安太堡露天礦蘆子溝背斜區(qū)防排水方式選擇

薛萬(wàn)海

（中煤平朔集團(tuán)安太堡露天礦，山西 朔州 036006）

安太堡露天礦蘆子溝背斜區(qū)防排水方式選擇

薛萬(wàn)海

（中煤平朔集團(tuán)安太堡露天礦，山西 朔州 036006）

為了確保人員和設(shè)備的作業(yè)安全，提高設(shè)備的作業(yè)效率，確保正常的延深進(jìn)度，結(jié)合礦坑的地質(zhì)條件和現(xiàn)狀、采排規(guī)劃、涌水和降雨情況等，分析選擇了合理的排水方式，為確保礦坑安全正常延深創(chuàng)造條件。

背斜；涌水量；徑流量；匯水面積

1 礦山概況

安太堡露天礦是我國(guó)首個(gè)中外合資的大型露天煤礦，于1985年7月破土動(dòng)工，1987年9月建成投產(chǎn)。目前安太堡礦已經(jīng)過(guò)2次轉(zhuǎn)向，在三采區(qū)繼續(xù)向東推進(jìn)。剝離采用單斗-卡車間斷開(kāi)采工藝[1]，即PH4100電鏟-930E卡車，PH2800電鏟-R190卡車、CAT789A/B卡車、685E卡車、730E、EH-3500卡車，采用水平分層，由西向東推進(jìn)。采煤采用單斗-卡車+半固定式破碎站的半連續(xù)開(kāi)采工藝，沿煤層頂板順層掘溝，由東向西，由煤層頂板向底板推進(jìn)[2]。

安太堡露天礦田位于山西省寧武煤田的北部，屬低山丘陵區(qū)。區(qū)內(nèi)海拔標(biāo)高一般為1 300～1 400 m，最高點(diǎn)標(biāo)高1 505.72 m，最低點(diǎn)標(biāo)高1 270 m，相對(duì)高差235.72 m，大致呈中部高、南北低地勢(shì)。

區(qū)內(nèi)黃土廣布，侵蝕切割作用強(qiáng)烈，水土流失嚴(yán)重，加之地表植被覆蓋少，形成典型的梁、垣、溝、峁等黃土高原地貌。溝谷多呈主脈向源方向的樹(shù)枝狀分布，切割深度50～70 m，形態(tài)為“V”字型或“U”型谷。

本區(qū)為典型的大陸性季風(fēng)氣候，以冬季嚴(yán)寒，夏季涼爽，晝夜溫差大，春季風(fēng)大為特點(diǎn)。年平均氣溫4.8℃～7.5℃，最高月平均氣溫11.5℃～26.7℃，極端最高氣溫37.9℃，極端最低氣溫-32.4℃，一般日溫差為18℃ ～25℃。

年平均降水量為428.2 mm（朔州站1922—1991年）至449 mm（井坪站1953—1985年），年最大降水量757.4 mm，年最小降水量195.6 mm。降水量多集中于6月中旬至9月中旬[3]，占全年降水量的75%。日最大降水量87.0～153.0 mm，連續(xù)降水最長(zhǎng)時(shí)間達(dá)13 d。

年蒸發(fā)量為1 786.7～2 598 mm，最大月份為5—7月，月最大蒸發(fā)量為460 mm。

2 礦區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件

2.1 主要地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組、石炭系上統(tǒng)太原組、中統(tǒng)本溪組，共含煤14層，現(xiàn)全區(qū)穩(wěn)定可采煤層為4#、9#、11#煤，局部有風(fēng)氧化現(xiàn)象，其它煤層為不可采煤層，安太堡礦主要構(gòu)造以寧武向斜為主干構(gòu)造，伴生次一級(jí)褶曲，其中主要有蘆子溝背斜、白家辛窯向斜、二鋪背斜及近南北的下窯子向斜斜交于寧武向斜外，其余褶曲依次排列在寧武向斜的西翼。蘆子溝背斜區(qū)煤層傾角急劇增大，平均傾角達(dá)到8°～12°，局部最大傾角22°，煤層落差超270 m3，地表和基巖面下降50～100 m。傾角變大地區(qū)長(zhǎng)1 200～2 100 m[4]。

2.2 水文地質(zhì)條件

安太堡露天礦位于寧武煤田的西北部，寧武向斜的西翼，屬于神頭泉域水文地質(zhì)單元。本礦地貌為黃土丘陵，地表大部分為黃土覆蓋，基巖出露甚少，于溝谷中零星出露，區(qū)內(nèi)地勢(shì)呈北高南低之趨勢(shì)，七里河、馬關(guān)河在本礦西南及東部邊緣斜穿而過(guò)，七里河發(fā)源于平朔礦區(qū)西部邊緣西石山脈，全長(zhǎng)37 km，匯水面積181 km2，流經(jīng)本礦長(zhǎng)度約為2 km，該河洪水持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為134 h，洪峰持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為4.2 h，最大洪峰流量361.3 m3/s(1954年8月16日)，安太堡一號(hào)露天礦動(dòng)工建設(shè)后，在七里河上游細(xì)水村攔壩截流，改道經(jīng)井坪向東注入馬營(yíng)河，洪水期流量已大為減少，平時(shí)僅有少量礦坑水補(bǔ)給；馬關(guān)河發(fā)源于木瓜界、石井溝一帶，全長(zhǎng)約31 km，匯水面積15 km2，在本礦的東部北嶺村一帶由南而北經(jīng)過(guò)，本礦長(zhǎng)度約為1.2 km，為泉水匯集而成，常年流水不斷，一般徑流量0.08～0.15 m3/s，雨季時(shí)徑流量較大。在七里河、馬關(guān)河支流溝谷中有泉水出露，泉水流量一般0.01～1.0 L/s，由于周邊煤礦及本礦排水，區(qū)域地下水位普遍下降，泉水流量已大為減少甚至干枯。

3 礦田充水情況

3.1 含（隔）水層

本區(qū)地層主要含水層有奧陶系巖溶裂隙含水層、石炭系太原組砂巖含水層、二疊系山西組砂巖裂隙含水層。隔水層有石炭系本溪組泥巖隔水層、二疊系石盒子組泥巖隔水層及第三系紅色黏土隔水層。

奧陶系灰?guī)r在礦區(qū)外圍西、北、東三面廣泛出露，形成高山，灰?guī)r巖溶發(fā)育程度和富水性很不均勻，地下水流由NW向SE方向，水力坡度平緩。

3.2 礦床充水因素及排泄條件

蘆子溝背斜及礦田北部巖層風(fēng)化破碎帶是礦床地下水補(bǔ)給區(qū)，排泄于七里河、馬關(guān)河。

石炭、二疊系砂巖裂隙含水層與泥巖、砂質(zhì)泥巖相間互層，隔水性能好，含水層間一般不發(fā)生水力聯(lián)系。

蘆子溝背斜是本區(qū)奧陶系灰?guī)r以上各含水層的分水嶺，本區(qū)地下水補(bǔ)給區(qū)小，補(bǔ)給量不大，從目前看，4#煤頂板巖涌水量較大，約為3 000 m3/d[5]。

礦坑水的主要來(lái)源是大氣降水匯集，隨著采排面積的增大，匯水面積隨之增大，而絕大部分匯水要經(jīng)采場(chǎng)、排土場(chǎng)的分水嶺進(jìn)入礦坑底部。

4 背斜區(qū)延深時(shí)遇到的排水問(wèn)題

2015年5月，PH4100電鏟在1180平盤作業(yè)時(shí)，南部和北部2臺(tái)電鏟工作面先后出現(xiàn)大量地下涌水，導(dǎo)致電鏟作業(yè)面泥濘不堪，無(wú)法正常作業(yè)。

本次涌水點(diǎn)位于蘆子溝背斜東翼、寧武向斜西翼構(gòu)造結(jié)合部位，1 180 m平盤南部，4#煤頂板上20 m砂巖裂隙含水層。安太堡露天礦出水位置剖面示意圖如圖1。

圖1 安太堡露天礦出水位置剖面示意圖

據(jù)涌水點(diǎn)位置、礦坑采剝情況和周邊地質(zhì)、水文地質(zhì)情況分析，本次涌水水源主要為二疊系下統(tǒng)山西組4#煤頂板砂巖裂隙含水層，分析如下：

1）本次涌水點(diǎn)標(biāo)高1 180 m左右，高于該處奧灰水標(biāo)高1 060 m，排除奧灰水的可能。

2）涌水點(diǎn)西部為蘆子溝礦9#煤采空區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)觀察，該采空區(qū)自燃嚴(yán)重，基本不含水，小窯采空積水的可能性不大。

3）涌水點(diǎn)位于4#煤頂板上20 m砂巖含水層，該砂巖含水層為二疊系下統(tǒng)山西組4#煤頂板砂巖裂隙含水層，厚度10～20 m，巖性主要為厚層狀中、粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖或粉砂巖。底部之粗砂巖為較好的含水層，成分以石英、長(zhǎng)石為主，分選及磨園度較差，有時(shí)相變?yōu)榧?xì)礫巖或巨粒粗砂巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，有較好的透水性，同時(shí)由于露天礦穿爆作業(yè)等多種因素導(dǎo)致礦坑內(nèi)裂隙更為發(fā)育，導(dǎo)水通道較多，裂隙水的不斷富積，導(dǎo)致局部出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。

據(jù)礦技術(shù)人員觀測(cè)，在礦坑剝離時(shí)，該區(qū)域東部曾揭露的上部含水層有幾處點(diǎn)狀出水點(diǎn)且很快干涸，水量不大，而在露天礦生產(chǎn)地質(zhì)勘探過(guò)程中，該區(qū)域施工的大部分鉆孔均在4#煤頂部見(jiàn)水，說(shuō)明本次涌水水源為上部4#煤頂板砂巖裂隙含水層水。

5 合理排水方式選擇

安太堡露天礦主要采用平盤截水 +礦底貯水來(lái)存放各種雨量匯水，對(duì)于上部較寬平盤有意識(shí)地形成一些貯水地段以減少流入坑底的水量，而大部分匯水要流入坑底。排水方式采用過(guò):①泵站 +管道；②泵站 +水車；③綜合排水，即泵站 +管道 +水車。由于背斜延深區(qū)為礦坑最低，地下涌水量大以及雨季匯水面積大，積水較多，嚴(yán)重影響礦坑垂直延深和水平擴(kuò)幫的進(jìn)度，進(jìn)而影響全年采剝計(jì)劃量的順利完成，采用何種排水方式需進(jìn)一步比較。

5.1 采用水鶴泵站+水車的方式

為了保證生產(chǎn)順利進(jìn)行，在工作面西部間隔約500 m新建4個(gè)左右蓄水池，將工作面的積水全部引入蓄水池。另外在蓄水池旁新建1個(gè)臨時(shí)水鶴，就地給坑下灑水車加水。

安太堡礦現(xiàn)有80 t級(jí)的水車7臺(tái)，按出動(dòng)率50%計(jì)算，每天3班制工作18 h，每月按30 d計(jì)算，平均每1.5 h灑一趟，每天平均灑水7×50%×（18/ 1.5）×80=3 360 m3，水車每月灑水量為3 360× 30=100 800 m3。每月除自然蒸發(fā)部分外，水車可以將坑底涌水抽完。水車在坑下就地加水，每趟可減少拉運(yùn)距離約7 km。

5.2 泵站 +管道+水車方式。

每年到了雨季，大氣降水通過(guò)分水嶺也匯集到延深區(qū)。雨季延深區(qū)積水由大氣降水和4#煤頂板砂巖裂隙含水層水2部分組成。按煤炭工業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，洪水設(shè)計(jì)頻率采用百年一遇的洪水頻率（1%），設(shè)計(jì)頻率最大1 d、最大3 d、最大7 d降雨量。年降雨量采用理論頻率曲線計(jì)算，雨季降雨量采用平魯氣象站歷年降雨量的平均值，各頻率暴雨量計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 暴雨量計(jì)算

內(nèi)排X1420以東、三采區(qū)南北端幫、4#煤頂工作幫構(gòu)成的區(qū)域，匯水面積6.3 km2，該區(qū)域匯水除平盤堵截和滲水外，其余全部流入三采區(qū)延深區(qū)域，7日暴雨量匯水量為：

式中：H7日為7 d暴雨量，mm；C為徑流系數(shù)，復(fù)墾區(qū)及原始地貌為0.4，采場(chǎng)和排土場(chǎng)取0.1；F為匯水面積，km2，

可見(jiàn)，7 d暴雨量遠(yuǎn)大于水車的抽水能力，必須采用綜合排水，即采用泵站+管道+水車方式。

由于礦坑?xùn)|部地表的馬關(guān)河谷附近土地沒(méi)有征用，為避免企地糾紛，外排到2 km外馬關(guān)河方案不能實(shí)現(xiàn)。只能考慮在內(nèi)排低洼區(qū)域。安太堡礦內(nèi)排已經(jīng)過(guò)近30多年的建設(shè)，三采區(qū)以西的內(nèi)排最上部面積已超10 km2，已排棄物料約15億m3，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，將延深區(qū)積水排到內(nèi)排土場(chǎng)1420平盤低洼區(qū)域，該區(qū)域距背斜延深區(qū)5 km，加上內(nèi)排土場(chǎng)從2005年實(shí)施了雙環(huán)壓幫內(nèi)排[6]，內(nèi)排高度平均150 m以上，從近2年的排水情況來(lái)看，積水滲透不影響土場(chǎng)及采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定。

目前，礦坑北部蓄水池通過(guò)水泵+水車的方式進(jìn)行抽排，同時(shí)將北部的積水通過(guò)軟管連通于南部蓄水池，通過(guò)南部水泵集中抽排于內(nèi)排土場(chǎng)。本礦于2015年8月中旬開(kāi)始在南部鋪設(shè)管道進(jìn)行疏排，同時(shí)輔助礦坑道路灑水。在疏排過(guò)程中，總體排水量約為1 000～2 000 m3/d，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察水位不降。10月底排水點(diǎn)北部相鄰區(qū)域進(jìn)行了2次生產(chǎn)穿孔爆破后水位下降約2 m，至2015年11月10日未進(jìn)行疏排，水位也未恢復(fù)至疏排前高度。

2017年需繼續(xù)在蘆子溝背斜區(qū)向下延深，預(yù)計(jì)從1 150 m水平延深至1 120 m水平。為進(jìn)一步降低過(guò)背斜期間剝離物的運(yùn)距和高差，下半年實(shí)施技改工程，即在礦坑南部并幫縮界區(qū)近距離排土。由于南部排土后無(wú)法設(shè)置泵站，同時(shí)受中部搭橋影響，現(xiàn)有排水系統(tǒng)將逐漸廢棄，需要對(duì)排水系統(tǒng)重新進(jìn)行優(yōu)化處理[7]。

由于背斜延深區(qū)最低高程1 000 m，與1420土場(chǎng)之間高差為420 m，需采用兩級(jí)泵站接力排水。二級(jí)泵站設(shè)在端幫暫時(shí)廢棄不用的道路或不影響運(yùn)輸且穩(wěn)定寬敞的地方，并設(shè)緩沖水倉(cāng)。外排一級(jí)水泵流量≥200 m3/h，揚(yáng)程≥300 m，二級(jí)水泵流量≥200 m3/h，揚(yáng)程≥200 m，排水管徑DN300。經(jīng)計(jì)算，需正常外排必須保證作業(yè)6臺(tái)，備用2臺(tái)；水鶴和倒水水泵流量 350～500 m3/h，揚(yáng)程 60 m，排水管徑DN150，正常情況下作業(yè)分別要求4臺(tái)，備用2臺(tái)。排水系統(tǒng)的供電由礦坑附近的6 kV線路接入變壓器和小開(kāi)關(guān)柜，電壓降為380 V或660 V后給排水設(shè)備供電。

6 后續(xù)水文地質(zhì)情況預(yù)測(cè)：

1）隨著礦坑采掘水平的進(jìn)一步降低，坑下的涌水范圍及涌水量會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)生產(chǎn)有一定影響。

2）隨著礦坑向東不斷推進(jìn)約800 m左右，在礦坑?xùn)|部逐步進(jìn)入奧灰水承壓區(qū)，9#煤帶壓高度最大70 m，11#煤帶壓高度最大80 m，雖然水頭壓力相對(duì)不大，且本溪組隔水層平均厚度40 m左右較穩(wěn)定，隔水性能較好，但隨著斷層、封閉不良鉆孔及一些未查明的構(gòu)造等導(dǎo)水通道的揭露，可能存在奧灰水涌水風(fēng)險(xiǎn)。

7 結(jié) 語(yǔ)

為減少地下水及大氣降水對(duì)延深和推進(jìn)協(xié)調(diào)開(kāi)采[8]的影響，應(yīng)加強(qiáng)和開(kāi)展以下幾方面的工作：

1）制定合理的疏排方案，加大疏排力度。根據(jù)實(shí)際情況，制定合理的疏排方案，增加疏排設(shè)備，加強(qiáng)疏排力度，建立完善的疏排體制。

2）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與分析，建立完善的水文地質(zhì)臺(tái)帳。加強(qiáng)礦坑出水點(diǎn)觀測(cè)記錄，建立礦坑疏排水觀測(cè)臺(tái)帳，對(duì)疏排設(shè)備、疏排時(shí)間、排量以及水位等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)、準(zhǔn)確的記錄，以便進(jìn)一步分析、研究。

3）開(kāi)展水文地質(zhì)專項(xiàng)工作。協(xié)調(diào)地測(cè)部門或科研單位，盡快開(kāi)展背斜區(qū)深部地下水分布范圍及疏干方案研究，進(jìn)一步查明該區(qū)的水文地質(zhì)條件，結(jié)合安太堡礦生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行專題分析、研究，提前制定相關(guān)應(yīng)對(duì)措施。

4）隨著礦坑推進(jìn)，及時(shí)對(duì)外排水管進(jìn)行延深；出露的4#煤及時(shí)采出形成集水坑。

［1］ 駱中洲.露天采礦學(xué)［上冊(cè)］［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1986.

［2］ 安太堡露天礦2016年安全風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告［R］.2016.

［3］ 郭著實(shí).礦坑防排水方式選擇［J］.露天采煤技術(shù)，1998（S1）：5-6.

［4］ 張瑞新.露天礦復(fù)雜地質(zhì)條件下開(kāi)拓運(yùn)輸與開(kāi)采工藝研究［M］.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

［5］ 安太堡露天礦災(zāi)害與預(yù)防處理計(jì)劃［R］.2016.

［6］ 段起超.安太堡礦雙環(huán)運(yùn)輸排土的實(shí)現(xiàn)［J］.露天采礦技術(shù)，2007（3）：17-22.

［7］ 安太堡露天礦2017年煤礦防治水工作計(jì)劃與措施［R］.2017.

［8］ 張瑞新.露天礦復(fù)雜地質(zhì)條件下開(kāi)拓運(yùn)輸與開(kāi)采工藝研究［M］.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

【責(zé)任編輯：解連江】

Selection of waterproof and drainage mode in Antaibao Open-pit Mine Luzigou anticline area

XUE Wanhai
(Antaibao Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

In order to ensure the safety of personnel and equipment,improve the operating efficiency of equipment and ensure the normal deepening schedule,the article combined with the mine geological conditions and mining status,discharge planning water gushing and rainfall,etc.,and analyzed and selected the reasonable drainage mode,in order to ensure the normal mine safety extension to create conditions.

anticline;water inflow;amount of runoff;catchment area

TD743

B

1671－9816（2017）06－0041－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.06.012

薛萬(wàn)海.安太堡露天礦蘆子溝背斜區(qū)防排水方式選擇［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（6）：41-44.

2017-01-23

薛萬(wàn)海（1967—），男，漢族，山西天鎮(zhèn)人，高級(jí)工程師，1989年畢業(yè)于原阜新礦業(yè)學(xué)院露天開(kāi)采專業(yè)，現(xiàn)在安太堡露天礦930生產(chǎn)班從事安全管理工作。