黃土高原地區(qū)典型露天煤礦地下水控制研究

葉永祥

（北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

露天煤礦地下水控制直接影響后續(xù)鉆爆、采煤、運(yùn)輸?shù)雀魃a(chǎn)環(huán)節(jié)，地下水控制不佳，將影響各環(huán)節(jié)生產(chǎn)效率，導(dǎo)致煤炭供應(yīng)不足，進(jìn)而無(wú)法完成煤炭生產(chǎn)任務(wù)，降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。另外，地下水也會(huì)對(duì)邊坡直接破壞，溶蝕、潛蝕、沖刷邊坡，通過(guò)沖刷使坡腳的強(qiáng)度降低導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，還會(huì)降低設(shè)備使用壽命，導(dǎo)致露天煤礦安全生產(chǎn)無(wú)法保障。因此，對(duì)露天煤礦地下水控制研究尤為必要[1]。

鄂爾多斯這一帶露天煤礦大部分坐落在黃土高原地區(qū)，其獨(dú)有的梁、峁特征及溝谷發(fā)育均是研究地下水控制時(shí)應(yīng)考慮的因素。目前針對(duì)露天煤礦地下水控制、涌水量計(jì)算、防治措施研究已較為完善，也意識(shí)到不同地形條件下地下水控制方案的不同，如對(duì)新疆天山谷地典型露天礦地下水控制與防洪排澇研究，而對(duì)黃土高原地區(qū)條件下露天煤礦地下水控制尚無(wú)深入的分析。為此，通過(guò)以鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗魏家峁鎮(zhèn)魏家峁露天煤礦為研究對(duì)象，研究黃土高原地區(qū)典型露天煤礦地下水控制[2]。

1 魏家峁露天煤礦基本條件概述

1.1 水文地質(zhì)條件

1）地形地貌。呈典型的鄂爾多斯黃土高原地貌梁、峁特征，地表植被稀疏，植被種類單一生態(tài)脆弱，常年雨水沖刷多形成樹(shù)枝狀沖溝，總體表現(xiàn)為水土流失嚴(yán)重，形成溝壑縱橫、溝深壁陡、支離破碎的復(fù)雜地形。

2）氣象。屬大陸性干旱氣候。冬寒夏熱，晝夜溫差大，年總降水量較小，范圍231～459 mm，年總蒸發(fā)量較大，達(dá)到年總降水量的5～8 倍。

3）水文條件和含（隔）水層。發(fā)育的溝谷多以向源侵蝕為主，橫斷面常呈“U”字型，例如該區(qū)域的主要溝谷罐子溝。雨季多瀑發(fā)山洪，其特點(diǎn)是流量大且伴隨強(qiáng)大動(dòng)力[3]。

含（隔）水層劃分見(jiàn)表1。

表1 含（隔）水層劃分

1.2 各含水層的補(bǔ)給和排泄條件

露天煤礦主要靠大氣降水進(jìn)行補(bǔ)給，大氣降水經(jīng)部分出煤系露頭垂直下滲補(bǔ)給。年降水量在400 mm 左右，煤層直接充水含水層補(bǔ)給來(lái)源貧乏，決定了其富水性差。露天煤礦地下水收到大氣降水補(bǔ)給，地下水因煤田總體構(gòu)造輪廓大致表現(xiàn)為由東向西運(yùn)動(dòng)，局部地段因煤系地層的起伏、透水性差異、煤層風(fēng)化等因素而略有變化。地下水部分以側(cè)向徑流的方式排至溝渠或黃河；部分利用有利地形以泉的方式排出地表；部分埋藏淺的以蒸發(fā)的方式排泄，但蒸發(fā)排泄量非常小[4]。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地下水和地表水的關(guān)系

露天煤礦所在區(qū)域總體構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，對(duì)礦床充水無(wú)影響，所在區(qū)域除黃河以外，無(wú)地表水體及常年有水溝谷，經(jīng)實(shí)地勘察及試驗(yàn)研究，作為最大而且唯一的地表水體，與露天煤礦的煤層直接充水含水層無(wú)水力聯(lián)系，黃河是露天煤礦所在區(qū)域排泄的天然場(chǎng)所[5]。

露天煤礦所在區(qū)域地形高低起伏，所以煤層直接充水含水層受地形起伏影響，不僅補(bǔ)給區(qū)面積小而且不易形成良好的匯水區(qū)域。露天煤礦所在區(qū)域?yàn)榭傮w西斜帶有波狀起伏的單斜構(gòu)造，此種地形不利于地下水存儲(chǔ)及富集。故煤層直接充水含水層的補(bǔ)給量極小，富水性差。

2 地下涌水量

2.1 充水因素分析

露天煤礦所在區(qū)域?yàn)榭傮w傾向NWW、傾角小于5°的近水平單斜構(gòu)造，整個(gè)勘探過(guò)程中未見(jiàn)斷層，構(gòu)造簡(jiǎn)單且對(duì)地下水的儲(chǔ)存、富集及各含水巖組間的連通無(wú)影響。大氣降水一直是露天煤礦開(kāi)采過(guò)程中礦床充水的最主要水源。隨著露天開(kāi)采過(guò)程中巖石剝離排棄，山西組裂隙砂巖含水巖組水，尤其是6#煤的直接充水含水巖組水，將沿山西組砂巖斷面這一充水通道而進(jìn)入煤底板，對(duì)生產(chǎn)造成影響[6]。

2.2 地下水涌水量計(jì)算

露天煤礦所在區(qū)域最上層位第四系松散巖類，其特點(diǎn)是貯水條件差、富水性較弱且無(wú)涌水量；對(duì)于露天煤礦6#煤層，地下涌水量采用大井法計(jì)算[7]：

式中：Q 為預(yù)測(cè)的礦坑涌水量，m3/d；K 為滲透系數(shù)，取0.08 m/d；H 為水柱高度，取20 m ；M 為含水層厚度，取13 m；R0為引用影響半徑，取694 m；r0為引用半徑，r0=，取406 m；F 為先期開(kāi)采地段面積，取0.52 m2。

預(yù)算結(jié)果為Q＝131 m3/d。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，剝離處黃土與紅土或基巖接觸處有少量泉水涌出，主要涌水位置在6#煤開(kāi)采位置，來(lái)自于山西組裂隙砂巖承壓水。突水點(diǎn)位置隨著采剝工作面的推進(jìn)而移動(dòng)。通過(guò)觀測(cè)水泵排量得出2019 年涌水量統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表2。根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，通過(guò)加權(quán)平均求得采坑涌水量為78 m3/h。

3 地下水控制

3.1 排水方案

根據(jù)含水層水文地質(zhì)條件及涌水量預(yù)測(cè)情況確定采場(chǎng)無(wú)需預(yù)先疏干，采取地下涌水與露天采場(chǎng)內(nèi)正常降雨徑流匯水一并排除。露天礦坑內(nèi)的匯水主要為礦坑匯水區(qū)的降雨徑流量和煤層含水層的地下水2 部分?？觾?nèi)排水?dāng)M采用坑底儲(chǔ)水、半固定泵站排水方式，正常徑流排水管路排至地面的沉淀池經(jīng)沉淀處理后復(fù)用，暴雨時(shí)期排水管路直接排至采掘場(chǎng)東側(cè)的罐子溝至低凹處[8]。

3.2 排水設(shè)備選擇

1）排水量Q 計(jì)算。正常時(shí)期排水量為26.7 m3/h；暴雨時(shí)期排水量為355.6 m3/h。

2）揚(yáng)程H 計(jì)算。所需揚(yáng)程為110 m，正常時(shí)期排水泵選擇潛污泵WQN11-140/3-75（Q=100 m3/h，H=140 m，N=75 kW）共2 臺(tái)，1 臺(tái)備用。暴雨時(shí)期排水泵選擇潛污WQN200-140/3-200（Q=200 m3/h，H=140 m，N=200 kW）共2 臺(tái)。

3.3 排水管路選擇

根據(jù)計(jì)算公式，排水管路管徑D 為：

式中：Q 為潛水泵小時(shí)排水量，正常排水泵Q=100 m3/h，暴雨排水泵Q=200 m3/h；v 為排水管內(nèi)水流速度，取1.5 m/s；

得：正常時(shí)期排水管直徑Dz=133 mm；暴雨時(shí)期排水管直徑DB=188 mm。

采區(qū)共設(shè)置2 級(jí)積水坑，1 級(jí)積水坑設(shè)置于煤底板西北側(cè)，2 級(jí)積水坑設(shè)置于內(nèi)排土場(chǎng)東側(cè)沿幫路末端。1 級(jí)積水坑內(nèi)下設(shè)水泵根據(jù)排水系統(tǒng)計(jì)劃進(jìn)行設(shè)置，將水抽送至2 級(jí)積水坑內(nèi)；2 級(jí)積水坑下設(shè)8 臺(tái)水泵，其中3 臺(tái)水泵為電廠供水，3 臺(tái)為道路灑水的加水泵，其余2 臺(tái)將多余水量排至寶活兔溝蓄水壩內(nèi)。

3.4 防治措施

露天煤礦防治水綜合采用“防堵疏排截”的措施，通過(guò)實(shí)地觀測(cè)水流走向，計(jì)算匯水面積，分析區(qū)域承受能力及影響，圈定重點(diǎn)防治區(qū)域。劃分責(zé)任片區(qū)，進(jìn)一步責(zé)任到人，落實(shí)露天煤礦防治措施[9]。

1）在采煤工作面西北端幫處為礦坑最低點(diǎn)，降水除部分滯留在平盤(pán)外，其余都匯積在此處。由于向斜構(gòu)造6#煤底板情況復(fù)雜，雨季采掘時(shí)必須考慮防排水問(wèn)題，供電整備段還要準(zhǔn)備多個(gè)完好的小水泵，準(zhǔn)備將煤層底板小范圍的積水抽出，以不影響采煤。

2）經(jīng)常巡視各平盤(pán)的變化情況，特別是非工作幫和排洪渠與臨時(shí)道路交匯處的高邊幫，以及端幫滲水情況，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)要及時(shí)上報(bào)。

3）礦區(qū)動(dòng)力中心、露天礦供電整備段及機(jī)修段雨季要加強(qiáng)檢修供電線路、供電設(shè)施（變壓器、開(kāi)關(guān)柜），并備有后備電源；而且要檢查各類供電設(shè)施周圍地勢(shì)，必要時(shí)，加以鋪墊。

4）公司信息中心要定期檢修、巡查通訊線路、網(wǎng)絡(luò)辦公系統(tǒng)及其場(chǎng)地的工程條件，以防啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案時(shí)，通訊系統(tǒng)不暢或出現(xiàn)故障。

5）對(duì)于局部平盤(pán)積水，根據(jù)實(shí)際情況采用疏通或小泵倒排至6#煤底板，再由大泵排出至內(nèi)排土場(chǎng)積水坑內(nèi)用于道路灑水降塵。

6）礦區(qū)動(dòng)力中心、露天礦供電整備段及機(jī)修段雨季要加強(qiáng)檢修供電線路、供電設(shè)施（變壓器、開(kāi)關(guān)柜），并備有后備電源；而且要檢查各類供電設(shè)施周圍地勢(shì)，必要時(shí)，加以鋪墊。

7）公司信息中心要定期檢修、巡查通訊線路、網(wǎng)絡(luò)辦公系統(tǒng)及其場(chǎng)地的工程條件，以防啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案時(shí)，通訊系統(tǒng)不暢或出現(xiàn)故障。

4 結(jié)語(yǔ)

露天煤礦地下水控制好壞直接影響整體生產(chǎn)效率，通過(guò)研究魏家峁露天煤礦水文地質(zhì)特征，理清該礦充水性因素及補(bǔ)給、排泄形式，計(jì)算出地下水涌水量131 m3/d。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)測(cè)，2019 涌水量為78 m3/h，采用坑底儲(chǔ)水、半固定泵站排水方式控制地下水，提供了合適的水泵型號(hào)。同時(shí)，結(jié)合魏家峁露天煤礦實(shí)際情況，提出具體的防排水措施。魏家峁露天煤礦地處鄂爾多斯黃土高原地區(qū)，地下水控制方案填補(bǔ)了典型黃土高原地區(qū)地下水防治的空白。所采用研究方法及所得結(jié)論對(duì)黃土高原區(qū)露天煤礦地下水控制具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值。