于 鵬,石廣洋,徐進(jìn)軍,唐家明
(神華北電勝利能源有限公司,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026015)
勝利露天煤礦防治水研究及綜合治理
于 鵬,石廣洋,徐進(jìn)軍,唐家明
(神華北電勝利能源有限公司,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026015)
基于對(duì)勝利露天礦地質(zhì)條件、設(shè)備因素和生產(chǎn)實(shí)際情況的分析,論述了采場(chǎng)涌水對(duì)露天礦邊坡、內(nèi)排土場(chǎng)的穩(wěn)定和大型采掘運(yùn)輸設(shè)備的影響。結(jié)合該礦生產(chǎn)實(shí)際情況,有針對(duì)性地提出了解決方案,并對(duì)如何提高水資源的利用率也進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。
露天煤礦;防治水;地下水;采場(chǎng)涌水;地面疏干系統(tǒng);地下水資源利用
勝利露天煤礦已于2012年開始逐漸轉(zhuǎn)為內(nèi)排,采剝條件已發(fā)生較大變化,采場(chǎng)東側(cè)地面疏干系統(tǒng)已服役超過(guò)10 a,部分地面疏干井已不能達(dá)到設(shè)計(jì)初的效果,地下水賦存情況發(fā)生較大變化,加之地面疏干系統(tǒng)東側(cè)新修筑了錫林河河道,需對(duì)地面疏干系統(tǒng)進(jìn)行重新評(píng)估。隨著露天礦整體向西推進(jìn),揭露地層和含水層位置也逐漸發(fā)生變化,由第四系潛水逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐r裂隙水和部分區(qū)域的上層滯水,需要新的地質(zhì)勘探來(lái)確定地下水的賦存情況。由于勝利露天煤礦生產(chǎn)工采用單斗-卡車的半連續(xù)工藝,對(duì)運(yùn)輸?shù)缆泛碗婄P工作面要求較高,在日常生產(chǎn)中揭露的含水層涌水極大的了影響了該礦的生產(chǎn)效率,陷鏟、陷車等事故時(shí)有發(fā)生,存在一定的安全隱患,需要采取新的技術(shù)手段和方法治理工作面和運(yùn)輸?shù)缆酚克乐故鹿拾l(fā)生。
1.1 礦區(qū)概況
勝利一號(hào)露天礦位于勝利煤田中西部,2004年4月,中煤國(guó)際工程集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院完成了該礦的初步設(shè)計(jì),并更名為神華北電勝利一號(hào)露天煤礦。勝利一號(hào)露天煤礦已進(jìn)行6#煤剝離,2008年形成1 000萬(wàn)t的采裝能力。二期開采設(shè)計(jì)能力為每年生產(chǎn)原煤2 000萬(wàn)t,2012年國(guó)家已經(jīng)驗(yàn)收通過(guò)。勝利露天礦采區(qū)劃分“一橫三豎”4個(gè)采區(qū)。
1.2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件
勝利一號(hào)露天礦屬錫林浩特盆地水文地質(zhì)單元的一部分。本區(qū)對(duì)露天開采有影響的含水層有第四系孔隙潛水含水層、煤系頂?shù)[巖段裂隙、孔隙承壓含水巖組、5煤層裂隙承壓含水巖組、6煤層裂隙承壓含水巖組。
1)第四系孔隙潛水含水層。該層巖性以細(xì)、中砂為主,局部含礫石,底部含礫石量高,厚度為0~40.7 m,滲透系數(shù)4.44~16.51 m/d。屬中等富水含水層。
2)煤系頂?shù)[巖段裂隙、孔隙承壓含水巖組。該巖組以灰綠色、灰褐色、灰色細(xì)砂巖為主,本層厚度變化大,單位涌水量0.256 2 L/(s·m),滲透系數(shù)0.877 m/d。屬中等富水含水層。
3)煤層裂隙承壓含水巖組。該巖組以5煤層為主,其間夾有薄層泥巖、炭質(zhì)泥巖,平均厚度16.34 m?;救珔^(qū)發(fā)育,單位涌水量0.606 8 L/(s·m),滲透系數(shù)3.874 m/d。屬中等富水含水層。
4)煤層裂隙承壓含水巖組。該巖組以6煤層為主,基本全區(qū)發(fā)育,單位涌水量0.000 15 L/(s·m),滲透系數(shù)0.000 31 m/d。在一號(hào)露天區(qū)內(nèi),該層富水性極不均勻,屬富水性弱~極弱含水層。
4個(gè)含水層之間基本發(fā)育有較穩(wěn)定的隔水層,巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖為4個(gè)含水層之間基本發(fā)育有較穩(wěn)定的隔水層,巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉細(xì)砂巖為主。
露天礦地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件與區(qū)域地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件基本一致。潛水的補(bǔ)給由大氣降水、錫林河河水側(cè)向補(bǔ)給、冰雪融化水、大氣凝結(jié)水及地下水徑流組成,其中以大氣降水為主。礫巖段裂隙、孔隙承壓含水巖組,5煤和6煤層裂隙承壓含水巖組的補(bǔ)給主要是由大氣降水通過(guò)含水層隱伏露頭下滲補(bǔ)給及隔水層的局部薄弱地段越流滲透補(bǔ)給。
2.1 采場(chǎng)涌水對(duì)礦山設(shè)備的影響
由于勝利露天礦的生產(chǎn)工藝為單斗-卡車生產(chǎn)工藝,主采設(shè)備大部分為大型電鏟和重型卡車,主要包括 WK-35電鏟、WK-10電鏟、TR100卡車、MT4400卡車和830E卡車等。
由于大型電鏟和卡車對(duì)日常的生產(chǎn)條件要求較高,設(shè)備自重較大,自身靈活性較差,加之勝利露天礦除煤層外的地層多為泥巖、細(xì)砂巖和粉砂巖,遇水后呈塑性,易使大型設(shè)備發(fā)生沉陷,嚴(yán)重影響露天礦的安全生產(chǎn),大大降低了露天礦日產(chǎn)生產(chǎn)的作業(yè)效率,增加了露天礦的額外生產(chǎn)成本,制約著煤礦生產(chǎn)的快速推進(jìn)。
2.2 采場(chǎng)涌水對(duì)露天礦邊坡的影響
露天礦滑坡,大多發(fā)生在雨后、雨季和解凍時(shí)期,或因疏干排水方法不當(dāng)所致。因此,水是邊坡穩(wěn)定性極為有害的因素。水對(duì)邊坡的不利影響主要表現(xiàn)在軟化巖石,降低其強(qiáng)度,以及對(duì)邊坡的靜水壓力與動(dòng)水壓力作用。黏性土巖遇水后膨脹,甚至崩解,特別是含蒙脫石組的土巖,強(qiáng)度顯著降低。露天礦邊幫巖體中的黏土頁(yè)巖夾層,斷層中的泥質(zhì)充填物常導(dǎo)致滑坡。
勝利露天煤礦建礦至今,各幫邊坡均有滑坡現(xiàn)象發(fā)生。特別是勝利露天煤礦北部端幫,地下涌水量雖較小,但因地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,地下水和大氣降水沿構(gòu)造面滲流,時(shí)間一長(zhǎng),往往形成存在水力聯(lián)系的弱面,引發(fā)5煤標(biāo)志層以上邊坡失穩(wěn),對(duì)露天礦生產(chǎn)組織和安全構(gòu)成重大隱患?;虏坏o露天礦造成重大的經(jīng)濟(jì)損失,而且對(duì)露天礦長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有重大的不良影響,滑坡已經(jīng)成為勝利一號(hào)露天礦重大的安全隱患之一,隨著露天礦開拓的不斷延深,邊坡越來(lái)越高,原引起滑坡的軟層進(jìn)一步被揭露出來(lái),邊坡穩(wěn)定問(wèn)題日益嚴(yán)重,加強(qiáng)對(duì)采場(chǎng)涌水的治理,及時(shí)采取必要措施,是解決礦山今后經(jīng)濟(jì)、合理、安全開采的必要手段。
近幾年,勝利露天礦不斷總結(jié)防治水工作經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),形成了幾套有效的防治水綜合治理方法,確保該礦的安全生產(chǎn)。
3.1 地面疏干系統(tǒng)
露天礦第四系含水層來(lái)水方向主要在采場(chǎng)東部、東南部。且此部位含水層底板較低,為提高降水效果及延長(zhǎng)降水孔服務(wù)年限,結(jié)合采剝進(jìn)度,露天礦在采場(chǎng)主要來(lái)水方向且底板較低處不設(shè)降水孔,即沿非工作幫、東幫布設(shè)降水孔排。
第四系含水層來(lái)水方向主要在采掘場(chǎng)東部、東南部,且此部位含水層底板較低。為提高降水效果及延長(zhǎng)降水孔服務(wù)期限,設(shè)計(jì)選擇在采掘場(chǎng)主要來(lái)水方向的底板較低處布設(shè)降水孔。第四系疏干降水孔泵房采用半地下式,采取保溫措施,通風(fēng)采用機(jī)械排風(fēng)形式。礦區(qū)疏干水進(jìn)入水處理廠,經(jīng)處理后得到再利用。
露天礦地面疏干井大多布置在礦坑外圍10 km范圍內(nèi),數(shù)量多、距離遠(yuǎn),為方便日常管理,該礦采用遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng),該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)作為控制中心,PLC為終端,數(shù)據(jù)通訊采用數(shù)傳電臺(tái)的模式。該套系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確直觀的了解疏干井內(nèi)水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況,使監(jiān)控方式更加靈活,便于日常管理,提高了露天礦疏干系統(tǒng)的排水能力,地面疏干系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。
3.2 地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)
圖1 地面疏干系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
為檢驗(yàn)地面疏干系統(tǒng)運(yùn)行效果,勝利露天礦在疏干井外圍建立了完善的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng),通過(guò)對(duì)礦區(qū)周邊地下水水位的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)了解地下水水位的變化情況。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期地下水水位數(shù)據(jù)的分析,掌握地下水季節(jié)性的變化規(guī)律和賦存情況,用以指導(dǎo)露天礦地面疏干系統(tǒng)的運(yùn)行,有針對(duì)性的對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期疏排,將含水層水位控制在合理范圍內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地面疏干系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理,減少露天礦邊幫涌水進(jìn)入采場(chǎng),提高內(nèi)排土場(chǎng)穩(wěn)定性,確保露天礦安全生產(chǎn)。
3.3 采場(chǎng)涌水綜合治理
3.3.1 采場(chǎng)集水倉(cāng)改造
目前,露天礦經(jīng)常使用的疏排涌水方案多為在采場(chǎng)建立集水倉(cāng),利用離心泵疏排積水。此種方法需要設(shè)置水泵房并使用大功率多級(jí)離心泵。
勝利露天礦經(jīng)過(guò)多年的防治水經(jīng)驗(yàn)總結(jié),改變傳統(tǒng)做法,根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際條件,因地制宜,將部分水倉(cāng)多級(jí)離心泵更換為潛水泵,降低電耗的同時(shí)更方便安裝和使用。同時(shí)撤換水泵房,將潛水泵安放在集水倉(cāng)中,并自行設(shè)計(jì)施工棧橋,方便日后對(duì)水泵進(jìn)行維修保養(yǎng)。并為水泵安裝遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)或時(shí)間定時(shí)裝置,實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)啟停的智能運(yùn)行,減少人員投入。
對(duì)于部分無(wú)法按需改造的集水倉(cāng),勝利露天礦在原有集水倉(cāng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行深加工。勝利露天煤礦在設(shè)計(jì)采場(chǎng)集水倉(cāng)時(shí),將集水倉(cāng)設(shè)計(jì)為“U”或在來(lái)水的上游設(shè)計(jì)沉淀池,是涌水經(jīng)過(guò)沉淀池沉淀后,再進(jìn)行疏排。此舉大大降低了污水的懸浮物含量,減少了水處理過(guò)程中化學(xué)試劑的使用量,降低了生產(chǎn)成本。
3.3.2“反向大口井”排水系統(tǒng)
由于勝利露天礦在5號(hào)煤和6號(hào)煤層上部普遍存在含水層,且涌水量較為穩(wěn)定,對(duì)該礦的日常生產(chǎn)影響較為嚴(yán)重。該礦在南、北端幫涌水量較為穩(wěn)定的區(qū)域分別設(shè)計(jì)了兩口“大口井”。
該礦在設(shè)計(jì)施工“大口井”過(guò)程中參考了露天礦常用的疏干井設(shè)計(jì)原理。勝利露天礦自行設(shè)計(jì)的“大口井”,預(yù)先設(shè)計(jì)的井筒放入到涌水較為集中地集水倉(cāng)內(nèi),在利用濾料對(duì)井筒進(jìn)行填埋。
“大口井”形成后可作為排土場(chǎng)內(nèi)穩(wěn)定的供水水源,利用臨時(shí)加水設(shè)備可作為露天礦道路灑水降塵用水,將涌水就地轉(zhuǎn)化使用,減少灑水車運(yùn)距,降低生產(chǎn)成本,提高工作效率。如需要對(duì)井內(nèi)涌水進(jìn)行疏排,可布設(shè)排水管路,在水泵控制柜中安裝定時(shí)裝置或遠(yuǎn)程控制裝置,將涌水疏排至采場(chǎng)集水倉(cāng)進(jìn)行統(tǒng)一處理,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)“大口井”的遠(yuǎn)程控制和無(wú)人控制。
3.3.3“過(guò)濾器”虹吸排水系統(tǒng)
由于勝利露天礦運(yùn)輸?shù)缆范嘣O(shè)置在采場(chǎng)兩側(cè)的南、北端幫,而端幫涌水對(duì)道路運(yùn)輸產(chǎn)生了較大影響。在考慮到既不影響露天礦正常的采剝作業(yè),又能疏排端幫涌水,該礦采用聚乙烯管為虹吸管,利用液態(tài)分子的和引力和位能差,不利用水泵抽排液體。利用管口兩側(cè)的壓力差,將液體由壓力大的一邊抽排至壓力小的一邊。
虹吸排水法解決勝利露天礦排水和道路運(yùn)輸之間的突出問(wèn)題,使得該礦在處理端幫涌水的過(guò)程中減少對(duì)露天礦道路運(yùn)輸?shù)挠绊?。該礦在總結(jié)了虹吸排水法的成功經(jīng)驗(yàn)后,在內(nèi)排土場(chǎng)945 m水平處,設(shè)計(jì)施工了一套過(guò)濾器虹吸排水系統(tǒng)。該套系統(tǒng)是在虹吸排水法的基礎(chǔ)上,將疏干井中常用的過(guò)濾器與虹吸管相結(jié)合,利用過(guò)濾器將虹吸管進(jìn)水口包裹,使涌水通過(guò)過(guò)濾器進(jìn)入虹吸管中,確保虹吸管口不被涌水?dāng)y帶的泥沙堵塞,虹吸排水管路填礫示意圖如圖2所示。
圖2 虹吸排水管路填礫示意圖
此法不但解決了涌水疏排與露天礦排土場(chǎng)排土作業(yè)之間的突出問(wèn)題,同時(shí)釋放了大量?jī)?nèi)排土場(chǎng)空間,大大縮短了露天礦大型運(yùn)輸車輛的運(yùn)距,降低了生產(chǎn)成本,在不借助外力的情況下使涌水可以正常疏排,減少了人員和設(shè)備的投入,在帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也進(jìn)一步提高了內(nèi)排土場(chǎng)的穩(wěn)定,減少了因涌水而帶來(lái)的滑坡、片幫等地質(zhì)災(zāi)害的可能性。
3.3.4 移動(dòng)式、半固定式加水站
每年夏季是露天煤礦生產(chǎn)的黃金季節(jié),也是露天礦的用水高峰期,道路降塵和綠化用水量逐漸增加,如何合理利用采場(chǎng)涌水也是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。
隨著露天礦揭露的含水層逐漸增多,涌水分布呈現(xiàn)點(diǎn)多、面廣和出水量少的特點(diǎn)。針對(duì)這一特點(diǎn),勝利露天礦在采場(chǎng)設(shè)計(jì)了移動(dòng)式、半固定式加水站的解決方案。根據(jù)礦用灑水車實(shí)際尺寸,設(shè)計(jì)合理的加水水鶴,并將水鶴和發(fā)電機(jī)組安裝在可移動(dòng)的平臺(tái)上,方便日常移動(dòng)。同時(shí),為有效防止細(xì)砂和顆粒堵塞灑水車水泵,應(yīng)在管路中設(shè)置過(guò)濾裝置。移動(dòng)式、半固定式加水站的投入使用極大的方便了灑水車加水,縮短加水距離,降低了灑水車的運(yùn)輸成本和采場(chǎng)涌水的處理成本,釋放了內(nèi)排土場(chǎng)的排土空間,同時(shí)也提高了灑水車的灑水效率,使得采場(chǎng)涌水得到了合理利用,使二者得到了很好的結(jié)合。
3.3.5 涌水的綜合利用
勝利露天礦在設(shè)計(jì)初期就地下水資源的充分利用和安全環(huán)保排放等方面做了多方面研究??紤]將露天礦生產(chǎn)初期疏干水主要用于礦區(qū)綠化用水、土地復(fù)墾用水,道路灑水等,富余水量排至錫林河。在礦區(qū)疏干水處理廠建成投入使用以后將對(duì)疏干排水系統(tǒng)進(jìn)行改造,疏干排水管路最終引至疏干凈配水廠,疏干水進(jìn)入礦區(qū)復(fù)用水利用系統(tǒng)得到充分利用。
神華勝利露天礦疏干水處理廠位于勝利露天礦采場(chǎng)東南部,整體由沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì),主要用以解決勝利露天礦疏干水和采場(chǎng)污水的達(dá)標(biāo)排放、露天礦生產(chǎn)用水和神華勝利發(fā)電廠復(fù)用3方面的問(wèn)題。設(shè)計(jì)采用多級(jí)處理、分期建設(shè)的原則,設(shè)計(jì)小時(shí)處理能力為750 m3,后期隨著采場(chǎng)排水量的增加而繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模。整體工程于2008年開建,2009年全部完工,2010年6月投產(chǎn)試運(yùn)行,2011年6月21日開始24 h運(yùn)行,目前疏干水處理廠污水處理后出水水質(zhì)達(dá)標(biāo),并已納入內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)保廳在線監(jiān)測(cè)范圍。
露天煤礦是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,其中包含了采掘運(yùn)輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、調(diào)度控制系統(tǒng)、安全輔助系統(tǒng)和防排水系統(tǒng)等各種子系統(tǒng)。防治水工作雖然只是其中的一部分,但對(duì)采掘設(shè)備的生產(chǎn)效率、安全和水資源的利用等方面有著重要的影響。通過(guò)對(duì)勝利露天礦防治水工作的全面分析和研究,得到以下幾方面的成果:
1)通過(guò)對(duì)勝利露天礦地質(zhì)條件、設(shè)備因素和生產(chǎn)實(shí)際情況的分析發(fā)現(xiàn),露天礦采場(chǎng)涌水對(duì)煤礦生產(chǎn)設(shè)備效率的發(fā)揮產(chǎn)生了一定制約,也影響了露天礦的安全生產(chǎn)。同時(shí),也是露天礦部分工作幫和非工作幫發(fā)生發(fā)滑坡的誘因之一,對(duì)露天礦邊幫和內(nèi)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性造成了一定影響。
2)在總結(jié)了露天礦涌水的危害后,根據(jù)露天礦的實(shí)際條件,因地制宜,提出了行之有效的解決辦法。在涌水主要補(bǔ)給方向設(shè)置地面疏干系統(tǒng),有效治理影響內(nèi)排土場(chǎng)穩(wěn)定的涌水,利用地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)檢驗(yàn)和指導(dǎo)地面疏干系統(tǒng)的運(yùn)行。通過(guò)采場(chǎng)集水倉(cāng)改造、移動(dòng)式加水站、“反向大口井”排水系統(tǒng)和過(guò)濾器虹吸排水系統(tǒng),有效治理采場(chǎng)工作面涌水,提高涌水使用效率的治理效果。
3)在兼顧有效治理水害的同時(shí),考慮地下水資源的合理利用和較為經(jīng)濟(jì)的解決方案,將勝利露天礦涌水合理轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)綠化用水,提高水資源利用率,為其他露天礦提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
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【責(zé)任編輯:解連江】
Study on water control and comprehensive treatment in Shengli Open-pit Coal Mine
YU Peng,SHI Guangyang,XU Jinjun,TANG Jiaming
(Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhot 026015,China)
Based on the analysis of geological conditions,equipment factors and actual production situation,the article discusses the effect of water gushing in stope on slope and internal dump stability and large mining transportation equipment.Combining with the actual situation of mine production,the article puts forward the corresponding solutions,and makes a brief analysis on how to improve the utilization of water resources.
open-pit coal mine;water control;groundwater;water gushing;drainage system;groundwater resource utilization
TD854.5
B
1671-9816(2017)07-0067-04
10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.019
于鵬,石廣洋,徐進(jìn)軍,等.勝利露天煤礦防治水研究及綜合治理[J].露天采礦技術(shù),2017,32(7):67-70.
2017-02-18
于 鵬(1986—),男,內(nèi)蒙古烏蘭浩特人,碩士,畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)水文與水資源工程專業(yè),從事水文地質(zhì)工作。