李 穎，楊 卓，程 麗

(中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司 綠色礦山規(guī)劃設(shè)計(jì)所，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

露天煤礦具有生產(chǎn)安全、資源采出率高、高產(chǎn)高效等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到快速發(fā)展，但是為消除開(kāi)采過(guò)程中地下水引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，開(kāi)采時(shí)需將地下水抽出以降低含水層水位，但該方法造成地下水資源量衰減甚至枯竭，同時(shí)排水形成的巨大排泄區(qū)影響范圍遠(yuǎn)大于礦坑面積[1]，由此產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)效應(yīng)尤為突出[2]。由于疏干水量大且不穩(wěn)定，直接綜合利用難度較大，所以疏干水外排需要在系統(tǒng)外尋找新的排泄區(qū)來(lái)接納，由此導(dǎo)致原有的補(bǔ)給-排泄平衡被打破[3-4]。同時(shí)大量的疏干水排放引發(fā)了地表生態(tài)環(huán)境破壞等問(wèn)題[5]，對(duì)系統(tǒng)外產(chǎn)生了難以逆轉(zhuǎn)的影響。

露天煤礦采用降水井疏干法抽出的疏干水屬于潔凈水源，直接通過(guò)密閉管路和井回灌至原含水層中，水質(zhì)未受污染，相較于其他回灌水源更能保證原地層水質(zhì)不受干擾[6-7]。地下水回灌在水源熱泵工程中已廣泛應(yīng)用，并在各地的地下水管理?xiàng)l例里對(duì)同層等量回灌進(jìn)行了規(guī)定。因此，將疏干水有計(jì)劃地回灌至原含水層對(duì)地下水系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)給，是保持露天煤礦區(qū)域地下水系統(tǒng)平衡的方法，避免由疏干和排水造成的水資源破壞及不良環(huán)境影響產(chǎn)生，是實(shí)現(xiàn)露天煤礦綠色開(kāi)采中保護(hù)水資源的有效手段之一。

國(guó)外學(xué)者PETER Dillon在2005年曾論述采用鉆井灌注或溝渠(水池)入滲等方式進(jìn)行回灌，對(duì)于抬升松散層中的水位標(biāo)高、改善地表植被的取水環(huán)境等具有良好的促進(jìn)作用[8]，美國(guó)開(kāi)展回灌研究最早最多，并最先出臺(tái)了回灌水質(zhì)的水法政策，制定了回灌水處理工藝要求的相關(guān)規(guī)范。我國(guó)有梧桐莊煤礦向奧陶系含水層回灌實(shí)現(xiàn)礦井水零排放、中關(guān)鐵礦向強(qiáng)徑流帶回灌單孔回灌能力達(dá)到496 m3/h等實(shí)例[5]，已有采空區(qū)儲(chǔ)水[9-10]、備用蓄水和廢棄煤礦轉(zhuǎn)成地下水庫(kù)[11-12]的回灌試驗(yàn)研究。目前我國(guó)已經(jīng)有許多通過(guò)回灌技術(shù)控制基坑降水對(duì)周邊建筑環(huán)境影響的成功案例[13-14]，但針對(duì)生產(chǎn)露天煤礦開(kāi)展地下水回灌以解決疏干排水問(wèn)題的研究報(bào)道較少。

在維護(hù)采礦安全生產(chǎn)基礎(chǔ)上，減輕煤炭開(kāi)采對(duì)地下水的影響，以降低地下水系統(tǒng)內(nèi)水量衰減程度、保障疏干水量相對(duì)穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)地下水系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)為目標(biāo)，筆者嘗試?yán)米⑺毓嘟鉀Q疏干水排放問(wèn)題，創(chuàng)新性地以生產(chǎn)露天煤礦為研究對(duì)象，構(gòu)建疏干-回灌協(xié)同開(kāi)采地質(zhì)模型，開(kāi)展在降落漏斗[15]范圍內(nèi)的疏干水同層回灌的疏干技術(shù)研究，為露天煤礦疏干水零排放提供新思路及基礎(chǔ)參考。

1 短路徑地下水循環(huán)疏干理論

1.1 短路徑地下水循環(huán)疏干概念

短路徑地下水循環(huán)是指含水層中的水在降落漏斗范圍內(nèi)重新進(jìn)入含水層參與地下水循環(huán)的過(guò)程。水由抽水井(疏干井)排出，經(jīng)回灌井注入含水層重新成為地下水，并在含水層空間內(nèi)流動(dòng)，至疏干井再次排出含水層形成往復(fù)循環(huán)，構(gòu)成一個(gè)以疏干井和回灌井為源匯項(xiàng)的補(bǔ)給-徑流-排泄水循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以回灌井注水為地下水補(bǔ)給源，水井抽水為排泄方式，抽水井和回灌井之間的含水層空間為徑流路徑，水在抽水井與回灌井形成的人為限制邊界內(nèi)循環(huán)。

短路徑地下水循環(huán)疏干是在基于短路徑地下水循環(huán)理論，在露天煤礦實(shí)現(xiàn)疏干的前提條件下，將疏干水重復(fù)注入含水層，臨時(shí)利用含水空間和水在含水層中循環(huán)的時(shí)間，換取采煤工作區(qū)安全開(kāi)采的疏干方法。具體地說(shuō)就是露天煤礦疏干井抽出的地下水(疏干水)，經(jīng)管道供給回灌井并通過(guò)回灌井注入含水層中再次成為地下水，利用回灌注水在含水層中形成的注水反漏斗限制疏干影響范圍，并利用水在含水層運(yùn)移的時(shí)間，控制水位和疏干采區(qū)地下水，是通過(guò)回灌注水把疏干水和含水層再次聯(lián)合起來(lái)控制地下水的方式。

圖1為短路徑地下水循環(huán)疏干系統(tǒng)示意，該系統(tǒng)由疏干井(群)、回灌井(群)、地面管路和疏干含水層組成。系統(tǒng)利用疏干與回灌形成的水位差誘導(dǎo)含水層內(nèi)水的流動(dòng)方向，采用回灌井圍成的邊界限制水的流入和流出，通過(guò)疏干水的循環(huán)抽注控制地下水和影響范圍。

圖1 短路徑地下水循環(huán)疏干系統(tǒng)Fig.1 Drainage system of short path groundwater circulation

1.2 短路徑地下水循環(huán)疏干數(shù)學(xué)模型

通過(guò)承壓水運(yùn)動(dòng)的基本微分方程建立短路徑地下水循環(huán)的疏干數(shù)學(xué)模型[16]：

式中，Kxx，Kyy，Kzz分別為沿主軸方向滲透系數(shù)，m/d；h為測(cè)壓水頭，m；Q為單位時(shí)間單位體積上垂直水量交換(疏干量、回灌量、降水或地表水入滲、越流補(bǔ)給等)，d-1；Ss為單位貯水系數(shù)，m-1；t為時(shí)間，d。

初始條件和邊界條件：

式中，h0為含水層的初始水位分布，m；Γ2為滲流區(qū)域的邊界；n為Γ2邊界的外法線方向；q(x,y,z)為邊界流量。

結(jié)合水均衡原理：

∑Qsg-∑Qhg=ΔVSs

式中,∑Qsg為疏干期內(nèi)地下水系統(tǒng)疏干井抽出的水量的總和，m3；∑Qhg為疏干期內(nèi)地下水系統(tǒng)回灌井回灌的水量總和，m3；ΔV為疏干期內(nèi)地下水系統(tǒng)內(nèi)部由短路徑地下水循環(huán)疏干產(chǎn)生的實(shí)際降落漏斗體積，m3。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型得出，在短路徑地下水循環(huán)疏干初期階段，采區(qū)內(nèi)含水層水位由高于含水層頂板降低至含水層頂板以下直至達(dá)到降深標(biāo)高，疏干井抽水將含水層由承壓變?yōu)闊o(wú)壓，回灌井注水對(duì)疏干形成的降落漏斗形態(tài)反向疊加抑制漏斗向外擴(kuò)散。隨著系統(tǒng)內(nèi)降落漏斗形態(tài)的逐漸穩(wěn)定，理想狀態(tài)此刻開(kāi)始疏干量將等于回灌量，相當(dāng)于回灌補(bǔ)給疏干，形成短路徑地下水循環(huán)。

1.3 短路徑地下水循環(huán)疏干理論關(guān)鍵問(wèn)題

(1)疏干與回灌同步。采用疏水鉆孔疏放含水層的靜儲(chǔ)量，降低采坑內(nèi)水壓或水位，同時(shí)向含水層注水，保證疏干與回灌同步?；毓嘧⑺纬傻乃∧豢梢宰柚够毓嗑酝鈪^(qū)域地下水對(duì)采區(qū)的補(bǔ)給，保護(hù)區(qū)域外水資源不受采礦疏干影響，保證回灌注水補(bǔ)給短路徑地下水循環(huán)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

(2)疏干流量穩(wěn)定。為滿足露天礦安全需要和采掘進(jìn)度計(jì)劃安排[17]，疏干工程量和設(shè)備選型均留有安全系數(shù)，實(shí)際疏干能力已偏大于設(shè)計(jì)值1.2倍以上，但疏干水量隨著疏干時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，使疏干能力越來(lái)越偏大，導(dǎo)致疏干設(shè)備頻繁啟?；虺Ｌ幱谛实蛥^(qū)工作，不但縮短設(shè)備使用壽命、造成能源浪費(fèi)，還會(huì)引發(fā)疏干含水層水位波動(dòng)。雖然，為了更好的控制地下水，使疏干井可以持續(xù)穩(wěn)定量抽水，采用回灌補(bǔ)給地下水，可以增加疏干井的出水量，保證疏干水泵持續(xù)和正常效率工作。

(3)回灌量盡量接近疏干量。回灌水源均來(lái)自于疏干水，因此瞬時(shí)的回灌量不能大于同時(shí)刻的疏干量，所以總回灌量小于總疏干量，而系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)是保證采坑內(nèi)水位降深的情況下，盡可能多的增大回灌量，降低疏干對(duì)含水層水量衰減的影響。

(4)回灌井與疏干井距離短?；毓嗑c疏干井的距離涉及到地下水影響范圍和回灌的成本。用回灌的方法使回灌井以外地下水免受疏干影響，因此，回灌井距離疏干井越近對(duì)地下水的影響范圍越小，回灌井與疏干井距離越短，連接疏干井和回灌井的地面管路越短，疏干排水設(shè)備所需的能耗越低。

2 疏干-回灌協(xié)同開(kāi)采水文地質(zhì)模型

筆者以水均衡為理論基礎(chǔ)，采用FEFLOW地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，依據(jù)短路徑地下水循環(huán)疏干理論，對(duì)露天煤礦疏干和回灌同時(shí)運(yùn)行條件下的地下水流進(jìn)行模擬[18-20]。以典型露天礦煤系含水層為例，建立承壓含水層多井抽水和注水同時(shí)進(jìn)行的水流數(shù)值模型，模擬計(jì)算含水層在回灌注水同時(shí)進(jìn)行的情況下，露天礦區(qū)含水層系統(tǒng)由承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓的疏干過(guò)程。通過(guò)回灌注水在露天礦疏干降落漏斗范圍內(nèi)建立人工水文地質(zhì)邊界條件，縮小地下水循環(huán)系統(tǒng)，形成露天礦疏干排水短路徑循環(huán)模式，減少疏干水排放及對(duì)地下水環(huán)境的影響。

影響露天煤礦疏干效果的因素可分為自然因素和人為因素。含水層性質(zhì)、補(bǔ)給和排泄條件等為自然因素，可以通過(guò)模型參數(shù)設(shè)置。人為因素是疏干井、回灌井的布設(shè)，可簡(jiǎn)化為井之間的位置關(guān)系，包括回灌井之間的位置關(guān)系和回灌井與采坑或疏干井的位置關(guān)系2方面。其中回灌井之間的位置關(guān)系常用井間距離表示，當(dāng)回灌井以采坑為中心環(huán)形布設(shè)時(shí)，回灌井?dāng)?shù)量即決定了井間距離。本次模擬回灌井按照單環(huán)形等間距布置，以露天采場(chǎng)“大井”中心(降水中心)為圓心，距離降水中心的距離L為半徑的圓形，2個(gè)回灌井之間的距離大于注水影響半徑，彼此間降深和流量不發(fā)生干擾。

在此，利用回灌井?dāng)?shù)量和回灌井距離降水中心的距離(L)2項(xiàng)基本條件的組合在的建立模型中進(jìn)行試算，模擬計(jì)算各時(shí)刻、不同位置的含水層的水位以及疏干量和回灌量，通過(guò)指定疏干時(shí)間的采區(qū)中心殘余水頭判定疏干效果優(yōu)劣?；毓嗑?dāng)?shù)量按疏干井?dāng)?shù)量與回灌井?dāng)?shù)量的比(1∶1，2∶3，1∶2，2∶5，1∶3)分5組，回灌井距離降水中心的距離(L)從800～3 000 m每百米間隔分23組，共試算115組。

2.1 回灌井?dāng)?shù)量與疏干效果的關(guān)系

圖2為短路徑地下水循環(huán)疏干時(shí)，各組試算的降水中心殘余水頭。圖2中1∶1，2∶3，1∶2，2∶5，1∶3為模型里疏干井?dāng)?shù)量與回灌井?dāng)?shù)量的比值。從試算結(jié)果可以看出，同一觀測(cè)時(shí)間，L相同時(shí)降水中心水位變幅僅相差零點(diǎn)幾米，這對(duì)于露天礦承壓含水層疏干而言影響極小，說(shuō)明回灌井?dāng)?shù)量對(duì)短路徑地下水循環(huán)疏干效果的影響甚微。因此，短路徑地下水循環(huán)在不考慮回灌井成井質(zhì)量和使用過(guò)程中出現(xiàn)的堵塞[21]等干擾回灌效果的問(wèn)題時(shí)，回灌井的數(shù)量與疏干井?dāng)?shù)量相等。

2.2 回灌井距降水中心的距離(L)與疏干效果的關(guān)系

通過(guò)對(duì)回灌井距離降水中心的距離(L)從800～3 000 m不同組試算，得出降水中心殘余水頭，如圖2所示。當(dāng)回灌井布設(shè)在距離降水中心800 m時(shí)，短路徑地下水循環(huán)疏干系統(tǒng)運(yùn)行100 d，采區(qū)中心觀測(cè)孔殘余水頭為37.26 m，運(yùn)行1 000 d時(shí)仍有25.16 m，沒(méi)有達(dá)到疏干的效果。當(dāng)回灌井布設(shè)在距離降水中心2 300 m時(shí)，短路徑地下水循環(huán)疏干系統(tǒng)運(yùn)行100 d，采區(qū)中心觀測(cè)孔殘余水頭為0.61 m，再增大L值，疏干效果基本無(wú)變化。可見(jiàn)，隨著L增大，殘余水頭值變小，疏干效果漸好，回灌井距離降水中心距離過(guò)短，不能滿足疏干要求，L過(guò)長(zhǎng)疏干效果變化不明顯。所以，每個(gè)模型都可以根據(jù)疏干要求得出形成較好循環(huán)的距離段。對(duì)于本模型，滿足疏干要求100 d、采坑中心殘余水位不高于5 m，回灌井距降水中心的距離能形成循環(huán)的布設(shè)段為2 000～3 000 m。

圖2 回灌井?dāng)?shù)量與疏干效果對(duì)比Fig.2 Comparison of the number and dredging effect of recharge wells

2.3 疏干流量、回灌流量、L和時(shí)間(t)之間的關(guān)系

在能形成循環(huán)的布設(shè)段，不同時(shí)刻系統(tǒng)的疏干流量(Q1)、回灌流量(Q2)對(duì)比如圖3所示。圖3中正值為各時(shí)刻疏干井群的疏干流量之和、負(fù)值表示相應(yīng)時(shí)刻的回灌井群回灌流量之和。當(dāng)回灌井距降水中心的距離一定時(shí)，Q1先以穩(wěn)定的疏干量持續(xù)一段時(shí)間后，隨著t的增加逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定。如圖3所示，在模型運(yùn)行1 000 d后，對(duì)于L=2 000 m，疏干流量穩(wěn)定在21 800 m3/d，為井群最大出水能力的91%。L=3 000 m的疏干流量由24 000 m3/d降至16 500 m3/d，疏干水量可穩(wěn)定在群井最大出水能力的69%。相比較與不同L的試算數(shù)據(jù)，L越大疏干流量變幅越大。對(duì)于回灌流量，回灌井距降水中心的距離一定時(shí)，Q2隨著t的增加逐漸增大，最后達(dá)到最大回灌流量，并能一直保持最大回灌量注水。對(duì)于不同L的試算，L越小回灌流量達(dá)到最大回灌量的時(shí)間越短。

圖3 不同時(shí)刻疏干流量、回灌流量對(duì)比Fig.3 Comparison of drainage flow and recharge flow at different times

從圖3可以看出，回灌井距離降水中心的距離(L)不同時(shí)，疏干流量和回灌流量與時(shí)間呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。結(jié)合圖2統(tǒng)計(jì)結(jié)果，L<2 200 m時(shí)對(duì)于模型來(lái)說(shuō)回灌井位置過(guò)近，形成循環(huán)太快，可臨時(shí)借用的含水層空間有限使得回灌量低，2 200～2 900 m可以形成較好循環(huán)的距離段；當(dāng)回灌井布設(shè)距離大于3 000 m時(shí)，最大回灌量回灌時(shí)該位置的水頭仍會(huì)降低，由于回灌水量不足，回灌疊加后仍有降落漏斗產(chǎn)生，不滿足短路徑地下水疏干運(yùn)行的條件。因此2 200～2 900 m為形成短路徑地下水循環(huán)疏干的適宜布井位置。對(duì)于L不同的模型，在一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)運(yùn)行同樣時(shí)間，回灌流量與L具有反向相關(guān)性，說(shuō)明在此L范圍內(nèi)可以形成短路徑地下水循環(huán)，短路徑地下水循環(huán)系統(tǒng)形成的時(shí)間與距離L成反比。從疏干流量和回灌流量與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系可以看出，從某時(shí)刻開(kāi)始疏干流量和回灌流量曲線平行，疏干流量基本等于回灌流量，說(shuō)明已經(jīng)形成短路徑地下水循環(huán)，此時(shí)刻t即是短路徑地下水循環(huán)疏干形成的時(shí)間。

對(duì)于同一回灌井距離L，回灌流量隨著疏干回灌運(yùn)行時(shí)間先降低再升高，最終達(dá)到最大回灌流量并保持穩(wěn)定，流量由小變大的階段可以理解為回灌井附近的地下水位隨著疏干進(jìn)行在逐漸下降，為補(bǔ)充疏干降落漏斗體積內(nèi)的水壓所需回灌量增加，在回灌流量平滑階段地下水已形成短路徑地下水循環(huán)，疏干流量大小取決于回灌流量。

根據(jù)水均衡原理，短路徑地下水循環(huán)形成前，疏干總水量和回灌總水量的差即為產(chǎn)生的降落漏斗體內(nèi)的水量，利用漏斗體積公式和水量列等量關(guān)系式計(jì)算回灌井距離降水中心的距離L。漏斗體水量可以采用體積公式和流量公式2種方法推求。由于群井抽水回灌計(jì)算量大且復(fù)雜，在此，根據(jù)露天采場(chǎng)(大井)引用半徑r0簡(jiǎn)化計(jì)算。先根據(jù)短路徑地下水循環(huán)疏干時(shí)長(zhǎng)要求推算漏斗體水量，再反推最近回灌井布設(shè)距離L，計(jì)算公式為

(1)

式中，μs為承壓含水層貯水率，m-1；μσ為承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓后含水層的給水度，無(wú)量綱；r0為露天采場(chǎng)(大井)引用半經(jīng)，m；S為由含水層頂板算起的水頭降深，m；h0為采場(chǎng)中心殘余水頭，m；M為承壓含水層厚度，m；ΔQ為短路徑地下水循環(huán)疏干穩(wěn)定流量，m3/d；t1為短路徑地下水循環(huán)疏干形成時(shí)間，d。

3 短路徑地下水循環(huán)疏干驗(yàn)證

3.1 模型概述及疏干要求

3.1.1模型概述

以某露天煤礦為例，按照降水孔疏干法和短路徑地下水循環(huán)疏干法分別進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)疏干效果驗(yàn)證短路徑地下水循環(huán)疏干法，并與降水孔疏干法進(jìn)行對(duì)比。研究區(qū)總面積約80 km2，區(qū)域地勢(shì)北高南低，地形起伏不大，不規(guī)則形狀的露天礦采區(qū)位于研究區(qū)中央，礦區(qū)單邊長(zhǎng)度約1 000 m。煤層埋深40～70 m，礦坑挖掘深度在50～90 m以上，地層巖性由上至下為第四系的粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)砂土、黏土間夾粉細(xì)砂；白堊系的泥巖、煤層和煤層間夾的含礫粗砂巖、砂巖、礫巖。煤系含水層主要影響露天礦開(kāi)采，由煤層和煤層間夾的砂巖和礫巖組成，被煤層上覆的泥巖與第四系地層隔開(kāi)，露天礦區(qū)綜合柱狀如圖4所示。采區(qū)內(nèi)水頭高度高于含水層頂板35 m左右，含水層滲透性良好，具有承壓性，補(bǔ)給來(lái)源主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給。煤系含水層水力坡度為0.5%，厚度30 m，滲透系數(shù)2.5 m/d，貯水率0.000 1 m-1，給水度0.01。

圖4 露天礦區(qū)地層綜合柱狀Fig.4 Comprehensive stratigraphic histogram of open-pit coal mine

3.1.2FEFLOW地下水?dāng)?shù)值模型

研究區(qū)南北兩邊為流量邊界，北側(cè)流入，南側(cè)流出，西側(cè)基本垂直于等水位線概化為零流量邊界，東側(cè)隔水?dāng)鄬右暈榱懔髁窟吔纭?/p>

采用Triangle法進(jìn)行網(wǎng)格剖分，考慮到露天采礦工程地表位置平面圖和疏干井、回灌井位置平面圖，在露天礦疏干預(yù)估影響范圍內(nèi)，尤其是預(yù)估地下水降落漏斗區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了網(wǎng)格加密。模型單面共剖分為11 578個(gè)節(jié)點(diǎn)、11 460個(gè)單元格。整個(gè)研究區(qū)的網(wǎng)格剖分平面如圖5左圖所示，其中地下水疏干預(yù)估影響區(qū)內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，如圖5右圖所示。

圖5 研究區(qū)網(wǎng)格剖分平面及網(wǎng)格加密放大Fig.5 Grid generation plane and grid densification enlarged view of the study area

在垂向上，根據(jù)所概化的水文地質(zhì)模型，自上而下分為上覆地層、隔水層、煤系含水層3層。地表面采用等高線提取高程數(shù)據(jù)來(lái)刻畫(huà)，煤系含水層采用從鉆孔數(shù)據(jù)中提取的含水層頂?shù)装甯叱躺Ⅻc(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值控制。為了避免上覆弱含水層的越流補(bǔ)給，在煤系含水層上人為插入一個(gè)0.5 m厚的薄隔水層。為了降低模型運(yùn)行啟動(dòng)期水位調(diào)整的影響，初始水位采用穩(wěn)態(tài)模擬獲得，并用收集的水位統(tǒng)測(cè)資料對(duì)初始時(shí)刻的地下水位分布情況進(jìn)行驗(yàn)證。

滲透系數(shù)、給水度、貯水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)，均在FEFLOW中進(jìn)行設(shè)置，滲透系數(shù)采用“試估-校正法”和FePEST自動(dòng)率定工具進(jìn)行該參數(shù)的識(shí)別驗(yàn)證，露天礦區(qū)內(nèi)采用3次抽水試驗(yàn)的結(jié)果，在礦區(qū)范圍外的模型其他區(qū)域，主要參考了水文地質(zhì)勘察報(bào)告和地下水流場(chǎng)圖，隔水層的滲透系數(shù)和彈性貯水率都采用了均一值。

地下水的補(bǔ)給與排泄是影響地下水位變化的主要因素。本模型研究的地下水主要接受上游側(cè)向徑流補(bǔ)給，排泄項(xiàng)主要為向南方向的徑流。東西邊界均已使用第1類(lèi)邊界條件進(jìn)行表征。因此，最重要的源匯項(xiàng)就為露天采坑的疏干抽水和回灌井的入滲補(bǔ)給。

3.1.3模型的識(shí)別驗(yàn)證

本次研究首先采用穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行模型的識(shí)別，使用“試估-校正”法以及FePEST工具調(diào)試參數(shù)。然后基于調(diào)參后的結(jié)果，對(duì)抽水試驗(yàn)進(jìn)行模擬，進(jìn)一步調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)，通過(guò)非穩(wěn)態(tài)的抽水試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證參數(shù)的合理性。

經(jīng)過(guò)調(diào)參和誤差分析，校核出含水層滲透系數(shù)、煤層頂?shù)装搴畬拥馁A水率；隔水層的滲透系數(shù)和貯水率均采用均一值。綜合考慮以往的勘探成果和抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各水文地質(zhì)參數(shù)基本符合實(shí)際特征。

3.1.4疏干要求

露天煤礦采用降水孔疏干法疏干含煤地層水，現(xiàn)有降水孔20口，沿采區(qū)四周分布，單井出水能力可達(dá)到1 200 m3/d。疏干水綜合利用能力能達(dá)到8 000 m3/d，多余水將外排至采場(chǎng)東側(cè)低洼地帶。根據(jù)露天煤礦安全需要設(shè)置水位降深，按照采掘進(jìn)度計(jì)劃安排確定疏干時(shí)間。結(jié)合本例實(shí)際確定采坑中心殘余水頭不高于含水層底板5 m，達(dá)到水位降深的疏干時(shí)間不大于60 d，保持水位降深疏干至1 095 d完成采礦工作。

3.2 降水孔疏干法數(shù)值模擬

采用FEFLOW數(shù)值模擬軟件的非穩(wěn)定流，模擬計(jì)算露天煤礦疏干過(guò)程。降水孔抽水量根據(jù)單井出水能力限定，實(shí)際抽水量由模擬計(jì)算取出。根據(jù)模擬結(jié)果，20口降水井同時(shí)抽水，單井抽水能力1 200 m3/d，疏干59 d，可將采坑中心殘余水頭疏降至4.89 m，模型運(yùn)行結(jié)果與解析法計(jì)算吻合。圖6為降水孔疏干法抽水進(jìn)行1 095 d的過(guò)程中，疏干總水量和單井疏干流量與時(shí)間關(guān)系曲線。單井疏干流量隨抽水時(shí)間延續(xù)逐漸減小，由開(kāi)始時(shí)的1 200 m3/d降低到551.5 m3/d，疏干500 d時(shí)疏干流量已降至單井抽水能力的50%以下。據(jù)此可得出疏干水外排量，疏干水量減掉綜合利用部分，最大需外排16 000 m3/d，至疏干后期疏干流量降低時(shí)也仍需外排3 030 m3/d。

圖6 疏干總水量和單井疏干流量與時(shí)間關(guān)系Fig.6 Relationship between the total amount of water and flow of dredge and time

圖7為數(shù)值模擬的各疏干節(jié)點(diǎn)的地下水水流場(chǎng)，從圖7可以看出降落漏斗范圍隨著疏干時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸擴(kuò)大，疏干至1 000 d時(shí)降落漏斗半徑已達(dá)到4 188 m。

圖7 降水孔疏干法降落漏斗范圍Fig.7 Range of descending funnel in the drainage method of rainfall drainage hole

3.3 短路徑地下水循環(huán)疏干法數(shù)值模擬

以2.2節(jié)中疏干方法為基礎(chǔ)，為保護(hù)采區(qū)東側(cè)水資源環(huán)境，不再將疏干水排放至采區(qū)東側(cè)，實(shí)現(xiàn)疏干水零排放，同時(shí)為避免疏干降落漏斗對(duì)采區(qū)東側(cè)影響，對(duì)采區(qū)東側(cè)部分疏干井采用短路徑地下水循環(huán)疏干方式進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)露天煤礦疏干水利用量和需減少外排量要求，推算對(duì)采區(qū)東側(cè)的6口疏干井采用短路徑地下水循環(huán)疏干可實(shí)現(xiàn)零排放。因此，選擇東側(cè)P1～P6疏干井為試驗(yàn)對(duì)象，在其外布置回灌井?；毓嗑詥苇h(huán)型、與疏干井?dāng)?shù)量比為1∶1布置，按式(1)計(jì)算其所在位置為2 455.46 m，故在模型中設(shè)置回灌井位置為距離采坑中心2 400 m。疏干井、回灌井及觀測(cè)井布置如圖8所示，圖中P1～P20為承壓含水層疏干井、R1～R6為回灌井。模擬計(jì)算設(shè)定疏干井最低水位不低于承壓含水層底部，回灌井最高水位根據(jù)排水管道出水口壓力不小于5 m水頭高度確定，回灌井最高水位不高于初始水位5 m。

圖8 試驗(yàn)?zāi)Ｐ透艣rFig.8 Overview of test model

采用短路徑地下水循環(huán)疏干數(shù)值模擬的各疏干節(jié)點(diǎn)的地下水水流場(chǎng)如圖9所示。在同降深效果下，回灌井布設(shè)距降水中心2 400 m時(shí)，疏干至1 000 d時(shí)距采坑中心2 400 m的位置地下水位變幅仍控制在5 m范圍內(nèi)，說(shuō)明疏干或回灌對(duì)2 400 m以外的區(qū)域沒(méi)有形成降落漏斗，降落漏斗被控制在了2 400 m范圍內(nèi)。

圖9 短路徑地下水循環(huán)數(shù)值模擬驗(yàn)證結(jié)果Fig.9 Verification results of numerical simulation of short path groundwater circulation

圖10為短路徑地下水循環(huán)疏干法進(jìn)行1 095 d的過(guò)程中，疏干總水量和疏干流量以及采坑中心殘余水頭高度與時(shí)間關(guān)系曲線。采坑中心殘余水頭高度0.8 m，疏干井日出水量穩(wěn)定在990.75 m3以上，為最大疏干能力的82.5%，回灌流量達(dá)到960 m3/d。

圖10 短路徑地下水循環(huán)數(shù)值模擬驗(yàn)證結(jié)果Fig.10 Verification results of numerical simulation of short path groundwater circulation

降水孔疏干法與短路徑地下水循環(huán)疏干日排水量統(tǒng)計(jì)如圖11所示，隨著疏干時(shí)間的延續(xù)和采坑水位的降低，疏干水量逐漸減少。疏干水減掉綜合利用量即為需要外排的水量。疏干至65 d以后最大可減少外排量5 314.91 m3/d，至疏干500 d后可實(shí)現(xiàn)疏干水零排放，較降水孔疏干法減少外排33%～98%。

圖11 實(shí)時(shí)疏干水外排量對(duì)照Fig.11 Comparison of real-time dredge water outflow capacity

3.4 短路徑地下水循環(huán)疏干的應(yīng)用方法

短路徑“疏干-回灌”水循環(huán)疏干采用同層回灌的方式，可以解決露天礦疏干水需外排、難以實(shí)現(xiàn)疏干水零排放的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天礦地下水資源保護(hù)，同時(shí)在工程實(shí)施時(shí)可對(duì)疏干設(shè)備運(yùn)行實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。該方法將疏干水作為含水層系統(tǒng)中的補(bǔ)給源，形成短路徑地下水循環(huán)，可以使露天礦疏干水泵等設(shè)備以高效率持續(xù)工作，在保證疏干效果的同時(shí)，減少地下水資源總量的消耗，并可對(duì)降落漏斗范圍進(jìn)行控制。根據(jù)短路徑地下水循環(huán)疏干的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行疏干排水設(shè)計(jì)可按照以下3步進(jìn)行：

(1)確定疏干參數(shù)。根據(jù)水文地質(zhì)勘察結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)露天礦采區(qū)的承壓含水層賦存深度、厚度、水頭高度、水文參數(shù)和采掘進(jìn)度計(jì)劃要求等，確定目標(biāo)降深和疏干時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)行疏干設(shè)計(jì)。

(2)計(jì)算Q1，Q2。根據(jù)疏干設(shè)計(jì)和短路徑地下水循環(huán)疏干設(shè)計(jì)思想，確定回灌井?dāng)?shù)量和回灌井流量。

(3)確定距離L。根據(jù)式(1)計(jì)算短路徑地下水循環(huán)條件下回灌井布設(shè)最近距離。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)露天煤礦疏干排水特點(diǎn)，基于水在降落漏斗范圍內(nèi)重新進(jìn)入含水層參與地下水循環(huán)的過(guò)程，提出短路徑地下水循環(huán)疏干理論和短路徑地下水循環(huán)疏干法，在露天煤礦實(shí)現(xiàn)疏干的前提條件下，將疏干水重復(fù)注入含水層，臨時(shí)利用含水空間和水在含水層中循環(huán)的時(shí)間，換取采煤工作區(qū)安全開(kāi)采的疏干方法，通過(guò)回灌限制疏干影響的程度和范圍，為露天礦疏干水零排放提供技術(shù)途徑。

(2)選擇典型露天礦煤系承壓含水層為研究對(duì)象，構(gòu)建疏干-回灌協(xié)同開(kāi)采水文地質(zhì)模型，模擬短路徑“疏干-回灌”水循環(huán)疏干過(guò)程，獲得短路徑地下水循環(huán)疏干初期階段疏干井、回灌井和系統(tǒng)內(nèi)含水層的水位變化，以及降落漏斗形態(tài)逐漸穩(wěn)定，疏干量等于回灌量后形成短路徑地下水循環(huán)。以某露天煤礦為例，在驗(yàn)證疏干效果的同時(shí)，對(duì)比出短路徑地下水循環(huán)疏干的優(yōu)勢(shì)。

(3)得出短路徑地下水循環(huán)疏干法的疏干效果不受回灌井布設(shè)數(shù)量影響，通過(guò)分析Q1，Q2與t的關(guān)系、Q2隨距離L的變化關(guān)系，推算出距離降水中心最近的回灌井布設(shè)距離簡(jiǎn)便計(jì)算公式，并給出短路徑地下水循環(huán)疏干法用于露天煤礦疏干排水的應(yīng)用步驟。