東部草原區(qū)露天煤礦開采對地下水系統(tǒng)影響與帷幕保護分析

趙春虎,王強民,王 皓,楊 建，劉 基,張 雁

(1.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 100011; 2.中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 3.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

呼倫貝爾草原位于保障我國生態(tài)安全“兩屏三帶”的北方防沙帶，具有酷寒、半干旱、夏融冬凍[1]、草原土層薄及土壤瘠薄等生態(tài)脆弱特征。同時，呼倫貝爾地區(qū)是我國規(guī)劃以露天開采為主的七大煤電基地之一，煤炭產能超過4億t，發(fā)電量2 000萬kW[2]。近年來，礦區(qū)由于煤電開發(fā)長期大量的疏排地下水，引起了水資源浪費、地下水位下降、土壤沙化、植被退化等草原生態(tài)問題[3]。據調查，呼倫貝爾陳旗露天礦區(qū)、大雁扎尼河露天礦區(qū)由于地表松散層分別受莫勒格爾河、海拉爾河地表水補給充分，礦坑疏排水量達20萬m3/d，對地表水下游徑流量影響較大，加劇了地區(qū)資源性缺水與生態(tài)環(huán)境影響[4]。

針對煤炭開采對地下水資源影響相關研究，目前主要集中在我國生態(tài)脆弱的陜北、神東等西部侏羅紀煤田，在井工煤礦開發(fā)對近地表風積沙、薩拉烏蘇組含水層地下水影響研究等方面取得了豐富的研究成果[5-7]，形成較為成熟的充填、分層、限高等水資源保護性開采技術[8-10]。而針對我國東部草原露天礦區(qū)煤炭開采對地下水影響的相關研究，一直集中在煤電基地建設過程中的地質勘察評價[11-12]、植被演化遙感分析等方面[13-14]，尚未對煤炭開采驅動下地下水系統(tǒng)擾動規(guī)律與保護技術進行系統(tǒng)研究。筆者以位于呼倫貝爾草原的寶日希勒礦區(qū)為研究對象，根據研究區(qū)水文地質與露天煤礦開發(fā)特征，將露天采礦疏排水與地下水系統(tǒng)仿真研究結合，系統(tǒng)分析露天礦區(qū)疏排水對地下水系統(tǒng)的影響規(guī)律，并對露天礦帷幕墻減滲保水開采技術進行初步評價，為我國東部草原露天礦區(qū)煤-水資源協(xié)調開發(fā)提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

1.1 礦區(qū)水文地質特征

寶日希勒礦區(qū)地處呼倫貝爾高平原的東北邊緣地區(qū)，陳旗煤田盆地中部。如圖1所示，西南部為海拉爾、莫勒格爾河谷沖積平原地形，北部及東北部與低山丘陵相接，總體地形變化不大，水文地質單元相對完整。南部的海拉爾河發(fā)源于大興安嶺山區(qū)，自東向西注入額爾古納河，西部的莫勒格爾河自北東向南西流經露天礦區(qū)北部注入海拉爾河，受寬緩地形與上游融雪補給影響，兩條河流在礦區(qū)西南部的沖積平原區(qū)形成了面積大、水量補給充沛的季節(jié)性或永久性湖泊，如庫倫湖等，地下水與地表水交換強烈。

礦區(qū)大部分為第四系所覆蓋，按照地層巖性組合與含水特征，礦區(qū)含、隔水層組劃分見表1。

1.2 礦區(qū)開發(fā)特征

圖1 寶日希勒礦區(qū)地形地貌概況Fig.1 Topography and mine distribution of Baorixile mining area

如圖2所示，寶日希勒礦區(qū)自2000年左右開始進行規(guī)?；_發(fā)，主要生產礦井包括寶日希勒、東明等露天煤礦，以及天順、呼盛等井工煤礦。主要開采白堊系下統(tǒng)的大磨拐河組1-2煤層(均厚13 m)與3號煤層(均厚7.5 m)，露天煤礦開采工藝為單斗-汽車工藝。蒙西、順興等地方煤礦多處于閉坑、停采或間歇式開采。

露天礦開采涌水疏干系統(tǒng)主要分為采場內強排和外圍地面疏干井疏干兩部分組成[15]，按照礦區(qū)采掘歷史與疏排水強度大概可分為3個階段(表2)。第1階段排水初期(2000—2006年)，礦區(qū)以寶日希勒露天礦首采區(qū)生產為主，采區(qū)平均排水量2.3×104m3/d。第2階段排水劇增期(2007—2010年)，礦區(qū)西部莫勒格爾河東側的東明露天礦與北部的呼盛和天順井工礦相繼開采，東明露天礦通過地面疏干井疏排地下水，其平均排水量達到18.27×104m3/d，約占礦區(qū)總排水量的92%。第3階段排水穩(wěn)定期(2011—目前)，寶日希勒露天礦首采區(qū)閉坑，2采區(qū)相繼開采，礦區(qū)排水量趨于穩(wěn)定，約為14.93×104m3/d。礦區(qū)煤化工企業(yè)工業(yè)用水主要來自東明露天煤礦排水和海拉爾河地表水體，礦山疏排水是研究區(qū)地下水主要排泄形式。

表1 礦區(qū)主要含、隔水層水文地質特征
Table 1 Hydrogeological characteristics of aquifersin open pit mines

根據礦區(qū)周邊地下水水位階段性觀測(2009—2011年)資料分析，如圖3所示，在礦井疏排水影響下，由于礦區(qū)西南側第四系松散層接收莫勒格爾河補給，水位下降幅度較小(TB105,TB102)，約為0.5 m/a，白堊系孔隙裂隙含水層水位降幅為1.2 m/a(TB102)。而東明與寶日希勒露天礦之間白堊系孔隙裂隙含水層水位下降幅度達到2.3 m/a。

由于礦區(qū)水文地質條件研究基礎相對薄弱，筆者根據研究區(qū)水文地質與露天煤礦開發(fā)特征，將露天采礦疏排水與地下水系統(tǒng)仿真研究結合，系統(tǒng)分析露天礦區(qū)疏排水對地下水系統(tǒng)的影響規(guī)律。

表2 礦區(qū)開發(fā)與疏排水概況
Table 2 Mining history and drainage characteristics of the study areas

圖3 礦區(qū)地下水水位變化Fig.3 Groundwater level changes in mining area

2 地下水系統(tǒng)數值仿真模型構建

2.1 模型構建

研究區(qū)水文地質單元相對獨立，西南兩側分別以海拉爾、莫勒格爾河為模擬邊界，東部和北部以高平原與低山丘陵接觸帶為模擬邊界(圖1)。通過充分收集研究區(qū)各類地質水文地質鉆孔300余個，在垂向上按含水層巖性將模型剖分為孔隙含水層(Q)、砂巖孔隙裂隙含水層(I,II,III)以及3個相對隔水層共7個模擬分層(圖4)，其中頂部孔隙含水層(Q)接受大氣降水的補給，為重點研究的主要含水層。

礦坑涌水與外圍地面疏干井疏水是煤礦開采影響地下水系統(tǒng)主要因素。模型中根據收集煤礦各時期采掘歷史與排水量統(tǒng)計資料，在各時期的采掘范圍內以抽水井形式作為地下水排泄項輸入模型。大氣降水、潛水蒸發(fā)等地下水源匯項，按照地區(qū)實際觀測數據進行輸入。

2.2 模型校正

通過非穩(wěn)定流仿真模擬，利用水位觀測資料(2007—2009年)進行模型校正(圖5)，反演得出含水層主要水文參數見表3。其中研究區(qū)受到季節(jié)性凍土層年內隔水效應的控制[16]，校正得出的研究區(qū)年均入滲系數α=0.15，低于我國西部地區(qū)沖積、風積區(qū)降水入滲能力[17-18]。

通過穩(wěn)定流數值仿真對平水年天然條件下地下水系統(tǒng)進行模擬輸出，反演得出無采礦疏排水條件下研究區(qū)流場特征(圖6(a))。天然條件下，礦區(qū)東部的高平原區(qū)大氣降水入滲與低山丘陵區(qū)側向補給地下水后最終排泄至海拉爾河，礦區(qū)西南部的沖積平原區(qū)由于地形和河流寬緩，地下水與地表水(海拉爾河與莫勒格爾河)交換劇烈，潛水以蒸發(fā)排泄為主。

3 露天煤礦疏排水對地下水系統(tǒng)影響

第1階段，由于寶日希勒露天煤礦首采區(qū)疏排水影響，據統(tǒng)計疏排水強度為2.3×104m3/d，如圖6(b),(c)所示，以首采區(qū)為漏斗中心，局部地段松散含水層地下水被疏干，中心水位下降幅度在50 m左右，漏斗至礦區(qū)西南部拓展，礦區(qū)范圍內平均水位降深小于5 m。

表3 模型主要水文地質參數
Table 3 Main hydrogeological parameters of the model

第2階段，寶日希勒露天煤礦西側的東明露天礦與北部的呼盛和天順井工礦相繼開采，由于東明露天礦高強度持續(xù)疏排水影響(排水強度達18.27×104m3/d)，分別以東明露天礦和寶日希勒露天礦首采區(qū)為中心，較大范圍松散含水層地下水被疏干，東明露天礦中心水位下降幅度在100 m以上，漏斗向礦區(qū)外圍西南部拓展范圍不大，礦區(qū)范圍內平均水位降深大于10 m。

第3階段，寶日希勒露天礦首采區(qū)閉坑，二采區(qū)相繼開采，東明露天礦排水量趨于穩(wěn)定，約為14.93×104m3/d，水位漏斗較為穩(wěn)定，礦區(qū)范圍內平均水位降深大于15 m。

經過模擬分析與計算，反演得出礦區(qū)沖積平原區(qū)的松散含水層滲透能力極強，滲透系數大于35 m/d，且西部莫勒格爾河對松散層含水層補給充分。見表4，計算得出在東明露天礦西側河水通過地下滲漏補給松散層地下水的強度為11.02×104m3/d，約占東明露天礦排水量的80%。

4 帷幕阻水條件下地下水系統(tǒng)分析

4.1 強富水強補給含水層帷幕減滲特征

強補給的含水層是無法實現疏干的，群井疏降排水存在水資源浪費嚴重、疏排強度大、經濟合理性不高等問題。如呼倫貝爾大雁礦區(qū)扎尼河露天礦由于近地表富水性好的松散含水層接受海拉爾河補給充分，先后共施工67眼疏干井，礦坑疏排強度一直穩(wěn)定在16.5×104m3/d，對海拉爾河地表水徑流量影響較大，2018年開始施工6.3 km帷幕阻水墻，分析建成后可減少疏排水量80%以上[19]?；幢敝煜汕f井工煤礦煤層頂板富水性好的砂礫巖充水含水層受奧灰?guī)r溶水補給充分，從2016年開始施工4 km帷幕阻水墻，疏排水量減少了80%以上，可見基于地下連續(xù)墻的帷幕減滲技術在強富水強補給含水層中的應用適宜性好。

如圖7所示，根據達西定律，當礦坑疏排含水層地下水至某水平H2時，帷幕墻單寬滲漏量Qw與礦坑單寬疏排水量Qk分別為

Qw=KsΔh1(H0-H1)/M

(1)

Qk=K0Δh2(H1-H2)/L

(2)

其中,Ks,K0分別為帷幕墻與含水層的滲透系數,m/h;M為帷幕墻厚度,m。在礦坑疏排水條件下，由式(1)可以看出帷幕墻厚度M越大、滲透系數Ks越小，通過帷幕墻滲漏量Qw越小。由式(2)可知礦坑疏排井與帷幕墻體距離L越大(帷幕墻與補給水體的距離越近)，單寬疏排水量Qk越小。因此帷幕墻體滲透能力越弱、厚度越大，與補給水體距離越近礦坑疏排含水層水位至某水平的水量越小。

4.2 地下水帷幕減滲模型構建

東明露天井田富水性好的松散含水層(滲透系數大于35 m/d)接受莫日格勒河地表水體強補給。筆者根據研究區(qū)含隔水層分布特征和疏排條件下地下水系統(tǒng)仿真分析結果，考慮到帷幕墻建設工程在井田以外受環(huán)保政策、施工條件等原因限制，在露天礦與莫勒格爾河之間的井田邊界上依次設計長為2，3，4 km帷幕墻(深度進入松散層底部的低滲透黏土層)。借鑒扎尼河露天礦、朱仙莊井工煤礦帷幕減滲經驗，帷幕墻體寬度設置為0.8 m，滲透系數設置為10-7cm/s。

圖6 疏排水條件下地下水流場變化特征Fig.6 Groundwater flow field under drainage conditions

如圖8所示，露天煤礦開采直接剝離揭露含水層，含水層地下水沿剝離界面進入礦坑，在不考慮水躍影響時，由于在剝離界面處的含水層水位下降至含水層底板，在仿真模型中設定為一類水頭邊界，其水頭值約為含水層底板標高[20]，構建成東明露天礦帷幕減滲條件下的地下水系統(tǒng)仿真模型，對帷幕墻對疏排水強度影響程度進行初步探討。

表4 穩(wěn)定期東明露天礦疏排水量組成分析
Table 4 Composition analysis of drainage volume inDongming open pit mine instable period

疏排水組成水量/(104 m3·d-1)占比/%疏排水總量/(104 m3·d-1)地表水滲漏量11.0280.26白堊系孔隙裂隙含水層2.6919.5913.73大氣降水0.020.15

圖7 帷幕減滲條件下地下水流場示意Fig.7 Sketch map of groundwater flow field under curtain wall conditions

圖8 露天煤礦開采含水層地下水流失示意Fig.8 Sketch map of groundwater loss in aquifer of open pit coal mining

4.3 地下水帷幕減滲模型分析

計算模擬結果如表5、圖9所示。

表5 帷幕墻阻水條件下疏排水量
Table 5 Drainage under curtain wall conditions

帷幕墻長度/km疏排水量/(104 m3·d-1)水量降幅/%013.80 —29.60 30.4337.85 43.1246.65 51.81

圖9 4 km帷幕墻建設條件下地下水流場變化特征Fig.9 Characteristics of groundwater flow field under the condition of 4 km-long curtain wall

可以看出帷幕墻對松散層地下水流場控制明顯，水力梯度在墻體周邊驟增，4 km帷幕墻阻水條件下疏排水量減少至6.65×104m3/d，減少幅度約為51.81%。由此可見，帷幕阻水墻建設可大幅減少露天礦開采過程中的疏排水強度，是保護礦區(qū)水資源的有效手段。

5 結論與展望

(1)以呼倫貝爾寶日希勒露天礦區(qū)為例，系統(tǒng)分析了礦區(qū)水、煤、環(huán)賦存條件與煤炭資源開發(fā)特征，根據礦區(qū)疏排水強度，將礦區(qū)露天礦開采歷史劃分為初期、劇增期與穩(wěn)定期3個階段。

(2)應用地下水系統(tǒng)數值仿真技術，系統(tǒng)分析了露天礦區(qū)煤礦開采疏排水對地下水系統(tǒng)影響規(guī)律，計算得出穩(wěn)定期河水滲漏補給松散層地下水強度約為11.02×104m3/d，約占露天礦疏排水量的80%。

(3)根據礦區(qū)水文地質條件和帷幕減滲條件下地下水流場特征，構建帷幕阻水條件下地下水系統(tǒng)仿真模型，初步評價了帷幕墻對疏排水強度影響程度。結果顯示，在4 km帷幕墻阻水條件下疏排水量減少至6.65×104m3/d，減少幅度約為51.81%。

(4)根據礦區(qū)露天礦疏排水存在的水資源浪費嚴重、疏排強度大，經濟合理性不高等問題，總結提出帷幕墻阻水減滲是礦區(qū)強富水強補給含水層水資源保護性開采的一種有效手段。