7第七章 地下水控制及防排水g.docx

7第七章 地下水控制及防排水g.docx

《7第七章 地下水控制及防排水g.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《7第七章 地下水控制及防排水g.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

7第七章地下水控制及防排水g

第七章地下水控制及防排水

第一节水文地质条件分析

一、矿井含（隔）水层（组）特征

1、第四系冲积层（Q）

第四系褐煤（Qh）多分布于冲沟的两侧，其分布方向与冲沟地形一致，本层上部多为坡积粘土或黄色砂质土，夹褐煤1～7m，底部为1～6m的细砾砂层，由于出露一般高出冲沟且富含潜水，微具承压自流，泉水丰富。

矿区涌自本层泉水计30处，泉群往往开成湿地，流量0.014～0.44L/s。

水质为HCO3·Cl-Na·Ca型及HCO3—Ca·Mg型，PH＜7，矿化度小于1g/L。

近代冲积层（Qpl）主要分布于冲沟及河流两侧，于古城井田中部以南见到较为明显的砾石层及砂质粘土组成的三级河流阶地。

于大猪街矿区以西的Ckll6和CKll8两孔探得的河流砾石层厚度达40m以，矿区冲沟内冲积物由砂、砾石及冲积土组成。

厚度一般不超过5m。

南部本层有泉水出露，流量为0.01～0.108L/s，浅井抽水资料：

q=0.021～0.095L/s·m，K=0.750～2.723m/d。

水质为HCO3·CL-Na·Ca和HCO3—Ca·Mg型。

矿化度小于11g/L，PH＜7。

2、新第三系（N32）：

为粘土、砂质粘土岩夹不规则的粉砂、细砂、砂砾石层，其中粉砂，细砂及砂砾石层，岩化程度很低，松散。

粉、细砂层在扰动后随水流失，含孔隙水，具承压性。

古城井田内含水层厚度一般在5～l0m，往北增厚，至果园井田北部厚度增大至40m。

沿含水层边部有大量下降泉出露，泉水流量0.018～1.508L/s。

在钻进过程中发现漏水，涌水现象，最大漏失量为2.722m/h，涌水量在0.039～0.168L/s。

抽水资料：

q=0.086～0.3L/s·m，K=1.174～2.679m/d，水质为HCO3·Cl—Na·Ca型，PH<7，矿化度小于1g/L。

3、绿汁江组第二段（Ptkn2l2）：

由白云岩、白云质灰岩夹薄层灰岩组成，构成盆地西部基底。

有6个孔探至此层，层厚600m，在钻进此层时发现接近原风化侵蚀面岩芯破碎，普通有漏水现象，最大漏失量达到1.119m3/h，个别孔岩芯见有明显溶触现象。

该层露头出露于白沙村，据访问白沙村大桥东20m处有一溶洞，后被淤塞。

905钻孔抽水资料：

q=0.541L/s·m，K=1.113m/d，水位标高1761.98m，高出层顶132.03m。

水质为HCO3·Cl—Na·Ca型，矿化度小于1g/L，PH=7。

4、绿汁江组第一段下部（Ptkn2l11），以红、淡紫色白云岩、白云质灰岩夹泥灰岩为主。

分布于盆地基底之中部呈北东走向，有4个孔探至此层，层厚200～350m，由南至北厚度增大。

1001钻孔抽水资料：

q=0.637L/s·m，X=2.004m/d，水位标高为1761.37m，水头高出层顶72.14m，水质为HCO3·C1—Na·Ca型，矿化度小于1g/L，PH=7。

5、笫四系残积层（Qcl）：

分布于矿区中部和北部，由原地风化的砂砾及砂土组成，试坑结果证实为透水不含水层。

6、新笫三系中下部（N22—N1）即B2层，由M2煤层直至新第三系底部。

古城井田范围以内，M1煤层以下多为粘土及炭质粘土等组成，钻孔煤层抽水检查结果q=2.8×10-6～4.05×10-6L/s·m。

在局部钻孔发现有漏水现象，漏失量在0.109～1.76m3/h。

底部砾石层多由粘土、砂质粘土夹砂岩、白云岩碎石料（直径一般小于20mm）组成。

一般在盆地边缘较为发育。

钻孔抽水资料：

q=0.0015L/s·m，具隔水性，但在个别钻孔亦发现有冲洗液漏失现象。

M2煤层水质为HCO3·C1—Na·Ca型，PH≤7，矿化度>1g/L。

7、三家厂组（Ptknas），绿汁江组（Ptkna121，Ptkn21s），多为杂色泥质板岩及石英板岩、千枚岩组成，分布于矿区中东部，构成部分盆地基底，据云南省地方煤矿地质勘探队和相邻地质局十三队勘探区及鹅头厂铁矿资料划为隔水层。

矿区内钻孔所见板岩，岩芯完整。

在三家村以南施工的浅井，井深7m，距水沟2m，半年内无水渗入。

古城第三生产队施工的民井，井深12m，井底水深仅0.15m。

二、充水因素分析

白沙河由古城东进入矿区边缘，在矿区东部设测站I，最大流量为30.24m3/s，枯季仅0.016m3/s。

在古城东部设测站II，最大流量93.434m3/s，白沙村西北设测站Ⅲ，最大流量为40.365m3/s，从以上对比可知：

测站I流量大于测站II流量，其原因可能是河水转入地下，变成潜流，或补给第四系。

测站II流量小于测站Ⅲ流量。

是矿区第四系潜水和沿途溪流补给河水之故。

古城东部和白沙村东北部，河流切割M2号煤层，河水对露天矿有直接影响。

白马河最大流量3.5m3/s，其河床离M2煤层一般在400～500m，对露天坑没有直接影响。

三、地下水补给、径流与排泄

矿区地貌，北部高而较开阔，南部低而狭窄，南北部比高约50m，盆地汇水面积达100km2以上。

大气降水经自沙河、白马河汇合后流出矿区。

矿区南部地形较低且窄，排泄条件较差。

新第三系地层的上部含水段，主要补给水源为大气降水，由于矿区西北部含水层发育，在该含水层边缘地带可见到大量的下降泉水露头。

盆地中部排泄条件较差。

矿区笫四系水流向与地形坡度及河流、水沟流向一致，由北向南补给河流。

白沙河、白马河直接切割Ptkn212、Ptkn2l1二含水层露头，且承压水具有一定的水力坡降。

白沙河、白马河按目前所获的资料，可以认为有可能通过第四系冲积层直接沟通并补给以上两个含水层。

其水质类型及及所含矿物基本上一致，可以说明以上含水层的相互沟通关系，但还缺乏其详细的工作。

按区域水文地质特征，由灯影灰岩及绿汁江组组成的强含水层由北向南经矿区基底形成富水承压—自流地段，由于矿区第三系基底了解不足，目前尚不能提供足以证明Ptkn2111、Ptkn212两含水层由北向南的补给情况需要相当的工作量加以证实。

第二节地下水控制

一、采掘场充水条件

矿区北部高而较开阔，南部低而狭窄，南北部比高约50m，盆地汇水面积达100km2以上。

由于云南地区属于湿润-多雨地区，多年平均降雨量达到1015.25mm，因此，大气降水为矿区主要补给源。

大气降水在地表形成地表径流，经自沙河、白马河汇合后流出矿区，同时，一部分降水形成下渗水，补给潜水含水层及深部承压含水层。

新第三系地层的上部含水段，主要补给水源为大气降水，由于矿区西北部含水层发育。

在该含水层边缘地带可见到大量的下降泉水露头。

盆地中部排泄条件较差。

矿区南部地形较低且窄，排泄条件较差。

矿区笫四系水流向与地形坡度及河流、水沟流向一致，由北向南补给河流。

二、地下水的控制方式

根据现有资料，认为矿区水文地质类型简单，主要补给源为大气降水，由于第三系煤系地层中分布有大量的泥岩隔水层，各含水层补给贫乏，含水微弱，富水性差或中等，本次设计认为不需要专门设置疏干工程，对于采掘场渗出的地下水水可以引至采掘场坑底、进行汇集，通过采掘场集水坑采用水泵排出场外，方案较为经济合理。

下一阶段设计建议甲方加强水文地质勘探，再根据实际收集到的各含水层、隔水层参数，对地下水的控制方式进行论证。

三、采掘场地下水涌水量估算

采掘场地下涌水量按常用的大井法进行估算。

（一）估算原则

1、矿山开采方式为露采，矿坑涌水量的预算范围按照设计圈定的首采区范围。

首采区范围最低开采标高102m以上的范围即为本矿涌水量的预算范围。

南北平均宽（b）440m，东西平均长（a）800m。

2、第三系（N32）粉砂、细砂及砂砾石含水层为微承压含水层，在赋岩剥离，煤层开采疏干的过程中，地下水必将转为无压水，按承压转无压水对待。

3、由于井田气象水文、地质构造等自然因素的制约，大气降水对地下水的补给甚微，预算时可不予考虑大气降水补给因素的存在。

（二）计算方法、计算公式选择及计算参数的确定

1、计算方法

首先利用坑道系统的长度（a）与宽度（b）比值大小确定引用半径r0，然后再利用大井法预算矿坑涌水量。

b与a的比值为1.8，可采用大井法进行预算。

2、计算公式的选择

公式选用承压转无压水的计算公式：

式中：

Q—拟建新井的涌水量（m3/d）；

K—渗透系数（m/d）；

H—承压含水层水头高度（m）；

M—承压含水层厚度（m）；

R0—引用影响半径（m）；

r0—引用半径（m）。

3、计算参数的选用

渗透系数（K）：

渗透系数采用相关钻孔抽水试验渗透系数，取1.0m/d，作为矿坑涌水量预算的含水层渗透系数。

承压水从井底算起的水头高度（H）：

水位标高值由于没有资料，依据矿田区水文地质条件，暂定水头高度为20m。

承压水含水层厚度（M）：

①第三系（N32）含水层厚度采用含水层剔除泥质岩石、粘土、粉砂岩后，砂砾岩、粗砂岩的真厚度之和。

②含水层厚度的计算值，采用首采区钻孔揭露的平均值，为5.00m。

大井引用半径（r0）：

r0=η×（a+b）/4

坑道系统a=800mb=440m

r0=

=334.7

引用影响半径R0=r0+R　

∵疏干后S=10.0m

∴R=10×10.0×

=100m

R0=334.7+100=434.7m

4、计算结果

已知：

K=1.0m/d；H=10.00m；M=5.00m;

r0=334.700m;R0=434.7m

代入公式

Q=1.366K（

）

=1.366×1.0×（

）

=902.5m3/d

四、疏干排水系统

采掘场排水应采用防、排、堵及其组合方式。

在采掘场最深部设置集水坑、移动泵站，将大气降水形成的地表径流，经工作帮移动坑线的坡道、边沟、放水沟、汇入集水坑，由潜水泵排至水池，用于道路洒水和绿化。

同时，可在端帮设置排水管，引至地面水池。

考虑到采掘速度可能较快，排水泵和排水管路随剥采工程推进而频繁移设，为便于移设，建议采用快速接头。

五、地下水动态观测及辅助设备

地下水对采掘、运输、排土有严重影响，同时，地下水对边坡稳定有严重影响，所以，对于地下水的动态观测变得尤为重要。

通过疏干排水措施，降低地下水水位，减轻其危害性。

为观测地下水控制效果和区域地下水动态变化，应在露天矿采场周边布设观测孔网。

六、问题与建议

研究区水文地质资料尚不足，难以对水文地质条件进行详细的了解，同时无法了解矿田区含、隔水层的分布及岩性特征，建议后期补充水文地质钻孔，为后期工作做准备。

第三节采掘场排水

在采掘场较低的位置设置集中排水泵站，由排水泵站沿端帮布设排水管路，引至地面。

一部分疏干水进行利用，用于道路洒水和绿化。

一、水量预计

露天矿采掘场涌水量是由地下水涌入采矿场的水量和大气降水沿地面流入采矿场的水量所组成。

地下涌水量在前一节已进行估算，大气降水流入采矿场的水量按降水量法计算。

（一）估算原则

矿区开采方式为露采，矿坑涌水量的预算范围按照设计圈定的首采区范围。

由于首采区南部边界是原矿田的采空区，本次将该采空区设置为内排土场，首采区范围包括内排土场。

上述界定的范围最低开采标高102m以上的范围即为本矿涌水量的预算范围。

南北平均宽（b）440m，东西平均长（a）800m。

（二）计算方法、计算公式选择及计算参数的确定

1、大井法

通过前一节的地下水涌水量估算可知，大井法获得地下水涌水量为902.5m3/d，即37.6m3/h。

2、降水量计算法

由于云南地区属于多雨区，结合该区雨季的分布，本次对矿田区降雨量的估算，分雨季（5～10月份）与非雨季（11～4月份）进行。

参考白沙露天矿所在地区武定县15年（1957年至1971年）的气象资料，该区5月至10月为雨季，降雨量占全年的90％，多年平均降雨量约1015.25mm，日平均降雨量为2.78mm，日最大暴雨量105.00mm。

根据上述资料，雨季（5～10月份）暴雨期日平均降雨量为189.00mm，正常期日平均降雨量5.00mm；非雨季（11～4月份）暴雨期日平均降雨量为21.00mm，正常期日平均降雨量0.56mm。

利用降水形成的采坑涌水量公式Q=0.1×F×H×α，其中Q为露天矿采坑涌水量，104m3/d；F为露天采坑面积，km2；H为日平均降雨量值，mm；α为径流系数，无量纲。

将雨季与非雨季日平均降雨量值，白沙露天矿首采区的面积为0.35km2，由于是直接降落到采区，不存在地表径流，α取1，将上述各值代到公式中，则雨季（5～10月份）首采区非暴雨期正常水量111m3/h；非雨季（11～4月份）首采区非暴雨期正常水量46m3/h。

暴雨时期的采坑涌水量，同样采用上述公式，暴雨径流系数α取0.4，则雨季（5～10月份）首采区暴雨期水量1140m3/h；非雨季（11～4月份）首采区暴雨期水量160m3/h。

考虑到一日最大降水量的观测序列（n）长达15年，暴雨地表径流系数α值的选取是根据《水文地质手册》中关于粗砂等颗粒较大的松散层及矿区所处的水资源地带来确定的。

由于矿区属于湿润-多水带，同时矿区及附近地表松散物多被第四系冲积层、残积层中的砂、砾石为主的沉积物所覆盖，因此，地表径流系数α值选用0.4较妥，具有一定的代表性。

参照GB15218－94《地下水资源分类分级标准》，计算的一日最大降水直接降落在采坑中的水量（Q），其精度相当D级，误差大体在70%以内。

3、预算结果评述

由上述计算可知，设计百年一遇暴雨量在雨季（5～10月份）与非雨季（11～4月份）进入采坑的平均值分别为1140m3/h、160m3/h，而正常降雨时，在雨季（5～10月份）与非雨季（11～4月份）进入采场的水量分别是111m3/h、46m3/h。

由大井法计算出地下水进入采场的水量是902.5m3/d，依据GB15218—94《地下水资源分类分级标准》大井法计算的结果，其精度相当于D级，误差大体在70%以内。

根据《水文地质手册》中关于露天煤矿矿坑涌水量的预算要求，露天采坑的涌水量应为降雨量法和大井法计算之和。

由于地下水流入采场的水量与大气降雨沿地面流入采矿场的水量相比很小，几乎可忽略不计。

勘探区属亚热带高原型季风气候，雨量集中在夏季，应在地面修筑沿帮固定水沟，把地面水尽最大可能拦截在上部，不让地面水流入采场，做到浅水浅排。

大井法的计算结果902.5m3/d则为枯水期时的采坑涌水量值。

矿田首采区水量如表7.3.1所示。

表7.3.1　矿坑水量汇总

雨季正常水量

雨季暴雨期水量

非雨季正常水量

非雨季暴雨期水量

降雨量（m3/d）

1751.40

26460.00

194.60

2940.00

地下涌水量（m3/d）

902.45

902.45

902.45

902.45

总水量（m3/d）

2653.85

27362.45

1097.05

3842.45

总水量（m3/h）

110.58

1140.10

45.71

160.10

二、排水设备

（一）设计依据

1、采掘场水量：

本矿非雨季正常水量45.71m3/h，暴雨期水量160.10m3/h；本矿雨季正常水量110.58m3/h，暴雨期水量1140.10m3/h。

其中暴雨期水量系按照百年一遇一日暴雨量计算。

2、采掘场排水泵设置：

在首采区矿坑底部设置采掘场排水泵集水池，首采区最终标高：

+1674.49m。

3、矿坑顶部标高：

矿坑顶部地面标高为+1776.49m。

4、采掘场排水管路布置：

排水管路由采掘场集水池→坑底排水管路→边坡排水管路→地面，敷设总长度约为470m。

5、排水垂高：

采掘场排水泵房至地面垂高102.0m。

（二）采掘场排水系统方案

露天矿坑内的汇水主要为矿坑汇水区的降雨径流量和煤层含水层的地下水两部分。

坑内排水拟采用坑底集水池储水、采用潜水泵将积水从集水池内排出至地面。

（三）采掘场排水设备及管路选择

1、水泵及管路的初选

①水泵应具有的排水能力：

按照《煤矿安全规程》、《煤炭工业露天矿设计规范》规定，矿山工作水泵在20小时内排除24小时涌水量，，排水泵工作时间按每天20h计算，则正常排水泵应具有的排水能力：

根据本矿山条件，暴雨期排水泵应在3天内排完100年一遇1天的水量，排水泵工作时间按每天20h计算，则暴雨排水泵应具有的排水能力：

根据《煤炭工业露天矿设计规范》规定，当暴雨径流量为正常排水量的3倍及以上时，可分别选择不同型号的水泵，但根据排水泵应具有的排水能力的计算，经分析确定选用同等规格排水设备，以减少排水设备种类及数量。

②根据排水设备应具有的排水能力计算，初选排水设备及管路

基于排水设备的流量计算，在参考国内几家知名潜水泵的产品样本的基础上，设计对设备方案进行了比较，排水设备方案比较详见表7.3.2排水设备方案比较表。

由方案比较表可知：

方案一，排水设备选用1台YQ275-153/4-180型矿用潜水电泵和2台BQS240-24×6-200型矿用潜水排沙电泵；排水管路选用2趟D273×8螺旋焊缝钢管基质钢塑复合管。

该方案虽然设备台数较多，总投资高；但是在正常时期选用运行稳定，水泵效率高（可达77%），年电耗低的YQ系列YQ275-153/4-180型潜水泵。

暴雨期选用更适用于矿山含有一定量泥沙及煤粉水质的，运行稳定，耐磨性好的BQS系列矿用潜水排砂泵。

此方案在正常时期排水经沉淀池沉淀，水质较好的时候，运行效率较高的YQ系列排水设备，大幅降低年运行电费；而在全年相对时间较短的、水质较差的暴雨期运行耐磨性好的BQS系列矿用潜水排砂泵，此种组合使用的方式使各型水泵发挥了其自身的优点并避开了其不足之处，既延长了水泵使用寿命，又达到了节能减排，低碳运行的目的。

方案二，排水设备选用2台BQS240-24×6-200型矿用潜水排沙电泵；排水管路选用2趟D273×8螺旋焊缝钢管基质钢塑复合管。

该方案虽然设备台数较少，总投资较低；选用更适用于矿山含有一定量泥沙及煤粉的水质，运行稳定，耐磨性好，使用寿命长的BQS240系列矿用潜水排砂泵。

但是BQS系列矿用潜水排砂泵效率不高（仅可达52.3%），导致年电耗高，年电费高，不符合节能减排的精神，故设计不予推荐。

表7.3.2　排水设备方案比较表

方案

单位

方案一（推荐）

方案二

方案三

方案四

水

泵

型

号

非暴雨期

YQ275-153/4-180

275m3/h、153m

BQS240-24×6-200

240m3/h、144m

YQ275-153/4-180

275m3/h、153m

BQS100-22×7-90

100m3/h、154m

暴雨期

BQS240-24×6-200

240m3/h、150m

BQS240-24×6-200

240m3/h、144m

YQ275-153/4-180

275m3/h、153m

BQS100-22×7-90

100m3/h、154m

台数

台

1+2

2

2

5

总排量

m3/h

275+480

480

550

500

管

路

规格

—

DN250复合管

DN250复合管

DN250复合管

DN150复合管

趟数

趟

2趟

2趟

2趟

4趟

排

水

时

间

暴雨/非暴雨

非暴雨期

暴雨期

非暴雨期

暴雨期

非暴雨期

暴雨期

非暴雨期

暴雨期

雨季

h/d

9.7

19

11.1

19

9.7

16.6

11.01

19.2

工作状态

1泵1管

2泵2管

1泵1管

2泵2管

1泵1管

2泵2管

2泵2管

5泵4管

非雨季

h/d

4

14

4.6

16

4

14

13.3

18.3

工作状态

1泵1管

1泵1管

1泵1管

1泵1管

1泵1管

1泵1管

1泵1管

2泵2管

设备+管路+安装费

万元

124.1

101.4

92.2

111.3

年电费

万元

65.7

77.5

41.9

85.9

备注

1、电费按照0.704元/kW.h。

2、表中投资为同比可比费用，仅用于方案比较。

3、方案一中BQS240-24×6-200潜水泵作为YQ275-153/4-180型潜水泵的备用泵。

方案三，排水设备选用2台YQ275-153/4-180型矿用潜水电泵；排水管路选用2趟D273×8螺旋焊缝钢管基质钢塑复合管。

该方案虽然设备台数少，总投资低，水泵效率高（可达77%），年电耗低，符合节能减排的精神；但是暴雨期排含有一定量泥沙及煤粉的水质，加大了水泵的磨损，增加了设备维护检修的工作量，大幅降低了水泵的使用寿命，故设计也不予推荐。

方案四，排水设备选用5台BQS100-22×7-90型矿用潜水排沙电泵；排水管路选用4趟D168×6.5低压流体焊接钢管基质钢塑复合管。

该方案虽然设备单机容量小，可根据实际排水量调整工作方式，单台设备及单趟管路的重量小，移动方便，使用灵活，但是其设备台数多，管路趟数多，总投资较高；BQS100系列矿用潜水排砂泵效率低（仅可达51.5%），导致年电耗高，年电费高，不符合节能减排的精神，故设计也不予推荐。

经上述综合分析比较，设计确定选用方案一，即雨季、非雨季正常涌水期及非雨季暴雨期，因水量相对较少，矿山涌水均可经过沉淀池沉淀后再进入水泵吸水池，有效改善水泵运行环境，故设计选用YQ系列YQ275-153/4-180型潜水泵1台工作；考虑到雨季暴雨期矿山排水中含泥沙量较大，排水设备工作环境差，故暴雨期排水泵设计选用2台排沙能力较强的BQS系列BQS240-24×6-200型矿用潜水排沙泵同时工作；2台BQS240-24×6-200型矿用潜水排沙泵同时作为雨季、非雨季正常涌水期及非雨季暴雨期YQ275-153/4-180型潜水泵的备用泵；排水管路选用2趟D273×8螺旋焊缝钢管基质钢塑复合管，雨季、非雨季正常涌水期及非雨季暴雨期1趟工作1趟备用，雨季暴雨期2趟同时工作；排水管沿坑底→边坡敷设至地面。

排水泵、排水管路选型见表7.3.3排水设备汇总表

表7.3.3　排水设备汇总表

　　　项目

状态

设备名称

型号及规格

单位

数量

工作

备用

非暴雨期

潜水电泵

Q275-153/4-180

台

1

见备注

钢塑复合管

D273×8

m

500

500

卡箍式柔性管接头

DN250mm，PN2.5MPa

套

160

暴雨期

潜水电泵

BQS240-24×6-200

台

2

—

钢塑复合管

D273×8

m

2×500

—

备注

1、BQS240-24×6-200型潜水泵同时作为YQ275-153/4-180型潜水泵的备用泵。

2、排水管路共2趟钢塑复合管，其基材为螺旋焊缝钢管。

（四）采掘场排水泵附属设备

设计选用了矿用电动闸阀以提高水泵运行的自动化程度；选用多功能水泵控制阀及卸荷阀以减小水锤对管路及排水设备的危害。

（五）配电与控制

根据首采区排水系统控制工艺要求，系统配备了相应的传感器和PLC控制柜，以完成工艺过程的控制。

并设置高性能工控机作为操作监控站,实现给排水系统的集中操作和监控。

系统可实现集控和就地两种控制方式，集控时：

集中单一和集中自动操作，就地时：

在现场可直接开启各设备。

本系统在深加工场地设操作员工作站，通过通信方式把现场排水数据传至操作员工作站。

操作员工作站由一台微机和打印机组成，操作员工作站可实现：

1、实时采集模拟量，开关量以及各类保护信息，实时数据处理。

2、对设备故障、错误操作等进行处理，以音像、语音报警方式通知操作员，并进行打印和存储。