黃選明，張 雁，李文嵩，田增林

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.國家能源集團(tuán)大雁公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021122)

露天開采是我國煤礦開采的兩大方式之一，自1914 年我國第一個(gè)露天煤礦撫順古城子露天煤礦生產(chǎn)至今，已有百年歷史。在此期間，我國露天煤礦的發(fā)展經(jīng)歷了初步發(fā)展(1950—1980 年)、加速發(fā)展(1980—2000 年)和創(chuàng)新發(fā)展(2000 年后)3 個(gè)階段。露天煤礦開采產(chǎn)量在煤炭總產(chǎn)量中的比例呈逐年增加趨勢，目前約占總產(chǎn)量的15%[1-2]。

露天煤礦生產(chǎn)過程中同樣面臨防治水問題。然而，由于我國露天煤礦水害類型相對單一，國內(nèi)學(xué)者鮮有對露天煤礦的水害特征和防治水技術(shù)進(jìn)行深入研究[3-4]。露天煤礦在剝離、開采過程中，地表水、大氣降水等主要充水水源易通過各類通道向礦坑中心匯集，為實(shí)現(xiàn)煤層安全開采，需要將采坑地下水位控制在剝采標(biāo)高以下。長久以來，我國露天煤礦地下水控制方式粗獷單一，為通過抽水井或利用集水坑進(jìn)行排水，這種方式對地表和地下水的資源及水質(zhì)造成浪費(fèi)和破壞，影響煤礦周邊生態(tài)環(huán)境[5-7]。2010 年以后，露天煤礦生產(chǎn)開始注重環(huán)境影響，疏排的礦坑水也逐漸得到充分利用，露天煤礦開始向科學(xué)采礦和綠色礦山轉(zhuǎn)型。然而，由于生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，礦坑疏排水量依然很大，個(gè)別露天煤礦單日疏排水量達(dá)數(shù)十萬立方，多個(gè)露天煤礦因疏排水量巨大造成生產(chǎn)成本增加、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)加大等問題，尤其近年來國家對生態(tài)文明建設(shè)提出新的要求，許多地區(qū)要求實(shí)現(xiàn)礦坑水零排放，這對露天煤礦生產(chǎn)是個(gè)全新挑戰(zhàn)。因此，如何優(yōu)化、轉(zhuǎn)變露天煤礦地下水控制方式是露天煤礦防治水工作面臨的新課題。論文從分析露天煤礦水害特征入手，歸納總結(jié)了目前露天煤礦常用的防治水技術(shù)，從露天煤礦綠色和可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，提出以攔截露天坑外圍動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量、減少礦坑疏排水量為目的的帷幕截流技術(shù)。

1 我國露天煤礦分布范圍

從地域上分析，我國適合于露天開發(fā)的煤炭資源主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、山西、云南、陜西、遼寧、寧夏、青海、黑龍江、吉林、河南、河北、廣西等13 個(gè)省(自治區(qū))[8-10]，其中內(nèi)蒙古、山西、新疆、云南為我國露天煤炭資源分布的集中區(qū)域[2-4]。從已有普查、預(yù)測儲(chǔ)量資料中了解，內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾礦區(qū)、寶日希勒礦區(qū)、伊敏礦區(qū)、霍林河礦區(qū)、白音華礦區(qū)、勝利礦區(qū)；山西平朔礦區(qū)；新疆大南湖礦區(qū)、沙爾湖礦區(qū)、五彩灣礦區(qū)、大井礦區(qū)、西黑山礦區(qū)；云南小龍?zhí)兜V區(qū)均存在大量適宜于露天開采的煤田。

目前我國主要露天開采煤礦區(qū)分布如圖1 所示。

2 露天煤礦水害特征

借助地下開采煤礦常用的充水3 要素(充水水源、充水通道和充水強(qiáng)度)概念分析露天煤礦的水害特征。

2.1 充水水源

采用露采工藝開采的煤礦，煤層埋藏深度普遍在300 m 以淺，這種本質(zhì)特征決定了其充水水源較為固定，即以大氣降水和地表水體為主，地下水為輔。

a.大氣降水 大氣降水是主要的充水水源，包括雨季降水和冬季降雪。露天礦開挖范圍大，接受補(bǔ)給與匯水面積廣，且礦坑剝采中心標(biāo)高最低，因此，接受大氣降水(積雪融水)補(bǔ)給后，快速匯集流向礦坑；其次，煤層上覆第四系松散層滲透系數(shù)大，滲透能力強(qiáng)，也是大氣降水快速入滲補(bǔ)給的有利條件。據(jù)內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)多個(gè)露天煤礦的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，雨季與非雨季地下水位的變化幅度為1.0～1.5 m[11]；降水后地下水位響應(yīng)迅速，說明大氣降水對露天煤礦充水影響十分顯著。另外，大氣降水也是地表水體和淺層含水層的補(bǔ)給水源。

b.地表水體 地表水體主要指河流、湖泊等一些相對穩(wěn)定的補(bǔ)給水體，這些水體對露天煤礦的補(bǔ)給方式為側(cè)向滲透補(bǔ)給，尤其在礦坑持續(xù)疏排水的影響下，降落漏斗不斷擴(kuò)大，使地表水體與礦坑之間的水力梯度增大，形成地表水體對礦坑的穩(wěn)定補(bǔ)給。側(cè)向滲透補(bǔ)給強(qiáng)度和地表水體的規(guī)模、地表水體與礦坑之間地層的滲透能力、水力梯度等參數(shù)有關(guān)。

圖1 我國主要露天開采煤礦區(qū)分布Fig.1 Distribution of the main open-pit coal mining areas in China

c.地下水 地下水主要接受大氣降水和地表水體補(bǔ)給，在露天煤礦開采過程中，沿露天礦邊坡和圍巖滲出并向礦坑匯集，惡化開采環(huán)境，但不會(huì)對生產(chǎn)造成威脅。

綜合對比來看，大氣降水的補(bǔ)給具有季節(jié)性，而地表水體補(bǔ)給相對穩(wěn)定，二者均為露天煤礦主要充水水源，地下水是次要充水水源。

2.2 充水通道

充水水源很大程度上決定了充水通道。露天煤礦充水通道主要有人為開挖形成的直通式通道、強(qiáng)滲透含水層或透水層、垂向?qū)@孔、滑坡形成的地表裂縫等。

a.人為開挖通道 露天礦剝離、開采后，巨大的礦坑、邊坡、臨時(shí)開挖的水溝等無疑是大氣降水匯集、徑流的有利通道，各類充水水源可通過此類通道直接入滲礦坑。

b.強(qiáng)滲透含水層或透水層 一方面，強(qiáng)滲透含水層具有較大的入滲系數(shù)，可減少大氣降水的徑流時(shí)間，使其快速下潛入滲；另一方面，對于側(cè)向補(bǔ)給而言，也有利于地表水體的側(cè)向補(bǔ)給。

露天煤礦開采過程中，煤層含水的情況并不少見，多數(shù)情況是地下水沿煤層裂隙滲出，說明煤層作為透水層，局部接受含水層補(bǔ)給，尤其在隱伏露頭區(qū)或“天窗區(qū)”接受補(bǔ)給后可沿煤層滲流。

c.鉆孔導(dǎo)水 露天煤礦在前期勘探階段施工過數(shù)量不等的地質(zhì)或水文地質(zhì)鉆孔，若這些鉆孔封孔質(zhì)量不良，則會(huì)成為潛在的導(dǎo)水通道，鉆孔將導(dǎo)通煤層上覆多個(gè)含水層，導(dǎo)致上部混合水入滲礦坑，且這類導(dǎo)水通道一般難以排查。

d.地表裂縫 露天煤礦邊坡發(fā)生滑動(dòng)后，在地表形成橫縱交錯(cuò)的裂縫，有些裂縫在縱向延伸很深，是大氣降水和地表積水良好的入滲通道。某露天礦周邊地表裂縫如圖2 所示。

綜上所述，露天煤礦導(dǎo)水通道與地下開采煤礦導(dǎo)水通道有明顯差異，露天煤礦導(dǎo)水通道的特點(diǎn)是均在淺部發(fā)育，有人為通道、天然通道和開采過程中形成的通道3 種，而地下開采煤礦中經(jīng)常提到的導(dǎo)水裂隙帶在露天煤礦中不存在。

圖2 某露天煤礦周邊地表裂縫Fig.2 Surface cracks around an open-pit coal mine

2.3 充水強(qiáng)度

在地下開采煤礦中，充水強(qiáng)度通常以礦井涌水量來表示，借鑒這一概念，用疏排水量表示露天煤礦的充水強(qiáng)度。露天煤礦疏排水量的大小與礦坑所處地理位置、周邊地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、自然環(huán)境等直接相關(guān)，并且不同露天煤礦的疏排水量差別迥異，每天的疏排水量由幾萬方至十幾、幾十萬方不等。

露天煤礦的充水強(qiáng)度有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

a.季節(jié)性變化明顯 受地域分布影響，我國多數(shù)露天煤礦分布在我國西北、東北的干旱或半干旱區(qū)域，大氣降水對礦坑充水影響較大，一般雨季或豐水期，疏排水量較大；旱季或枯水期，疏排水量較小。

b.前期疏排水量較大，后期疏排水量穩(wěn)定 露天煤礦開采前，地下水處于自然平衡狀態(tài)，露天煤礦開采后，打破了地下水的原始狀態(tài)，補(bǔ)徑排條件隨之發(fā)生改變。在前期疏排水過程中，主要是地層中的靜儲(chǔ)量，水量豐富，疏排水量大，隨著疏排水過程的持續(xù)，地層中靜儲(chǔ)量逐漸減少，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量參與其中，受補(bǔ)給條件限制，疏排水量呈逐漸衰減狀態(tài)，在某一階段會(huì)達(dá)到基本穩(wěn)定，即疏水量與靜儲(chǔ)量和動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量之和相當(dāng)。

c.疏排水持續(xù)周期長 露天煤礦疏排水工作是一項(xiàng)繁重、重復(fù)性的工作，通常情況是排出的地下水經(jīng)過一定方式的徑流后又重新返回礦坑，因此，疏排水工作持續(xù)時(shí)間長，難以快速疏干。

3 露天煤礦防治水技術(shù)

煤礦水害防治的七大技術(shù)[12]有：探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)。露天煤礦中應(yīng)用較多的是疏、排、截。選擇何種防治水技術(shù)應(yīng)該根據(jù)礦坑的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件及開采方法確定，不同階段的防治水技術(shù)也不盡相同。合理的地下水控制方式可以節(jié)省工程投資，減少對周圍環(huán)境的影響。

3.1 鉆孔疏排水

鉆孔疏排水[13-17]是露天煤礦最常用的解決開采過程中涌水的方法，是通過施工鉆孔進(jìn)行抽水，大量抽取地下水來降低地下水位，滿足礦坑安全開采的一種方法，我國目前生產(chǎn)的露天煤礦均采用這種方法。

鉆孔疏水方式有很多種[18-20]，如最常見的有垂直疏水孔、水平疏水孔；有地面常規(guī)口徑疏水孔、坑下大口徑(直徑1 m 以上)疏水孔；有單孔疏水也有井群疏水；有對單一含水層抽水，也有對多個(gè)含水層混合抽水；有在地下水補(bǔ)給方向進(jìn)行攔截抽水，也有在坑下進(jìn)行集中抽水。如伊敏露天礦、元寶山露天礦、扎尼河露天礦自投產(chǎn)以來均施工了近百口疏干井進(jìn)行地下水疏干；白音華二、三號露天礦采用大口徑深孔疏干井進(jìn)行疏干；海州露天礦采用水平鉆孔進(jìn)行疏干；烏蘭圖嘎煤炭公司露天煤礦自建井以來一直采用疏干井進(jìn)行第四系潛水疏干；錫林郭勒盟的某些露天礦采用第四系、煤系垂直降水孔聯(lián)合疏干；扎賚諾爾礦務(wù)局靈泉露天煤礦煤層水的疏干一直采用深井孔疏干；霍林河南露天礦和紅旗露天煤礦東部區(qū)段在前期開采時(shí)都采用了鉆孔疏干方案。

鉆孔疏水法應(yīng)用非常廣泛，該方法靈活性大，可根據(jù)開采條件的變化、水文地質(zhì)條件的改變而布置鉆孔，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，但鉆孔多為一次性投入，一旦地下水位下降至孔底，鉆孔將無法繼續(xù)抽水；其次，報(bào)廢后封閉不良的鉆孔，將成為潛在的導(dǎo)水通道。另外，單一的鉆孔疏降方法往往很難滿足開采需求，通常需要與其他疏排水方式結(jié)合。

3.2 專用疏水巷/排水溝

疏水巷和排水溝[21-23]通常應(yīng)用在采坑范圍內(nèi)，沿著積水方向施工一條巷道(排水溝)，作為疏導(dǎo)和引流用，將采坑范圍內(nèi)的水引至集水泵房后排出。這種巷道一般采用自流方式，將高處水引向低處，形式上有明渠和暗渠(盲溝)2 種。這種疏水方法不論含水層的透水能力如何，只要是重力水，均能被疏導(dǎo)和引流。

多個(gè)露天煤礦在生產(chǎn)過程中采用此方法疏排礦坑內(nèi)部積水[24-26]。如撫順西露天礦每日礦坑自然涌水量達(dá)5～7 萬m3，為合理攔截疏導(dǎo)礦坑范圍內(nèi)地表水，在坑下不同水平設(shè)置永久和臨時(shí)水溝；奧塔烏克日什東露天煤礦采場防治水技術(shù)方法是沿著水流方向在煤層頂板以上和采場邊界開挖南北、東西向排水溝；紅旗露天礦東部區(qū)段采用地下盲溝進(jìn)行疏排水；普陽露天煤礦針對基底巖溶裂隙水采用排水廊道疏排；大峰露天礦、霍林河南露天礦、元寶山露天礦、海州露天礦、平朔東露天礦等均曾采用類似方式進(jìn)行疏排水。

這種方法需要根據(jù)地形地勢和露天礦生產(chǎn)情況布置巷道或開挖水溝，工程量較大，尤其是暗渠或盲溝時(shí)，需要投入較大的物力財(cái)力，但疏排水效果較好，能夠有序有效地快速排水。

3.3 地面截水溝

地面截水溝[27]是攔截地表水進(jìn)入礦坑的一種超前截流方法，一般布置在采場外圍，有2 種形式：一是開挖水溝，將地表匯水直接引至采場外，二是開挖之后在溝內(nèi)鋪設(shè)塑料膜并回填剝離物進(jìn)行攔截。

撫順東露天礦為有效攔截地表水，礦坑地表建有東一段、西一段等多個(gè)水溝和老虎臺(tái)暗渠、郎士涵洞進(jìn)行截流水；伊敏露天礦修建南幫排水溝攔截西南臺(tái)地大氣降水及地表徑流，西端幫西北側(cè)設(shè)置四號排水溝、北幫防洪壩等攔截西北方向的大氣降水及地表徑流；奧塔烏克日什東露天煤礦在上游的防排水方案有2 種，一是在采場東南角出入溝底部見火燒矸石后的出水點(diǎn)，挖出溝后用黏土回填進(jìn)行截水；二是在采場南部水溝水位下降至適當(dāng)位置后采用鋪塑料膜回填剝離物堵截的方法進(jìn)行截水。這種方法在雨季、大氣降水補(bǔ)給比較充沛的時(shí)間段內(nèi)效果十分明顯。

3.4 基坑降水法

基坑降水法[28-29]是指在礦坑內(nèi)的適當(dāng)位置開挖基坑，作為集水坑，采用逐層環(huán)溝降深，四周擴(kuò)幫推進(jìn)的方式進(jìn)行施工，形成“回”字型基坑，周邊涌水可直接引至集水坑中，由水泵排出地表，建立明排系統(tǒng)，基坑位置可選擇在匯水中心的最低點(diǎn)。

寶清朝陽露天煤礦疏干降水孔影響半徑小，疏干效果不好，即使采用降水孔加密、增大水泵流量或者工作面挖縱橫排水溝等方法均不能徹底解決采場工作面積水問題，為此提出基坑降水法，在向斜軸部設(shè)計(jì)2 個(gè)基坑，基坑容量約4 000 m3，有效解決了礦坑疏排水問題。

3.5 輻射井疏干法

輻射井疏干技術(shù)[30]是由一大口徑的豎井和以其為中心向四周輻射的水平集水管組成。地下水沿水平集水管匯集至豎井中再集中抽出。就疏干效果而言，水平輻射井的集水原理同水平巷道一樣，但投資大大降低，采用此種疏干方式會(huì)節(jié)約大量資金。從安全角度考慮，該方法較巷道疏干法更具安全性，因?yàn)檩椛渚乃郊懿糠植淮嬖谝蚝畬訋r性松散或突水等因素引起巷道坍塌等安全問題。

與其他疏降方式相比，輻射井疏干技術(shù)兼具井群疏干施工簡單經(jīng)濟(jì)與巷道疏干技術(shù)疏干效果好的優(yōu)點(diǎn)，這種技術(shù)在大峰露天煤礦應(yīng)用效果良好。大峰礦集水井外直徑2.0 m，井深根據(jù)排土場深度確定，井底進(jìn)入七號煤底板1.5 m，集水井用鋼筋混凝土澆筑，輻射管采用DN125 外徑為140 mm 的無縫鋼管，輻射井通過輻射管集取礦坑底部礦井水，以輻射井為中心形成負(fù)壓區(qū)，促使周圍排土場內(nèi)的礦坑水向集水井滲透，解決了大峰露天煤礦的排水問題。

3.6 虹吸排水

虹吸[31-32]是利用液面高度差的作用力現(xiàn)象，將液體充滿一根倒U 形的管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)后，將開口高的一端置于裝滿液體的容器中，容器內(nèi)的液體會(huì)持續(xù)通過虹吸管向更低的位置流出。

虹吸排水是將傳統(tǒng)的“重力流”變?yōu)椤皾M管流”，管路達(dá)到“滿管流”狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生抽吸現(xiàn)象，可提高排水效率。虹吸排水不需要水泵和外接電源，減少排水過程中對外界條件的依賴，增強(qiáng)了排水的靈活性，提高了工作效率。勝利露天煤礦采用了虹吸排水法，其礦內(nèi)排土場出水點(diǎn)在+945 m 水平，為保證涌水不滲入其他平盤，在出水較為集中的區(qū)域，采用隔水性較好的泥巖作為防隔水壩的主要物料，進(jìn)行分層壓實(shí)，并利用土工膜等隔水性材料覆蓋在溝內(nèi)，形成臨時(shí)集水倉，將De80 聚乙烯管作為排水管，布設(shè)在臨時(shí)集水倉內(nèi)部。為方便排土場內(nèi)運(yùn)輸車輛通行，在內(nèi)排土場挖設(shè)管道溝，坡度約為5‰，將聚乙烯管布設(shè)在管道溝內(nèi)，順利將集中涌水排放至+915 m 水平。

3.7 帷幕截流

上述介紹的是目前我國露天煤礦常用的6 種防治水技術(shù)，但存在無法避免排水的共同問題，只是排水方式有所不同，大量疏排地下水對生態(tài)環(huán)境和地下水資源都帶來嚴(yán)重影響。因此，在當(dāng)前的環(huán)保要求下，要想實(shí)現(xiàn)綠色開采，降低疏排水對地下水資源的破壞和浪費(fèi)，必須采取措施減少疏排水量，而以減少疏排水量為目標(biāo)的帷幕截流[33-34]技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

帷幕截流技術(shù)在我國露天煤礦應(yīng)用不多，20 世紀(jì)90 年代在元寶山露天煤礦曾嘗試使用該技術(shù)攔截地下水入滲礦坑，但最終并未實(shí)施；2015 年開始在扎尼河露天礦實(shí)施的帷幕截水工程是我國首次采用帷幕截流技術(shù)[35-36]減少礦坑疏排水量的防治水工程，通過在煤層露頭外圍建造截水帷幕，有效攔截了礦坑北側(cè)來自海拉爾河的河水補(bǔ)給，截水效果顯著，從根本上解決了礦井面臨的防治水難題，值得推廣。

3.8 立體防治水技術(shù)體系

綜上所述，目前我國露天煤礦防治水技術(shù)方法較為成熟，形成了由遠(yuǎn)及近、由上而下、由面至點(diǎn)的立體防治水技術(shù)體系。

由遠(yuǎn)及近是指既有遠(yuǎn)離開采中心的地面截水溝、截水帷幕等方法，也有在開采中心實(shí)施的大口徑疏干井、集水坑疏排水等方法；由上而下是指既有地面疏干井，也有虹吸排水法、又有坑下疏排水法；由面至點(diǎn)是指既有截水帷幕、截水溝等面狀截水法，又有局部輻射井法和單孔疏降等方法。

各種防治水技術(shù)之間相互關(guān)聯(lián)且并不矛盾，露天煤礦可根據(jù)具體水文地質(zhì)條件和生產(chǎn)情況，在不同區(qū)域不同生產(chǎn)階段并行選用多種疏排水技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合疏排水，以達(dá)到環(huán)保、安全生產(chǎn)的目的。

露天煤礦立體防治水技術(shù)如圖3 所示。

圖3 露天煤礦防治水技術(shù)Fig.3 Schematic diagram of water prevention and control technology in open-pit coal mines

4 結(jié)論

a.大氣降水、地表水和淺層地下水是露天煤礦主要的充水水源，人為開挖形成的直通式通道、強(qiáng)滲透含水層或透水層、垂向?qū)@孔、滑坡形成的地表裂縫等是主要的充水通道。季節(jié)性變化明顯、疏排水周期長、排水量大是露天煤礦疏排水的主要特征。

b.露天煤礦常用的防治水技術(shù)有鉆孔疏排水、專用泄水巷排水、地面截水溝、基坑降水、輻射井疏干、虹吸排水、帷幕截流等，多種防治水技術(shù)形成了由遠(yuǎn)及近、由上而下、由面至點(diǎn)的立體防治水技術(shù)體系。

c.為實(shí)現(xiàn)露天煤礦綠色開采和可持續(xù)發(fā)展，保護(hù)地下水資源和礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境，以減小礦坑疏排水量為目的的帷幕截流技術(shù)是今后露天煤礦防治水的主要發(fā)展方向。

d.文中建議以礦坑疏排水量代表露天煤礦充水強(qiáng)度，但并未對其進(jìn)行分級，有待在后續(xù)工作中進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

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