露天礦山防排水工程技術(shù)措施淺析

劉俊龍

（陜西神延煤炭公司，陜西 榆林 719000）

水害作為露天礦主要災(zāi)害之一，一直以來是阻礙露天礦安全生產(chǎn)的重大隱患之一，水害來源主要有大氣降水，地表水系，地下水三種途徑。在礦山生產(chǎn)過程中，涌水對(duì)邊坡穩(wěn)定、道路運(yùn)輸、設(shè)備安全都構(gòu)成重大安全隱患，同時(shí)對(duì)礦山安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立構(gòu)成重大障礙，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。所以，合理有效的防治水工程成為了露天礦山高效接續(xù)發(fā)展的前提。

1 礦山簡介

1.1 概況

1.1.1 氣象條件

西灣露天礦位于陜西榆林地區(qū)，為產(chǎn)量10Mt/a的大型凹陷式露天礦，開采工藝為單斗-卡車間斷式工藝，煤層傾角＜1°，施工工序有鉆孔、爆破、采裝、運(yùn)輸、排土，現(xiàn)開采工作面布置方向?yàn)闁|西走向，采剝臺(tái)階向北推進(jìn)，南方為內(nèi)排臺(tái)階。生產(chǎn)煤質(zhì)為優(yōu)質(zhì)長焰煤，硬度較大，需進(jìn)行穿爆。當(dāng)?shù)貙僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，其特點(diǎn)為：春季溫暖干燥，氣溫回升快，降水較少，多大風(fēng)及風(fēng)沙天氣，易起沙塵；夏季炎熱多雨，日溫差大，多雷陣雨及陣性大風(fēng)天氣；秋季涼爽濕潤，氣溫下降快，10月份后降水量速減；冬季寒冷干燥，雨雪稀少，且封凍期較長。全年降水量分布極不均勻，雨季多集中在7月份～9月份，占年降水量的66%，尤以8月份最多，平均為132.5mm，并多以暴雨形式出現(xiàn)，易形成洪水、同時(shí)誘發(fā)各類地質(zhì)災(zāi)害。全年無霜期短，十月初上凍，次年四月解凍。據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳径嗄暧^測資料，主要?dú)庀髤?shù)為：

近年平均氣溫8.4℃。

多年平均降水量491.5mm（2008～2019）。

枯水年降水量363.9mm（2010）。

豐水年降水量743.2mm（2016）。

月最大降水量261.9mm（2016.7）。

1.1.2 水文條件

目前，該露天礦采坑的主要充水水源為：大氣降水、地表水及地下水，地下水主要為薩拉烏蘇組含水層、風(fēng)化基巖含水層及燒變巖含水層。

（1）大氣降水。大氣降水是露天采坑的直接充水水源，礦內(nèi)多年平均降水量為491.5mm，且多集中7月份～9月份，占全年降水量的66%，大氣降水是地下水及地表水的補(bǔ)給來源，目前，露天采場面積約為4.5km2。礦區(qū)內(nèi)地表多被第四系松散沙層所覆蓋，十分有利于接受降水補(bǔ)給，故大氣降水屬區(qū)內(nèi)間接充水水源。

（2）地表水。表水系主要有三條河流。其中一條屬對(duì)露天礦開采影響較大的地表水系，但該河流屬季節(jié)性河流，時(shí)有干涸現(xiàn)象，故在雨季該河將會(huì)是礦內(nèi)主要的地表充水因素。

（3）地下水。根據(jù)首采區(qū)的水文地質(zhì)條件，本區(qū)分布有三個(gè)主要含水層，由上至下分別是：第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層；侏羅系中統(tǒng)延安組風(fēng)化基巖裂隙承壓水含水層；燒變巖孔洞裂隙潛水含水層。

①第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水：采區(qū)內(nèi)西北部大面積分布，有利于接受大氣降水直接補(bǔ)給，且下部為巨厚紅土隔水層，是該沙層潛水富集的有利條件，是露天采坑的主要充水水源。②風(fēng)化基巖裂隙水：采區(qū)內(nèi)廣泛分布，風(fēng)化基巖裂隙水是露天礦床的直接充水含水層。也是露天采坑的主要充水水源。③燒變巖孔洞裂隙潛水：露天礦東邊界以上部煤層自燃邊界為界，在自燃邊界以東，煤層已自燃。從而形成了孔洞裂隙發(fā)育的燒變巖儲(chǔ)水構(gòu)造。由于煤層底板形態(tài)從自燃邊界向東呈升高趨勢(shì)，形成了以自燃邊界處最低的燒變巖儲(chǔ)水構(gòu)造。

1.2 產(chǎn)生影響

影響該露天礦安全生產(chǎn)主要因素為為水患，對(duì)開采影響較大的含水層為薩拉烏蘇含水層、風(fēng)化基巖裂隙含水層以及燒變巖孔洞裂隙含水層。具體表現(xiàn)為：一是采場北部土巖結(jié)合面在剝離上層保德組紅土層后，風(fēng)化基巖裂隙承壓水上涌，其頂板大面積涌水，保德紅土被涌水浸潤后出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，致使工作面出現(xiàn)大面積積水、泥濘，并對(duì)巖石工作面穿孔、爆破、采裝、運(yùn)輸作業(yè)效率及安全產(chǎn)生很大影響：二是東部端幫由于煤層自燃，形成了孔洞裂隙發(fā)育的燒變巖儲(chǔ)水構(gòu)造，加之爆破震動(dòng)、采動(dòng)等的影響，燒變巖裂隙水向采場涌出，在煤層頂板工作面蔓延，（且煤層傾向?yàn)榇怪迸_(tái)階方向下傾，平行臺(tái)階方向有起伏），煤層的傾向及其頂板起伏致使東部端幫涌出水在煤層頂板工作面四處蔓延，給防排水工作帶來很大困難，并造成煤頂工作面穿孔、爆破、采裝工序?qū)嵤├щy，進(jìn)度緩慢，作業(yè)安全系數(shù)降低：三是采場開采推進(jìn)方向的地表水主要有河流經(jīng)首采區(qū)，位于露天礦山的中部偏北，流量隨季節(jié)變化較大，區(qū)內(nèi)流程約3km，大部分地表水下滲到地表潛水含水層；地表潛水主要為薩拉烏蘇組孔隙水，靜水儲(chǔ)量較大，補(bǔ)給來源主要為地表徑流和大氣降水為主，補(bǔ)給穩(wěn)定，最終滲入到采場，造成采場涌水量增大。四是隨著采場涌水量大，需在采場內(nèi)設(shè)立多個(gè)蓄水池，且隨著采剝工程的推進(jìn)，蓄水池需不斷的廢棄、重建，從而產(chǎn)生了大量的工程量。

2 技術(shù)措施

根據(jù)水害類別特點(diǎn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，確定采區(qū)防治水采取疏、截、堵、排四種措施，并進(jìn)行綜合治理。

2.1 疏

根據(jù)本礦區(qū)水文地質(zhì)資料，在采場外地下水富集區(qū)域設(shè)置疏干排水井，并配備抽排水系統(tǒng)以及疏干井水位自動(dòng)檢測系統(tǒng)，對(duì)疏干孔內(nèi)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警、抽排水控制。如地下水量較大，也可在采場內(nèi)部設(shè)置疏干排水井、集水井[1]，該類疏干井多為非永久性疏干井，隨著采剝工作面的推進(jìn)，隨采隨建。

2.2 截

（1）防洪堤截水：在露天礦采場外圍設(shè)置防洪堤，露天礦運(yùn)輸?shù)缆放c社會(huì)道路的交叉口設(shè)置土拱，截流、疏導(dǎo)汛期強(qiáng)降雨的大量雨水，防止采區(qū)外汛期雨水流入采場。

（2）運(yùn)輸干線土擋截水：利用露天礦運(yùn)輸干線連續(xù)穩(wěn)固的擋土墻截水，使汛期露天礦采場內(nèi)匯水有效疏導(dǎo)，防止汛期雨水在采場內(nèi)漫延。

（3）明渠截水：針對(duì)露天礦采場不同標(biāo)高處的涌水點(diǎn)，可在其涌水處底板開挖明渠，將涌出水截止在臨時(shí)性蓄水池中，提前進(jìn)行抽排。

2.3 堵

針對(duì)露天礦地下燒變巖積水以及地表河流補(bǔ)給的地下水，可采取預(yù)留安全煤柱的方式隔水，但是會(huì)造成煤炭資源損失；也可在采礦界處設(shè)置地下鉆孔注漿、隔水帷幕墻[2]等方式進(jìn)行地下水封堵，阻止其向露天礦采場內(nèi)涌水。目前，該項(xiàng)技術(shù)已在我國部分露天礦山得以應(yīng)用，技術(shù)較為成熟，且效果顯著。

2.4 排

根據(jù)采場開采現(xiàn)狀以及計(jì)算出的排水量，采場排水系統(tǒng)[3]采用分區(qū)蓄水、階梯集中的方式排水，排水系統(tǒng)可根據(jù)排水量大小設(shè)置一個(gè)或多個(gè)排水泵站，并配置相應(yīng)能力的排水泵，將采場內(nèi)蓄水池積水抽排至采場外污水處理站或用于排土場復(fù)墾綠化灌溉。

2.5 具體措施

2.5.1 東端幫自燃邊界涌水治理措施

針對(duì)西灣露天礦東部端幫燒變巖積水的防治，其一是采用在東端幫預(yù)留100m安全煤柱的方式進(jìn)行隔水，但是，此種方式會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)。在開采前期可暫時(shí)采取此種措施；其二是沿火燒區(qū)邊界實(shí)施東端幫涌水治理地下鉆孔注漿延伸工程，通過構(gòu)筑地下帷幕墻，對(duì)地下水實(shí)施封“堵”，阻止其向露天礦東部端幫涌出（通過對(duì)已實(shí)施的200m地下帷幕注漿工程應(yīng)用效果來看，堵水效果顯著）。開采初期通過預(yù)留煤柱的方式進(jìn)行堵水，隨著開采進(jìn)度的不斷向前推進(jìn)，適時(shí)實(shí)施地下注漿堵水工程，取代預(yù)留煤柱，逐步回收煤柱資源。

2.5.2 工作幫土巖交界面涌水治理措施

根據(jù)目前巖層揭露情況，保德組紅土層底部有一層2m～5m半膠結(jié)狀態(tài)的鈣質(zhì)結(jié)核含水層，特別是該層底部礫石層與風(fēng)化裂隙承壓水連通，局部地段該層有含水現(xiàn)象，但保德組紅土總體是隔水層，針對(duì)保德組紅土層與風(fēng)化巖接觸面大面積出水，導(dǎo)致保德紅土被涌水浸潤后泥化，嚴(yán)重影響鉆孔爆破及采裝施工的現(xiàn)象。根據(jù)西灣礦生產(chǎn)接續(xù)計(jì)劃，將超前實(shí)施疏干排水井工程，提前對(duì)地下水進(jìn)行“疏”“排”，屆時(shí)將對(duì)疏干井水位進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控，及時(shí)進(jìn)行抽排，進(jìn)一步減少工作幫土巖交界面涌水對(duì)穿孔、爆破、采裝、運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>

2.5.3 地表水及地表潛水治理措施

采掘場排水系統(tǒng)按采剝排工程位置確定[4]，充分利用地形、工程位置和采掘推進(jìn)階段的時(shí)空關(guān)系，建立采掘場和排土場防排水系統(tǒng)（坑底蓄水池，階梯蓄水池，水泵，移動(dòng)式泵站[5]，排水管路），在采場最低標(biāo)高處（煤層底板）設(shè)置一個(gè)或多個(gè)蓄水池，通過開挖明渠、盲溝等措施，收集匯聚采場內(nèi)大氣降水及地表水，蓄水池內(nèi)設(shè)置排水泵，采場內(nèi)布置排水管路，全天候?qū)Σ蓤鰞?nèi)積水進(jìn)行抽排，并實(shí)時(shí)進(jìn)行防排水系統(tǒng)檢查、維護(hù)，檢查防排水設(shè)施的完整性和可用性[6]，保證排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.5.4 采場外部水源防治措施

（1）采場北部防洪堤。結(jié)合露天采礦設(shè)計(jì)，雨季來臨之前在采區(qū)北側(cè)（推進(jìn)方向）距離采場地表境界不小于50m處修建防洪堤，“截”流露天礦采場外部匯水，以防止其發(fā)生洪水時(shí)從北部進(jìn)入采場內(nèi)。隨著采場不斷向前推進(jìn)，防排水溝需繼續(xù)北移[7]。

（2）采場東、西部防洪堤。采場東西部外部匯水控制可有效利用現(xiàn)有端幫運(yùn)輸路線路安全擋墻作為防洪堤，運(yùn)輸路線（原始地表覆紅土）外加安全擋墻高出原始地表2.5m。在雨季來臨前只需在路口處利用露天礦剝離土巖設(shè)置臨時(shí)防洪堤攔截[8]，攔“截”東、西部洪水進(jìn)入采場內(nèi)。

（3）采場南段防洪堤。南段防洪則沿用排土場自然擋墻作為地表防洪堤，局部低洼地段做加高、修補(bǔ)，保證擋墻的連續(xù)性、完整性，以防止發(fā)生洪水時(shí)從南部進(jìn)入采場內(nèi)。南部外排土場采用內(nèi)部消化和縱向?qū)疁戏绞綄⒍嘤嗟乃ㄟ^導(dǎo)水溝導(dǎo)入排水溝渠，排出區(qū)外。

3 結(jié)語

露天礦防排水工程旨在“防”和“排”，“防”是一項(xiàng)在空間上超前于礦山生產(chǎn)的工程，屬于一種事前預(yù)防措施，在礦山采剝工程前，對(duì)大氣降水、地下及地表水進(jìn)行治理，防止其涌入采場；“排”是對(duì)已涌入采場水進(jìn)行的疏導(dǎo)、匯集和抽排的工程，是事后采取的一種措施?，F(xiàn)實(shí)中，單純的防或者排，均不能完全消除采場水患，所以大部分露天礦防排水工程采用的是防排結(jié)合的方式。

綜上所述，針對(duì)露天礦山防排水工程的“疏”、“截”、“堵”、“排”措施的綜合運(yùn)用，可有效治理水患，為露天礦的安全、高效開采提供堅(jiān)強(qiáng)保障。