年与往年同期相比，除4月份外，其他各月产量与清淤量的比值约为18，远大于2016、2017年同期产量与清淤量的比值，由此可以得出，由于疏干井超前疏干、截流作用，渗流到轮斗连续系统施工场地的浅层地下水大幅减少，有效减少了清淤量，从而提高轮斗连续系统的作业效率和经济效益，按照清淤单价15元/m3计算，截止到8月份与2016、2017年同期相比清淤量直接费用分别减少350万元、260万元。