露天煤礦開采側(cè)向帷幕控水原理與截水效果數(shù)值分析-以元寶山露天煤礦為例

趙春虎，王明星，曹海東，曲國文，王 勇，郭英杰

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西西安 710077；3.陜西省“四主體一聯(lián)合”黃河流域中段礦區(qū)(煤礦)生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)校企聯(lián)合研究中心，陜西 西安 710077；4.內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)(集團)有限責任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024050)

西部煤礦區(qū)(晉陜蒙寧甘新)位于干旱-半干旱地區(qū)，是保障我國能源安全核心區(qū)域，煤炭儲量和產(chǎn)量均占全國70%以上，煤炭資源高強度開發(fā)過程中，不可避免地排放大量地下水[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，鄂爾多斯盆地每年礦井水排放量就超過10 億m3，如神東礦區(qū)錦界煤礦礦井正常涌水量為5 000 m3/h，內(nèi)蒙古陳旗露天煤礦、扎尼河露天煤礦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，加劇了地區(qū)資源性缺水和對生態(tài)環(huán)境影響[3-4]。

黨的十九大報告指出“必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策”。國家和地方關(guān)于礦井水排放和資源化利用的政策日益趨嚴，2017 年財政部、稅務(wù)總局與水利部發(fā)布的《擴大水資源稅改革試點實施辦法》，在全國9 個省份試點實施了水資源費改稅政策，要求礦井疏干排水按照實際排水量繳納水資源稅，如內(nèi)蒙古自治區(qū)在地下水非超采區(qū)礦井疏排水的稅額為5 元/t，礦坑疏排水為煤炭生產(chǎn)企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟壓力，西部礦區(qū)煤炭資源保水開采技術(shù)需求強烈。

目前保水采煤相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)以及工程實踐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地下開采煤礦區(qū)[5-7]，已形成較為成熟的充填、分層、限高等地下開采煤礦水資源保護性開采技術(shù)[8-10]。露天煤礦開采產(chǎn)量在煤炭總產(chǎn)量中的比例呈逐漸增加趨勢(約15%)，但對露天煤礦區(qū)水害防治與保水開采相關(guān)研究基礎(chǔ)相對薄弱，高強度地下水預(yù)先疏排與采中礦坑強排一直是露天煤礦水害防治的主要手段。近年來，基于地下混凝土防滲墻側(cè)向帷幕截水技術(shù)已初步應(yīng)用在扎尼河露天礦區(qū)礦井水主動減排的工程實踐中，并取得良好的截水減排效果[11-12]，極大地減輕了露天煤礦開采對地下水資源的影響程度，但地下混凝土防滲墻建設(shè)具有工程量大、投資費用高等特點，科學評價露天煤礦地下混凝土帷幕防滲墻的截水效果是側(cè)向帷幕建設(shè)與方案優(yōu)化設(shè)計重要基礎(chǔ)，筆者以內(nèi)蒙古元寶山露天煤礦為研究對象，根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)與露天煤礦開發(fā)特征，從地下水系統(tǒng)角度分析近地表水體露天煤礦開采礦坑涌水與側(cè)向帷幕截水的基本原理，研究帷幕墻建設(shè)條件下礦坑殘余涌水的影響因素，并將露天采礦疏排水與地下水系統(tǒng)仿真研究結(jié)合，系統(tǒng)研究露天礦側(cè)向帷幕墻體建設(shè)對地下水系統(tǒng)的影響規(guī)律及其減滲效果，以期為西部礦區(qū)露天煤礦保水開發(fā)提供科學依據(jù)。

1 元寶山煤礦概況

1.1 地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

元寶山露天煤礦地處內(nèi)蒙古赤峰市，隸屬于平莊煤業(yè)(集團)有限責任公司，是我國“八五”建設(shè)重點項目，設(shè)計年產(chǎn)原煤12.00 Mt 的大型露天煤礦。如圖1所示，元寶山露天煤礦位于東、西元寶山之間的英金河沖積平原上，臺地周圍為黃土掩蓋丘陵區(qū)，其高程為+480～+600 m，露天礦區(qū)地表高程為+472～+490 m。煤礦主采煤層有五煤、六煤、七煤，剝離物主要為第四系砂礫層，以及第三系黏土、亞黏土，侏羅系砂巖、泥巖、頁巖。礦區(qū)內(nèi)地表水系有老哈河和英金河2 條河流，其中，英金河在露天礦采場中部由西向東流過，并在向東4 km 處匯入老哈河。

圖1 內(nèi)蒙古元寶山露天煤礦位置Fig.1 Location of Yuanbaoshan open-pit coal mine

整個露天礦區(qū)內(nèi)含煤地層全部被英金河沖洪積形成的第四系強富水性孔隙潛水含水層所覆蓋，其中孔隙潛水含水層劃分為2 個富水段，上部強富水段(簡稱上段)主要由沖洪積作用形成的圓礫夾砂礫及卵石層組成，分布在整個露天礦區(qū)，是區(qū)內(nèi)主要含水段，其滲透系數(shù)達234～637 m/d；中等富水段由冰積、冰水堆積的泥砂質(zhì)礫(卵)石夾層和砂礫、砂等組成，分布在露天礦區(qū)的大部范圍，滲透系數(shù)123～147 m/d，以上兩含水層具有統(tǒng)一的水力聯(lián)系。

1.2 礦坑涌水

元寶山露天礦是國內(nèi)外典型的特大富水型露天煤礦，礦坑預(yù)疏放前的原始狀態(tài)下，礦區(qū)內(nèi)的主要含水層-第四系沖洪積孔隙潛水含水層，主要受英金河上游河水和大氣降水的入滲補給，其次是處于河谷兩側(cè)地勢較高的基巖裂隙水和黃土丘陵的孔隙水通過沖溝或坡積層匯集滲入孔隙潛水含水層，潛水以下降泉的形式補給老哈河與英金河地表水體。

在元寶山露天礦開采初期，礦坑排水量達到46.45 萬m3/d，經(jīng)過30 a 開采，近年來礦坑總疏排水量仍穩(wěn)定在20 萬m3/d 左右，元寶山露天礦排水壓力與水資源稅經(jīng)濟壓力巨大。據(jù)統(tǒng)計，礦坑的主要充水水源為第四系含水層水，約占礦坑疏排水量的95%，多年來在群井疏干及明排疏干的聯(lián)合作用下，已形成穩(wěn)定的以礦區(qū)為中心的水位降落漏斗，在礦區(qū)外圍2 km 范圍內(nèi)的英金河上游區(qū)段第四系含水層的水位下降幅度都超過30 m，下游的老哈河對礦區(qū)已經(jīng)形成河水倒灌的徑流現(xiàn)象，露天煤礦開采過程中高強度疏排水對區(qū)域地下水水資源已造成較大的負面影響。

2 露天煤礦開采含水層失水特征與帷幕截水原理

2.1 含水層失水特征

露天煤礦開采時，近地表富水性與滲透性強的松散含水層被剝離，含水層地下水沿剝離面以下降泉的形式進入采坑后被強排，或者在采坑邊幫預(yù)先利用群井引流、明渠集中疏排的形式預(yù)先疏干地下水，以保障露天煤礦的安全開采。元寶山露天礦區(qū)采坑南幫直接剝離的第四系松散含水層受下游老哈河地表水體的充分補給，目前該地段礦坑疏排水量占礦坑總排水量的80%左右，露天采坑直接剝離強富水、強補給(受老哈河補給)含水層是形成大而穩(wěn)定礦坑涌水主要原因。

從地下水系統(tǒng)補給徑流排泄角度分析，由于在采坑與松散含水層剝離界面處，形成了切割含水層的地下水排泄“帶”，接觸帶上含水層水位下降至含水層底板，剝離開采切割含水層形成的接觸帶構(gòu)成了地下水系統(tǒng)的“內(nèi)邊界”，該處的水位降深S為松散含水層厚度M與水位的原始埋深D之差。根據(jù)地下水穩(wěn)定流的“大井法”分析原理，以近地表具有生態(tài)意義的第四系潛水含水層為分析對象，含水層地下水向露天采坑的側(cè)向排泄量Q可由下式計算：

由于S=M-D，則式(1)為：

式中：Q為涌水量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d；H為水頭高度，m；F為礦坑揭露的含水層面積，m2；R0為引用影響半徑，m；r0為假想“大井”的半徑(即為剝離區(qū)域的引用半徑，引用影響半徑R0可采用下式計算R0=r0+R，。式(1)和式(2)中，對數(shù)函數(shù)的自變量先處理為量綱1，再進行函數(shù)計算。

從式(2)可以看出，露天采坑揭露的含水層面積F越大，滲透系數(shù)K越大，水頭高度H越大，則地下水側(cè)向排泄量Q越大。

2.2 帷幕截水原理

強補給含水層是無法實現(xiàn)疏干的，傳統(tǒng)群井疏降排水存在水資源浪費嚴重、疏排強度大、經(jīng)濟合理性不高等問題。如內(nèi)蒙古扎尼河露天礦，由于近地表富水性好的松散含水層接受海拉爾河充分補給，先后共施工67 眼疏干井，礦坑疏排強度一直穩(wěn)定在16.5 萬m3/d左右，2018 年開始施工6.3 km 帷幕阻水墻，建成后減少了80%以上的疏排水量[5]。陜西張家峁井田煤層頂板燒變巖含水層受常家溝水庫地表水體充分補給，2019 年在回采工作面(15208、15207)與水庫之間開展了注漿帷幕工程后，回采期間工作面涌水量均小于5 m3/h[12]。安徽淮北朱仙莊煤礦煤層頂板滲透性強的砂礫巖含水層，通過區(qū)域?qū)當鄬荧@得煤層底板高承壓富水性強的奧陶系灰?guī)r巖溶水充分補給，從2016 年開始施工4 km 帷幕阻水墻后，回采工作面涌水量減少了80%以上[13]，驗證了基于地下連續(xù)墻的帷幕減滲技術(shù)在強富水補給含水層中的應(yīng)用適宜性好。

據(jù)地下水動力學原理，將地表水體概化為定水頭邊界(圖2)，可分析得出無帷幕墻體的礦坑單寬涌水量Q1為：

式中：K0為含水層滲透系數(shù)，m/h；Δh0為近采坑剝離面的含水層自由潛水面厚度，m；H0、H1分別為地表水體水位、采坑剝離面處的水位，m；L0為采坑與地表水體的距離，m。

由式(3)可見，無帷幕墻體條件下，當?shù)V坑疏排含水層地下水至某水平H1時，Q1受控于K0、L0和H0，顯然，K0越大、L0越小、H0越高，采坑涌水量越大，對露天礦井開采而言，采坑盡可能遠離地表水體是減少涌水的基本思路。

如圖3 所示，根據(jù)帷幕建設(shè)的一般原則，帷幕底界須進入相對滲透能力低的基巖內(nèi)部[14-17]，以最大程度降低底部繞流風險。為了便于分析，假設(shè)帷幕墻上端與下端均無繞流現(xiàn)象，因此，在帷幕墻建設(shè)條件下，通過帷幕墻體的單寬滲流量Qw與礦坑單寬殘余疏排水量Q′分別為[14]：

圖3 露天煤礦帷幕條件下地下水流場Fig.3 Groundwater flow field with water cutoff curtain in the open-pit coal mine

式中：Ks為帷幕墻滲透系數(shù)，m/h；M為帷幕墻厚度，m；L為帷幕墻距采坑的距離，m；H2為帷幕墻內(nèi)壁處地下水位高程，m；Δh2、Δh1分別為帷幕墻內(nèi)側(cè)、近采坑剝離面的含水層自由潛水面厚度，m。

根據(jù)地下水連續(xù)性原理可知，帷幕墻體的單寬滲流量與礦坑單寬殘余疏排水量相等，即Qw=Q′，由式(4)與式(5)可見，在帷幕墻建設(shè)條件下，當?shù)V坑疏排含水層地下水至某水平H1時，M越大、Ks越小，通過帷幕墻Qw越小。L越大，即帷幕墻與補給水體的距離越近，單寬疏排水量Q'越小。因此，施工的帷幕墻體滲透能力越弱、厚度越大，以及與補給水體距離越近是露天采坑減少涌水的基本原理。

3 露天煤礦開采地下水系統(tǒng)模型構(gòu)建

3.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)元寶山露天礦水文地質(zhì)條件，礦區(qū)位于英金河河谷區(qū)的沖積平原上，英金河河谷以及老哈河河谷為區(qū)域地下水的主要徑流通道。開采后形成以露天采坑為中心的地下水降落漏斗，周邊地下水流場變化劇烈，采坑上游英金河谷區(qū)地下潛流以及下游老哈河部分地表水均向露天采坑的漏斗中心徑流排泄，因此，本次模型范圍包括英金河和老哈河的上下游河谷區(qū)，據(jù)水文孔顯示，遠端地下水水位受礦坑排水影響小，水位常年相對穩(wěn)定，模型沿河谷上下游邊界擴展至露天礦以外10 km 以上，均概化為一類水頭邊界。為了進一步減少人為水頭邊界對模擬結(jié)果的影響，將該類水頭邊界定義至模擬區(qū)外5 km 處。其他區(qū)域為河谷區(qū)和丘陵地區(qū)交界處，按照流域分布面積與研究區(qū)降水量，在溝口概化為流量邊界，其余地段概化為零流量邊界。

由于露天礦礦井涌水量主要來自第四系含水層，因此，模型在垂向上剖分為第四系強含水層、中等含水層以及基底的白堊系地層，共3 個模型分層。模型頂部發(fā)生大氣降水和蒸發(fā)，概化為潛水面邊界，底部邊界為白堊系基巖地層，富水性差，與近地表松散含水層滲透性能差異很大，將模型底板概化為零通量邊界。

如前述分析，由于在采坑與松散含水層剝離界面處，形成了切割含水層的地下水排泄“帶”，接觸帶上含水層水位下降至含水層底板，從水文地質(zhì)條件概化的角度，采坑邊幫切割含水層的接觸帶構(gòu)成了地下水系統(tǒng)水體排泄的“內(nèi)邊界”，在仿真模型中設(shè)定為一類水頭邊界，其水頭值約為含水層底板高程[18-19]，通過識別接觸帶上含水層底板高程，構(gòu)建成露天礦開采條件下的地下水系統(tǒng)概念模型。

3.2 數(shù)值仿真模型

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件和露天剝離開采含水層失水特征，元寶山露天礦開采地下水流呈現(xiàn)三維非穩(wěn)定流，可用以下數(shù)學模型進行描述：

式中：Ω為模擬區(qū)域；Ss為近地表潛水含水層的重力給水度；W為潛水面的降水補給量與蒸發(fā)排泄量綜合項，m2/(d·m2)；H0(x,y,z)為含水層的初始水位分布，m；qi(x,y,z,t)為二類邊界的單寬流量，m2/d；Гi為研究區(qū)外部第二類邊界(如側(cè)向流量補給邊界)；n為滲流區(qū)邊界的法線方向；Hj(x,y,z)為河流水位高程，m；Гj為研究區(qū)外部的第一類水頭邊界(如河流邊界)；Г1-1為露天采坑邊幫與剝離含水層的接觸面；Fz為露天采坑邊幫剝離含水層的底板高程，m。

以Visual MODFLOW 為模擬平臺，通過統(tǒng)計研究區(qū)各勘探階段鉆孔柱狀圖中地層頂?shù)装宓雀呔€，將地面高程30 m 分辨率的數(shù)字DEM 數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入軟件，得到研究區(qū)三維水文地質(zhì)模型(圖4)。

圖4 模擬區(qū)三維數(shù)值模型Fig.4 Three dimensional numerical model of the simulation area

另外，露天煤礦開采直接剝離揭露了第四系含水層，導(dǎo)致含水層地下水沿剝離界面進入礦坑，模型中以井田邊界劃定水均衡計算區(qū)，通過穩(wěn)定流計算模擬帷幕墻建設(shè)條件下地下水系統(tǒng)響應(yīng)特征與含水層地下水進入礦坑的水量。

3.3 模型校正

模型中大氣降水、蒸發(fā)等模型參數(shù)以研究區(qū)平水年數(shù)據(jù)為準。通過反復(fù)調(diào)整模擬區(qū)含水層滲透系數(shù)、給水度等關(guān)鍵水文地質(zhì)參數(shù)，模擬反演出的礦坑疏排水量為18.3 萬m3/d，與近年礦坑17.8 萬～20.0 萬m3/d實際疏排水量基本一致，反演模擬的區(qū)域地下水流場分布特征與實際流場宏觀形態(tài)、趨勢及其分布基本一致(2019 年)(圖5)，因此，本次從礦坑涌水量與區(qū)域地下水流場兩個角度對模型進行了校正，能夠科學合理反映現(xiàn)場地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)條件。

圖5 模擬區(qū)地下水流場(2019 年)Fig.5 Groundwater flow field in the simulation area (2019)

4 露天煤礦帷幕下地下水系統(tǒng)模擬分析

4.1 帷幕方案

根據(jù)研究區(qū)含(隔)水層分布特征和礦坑涌水現(xiàn)狀，元寶山礦區(qū)東南部老哈河與英金河交匯處為目前礦坑主要涌水區(qū)段，據(jù)統(tǒng)計占到整體礦井涌水的70%以上，礦井帷幕工程首先針對該區(qū)段，以礦井邊界為準進行“局部”型地下連續(xù)墻帷幕墻體的建設(shè)，長度3.665 km。由于礦坑西南部地面基巖出露，在基巖出露區(qū)段設(shè)計帷幕缺口，后期接續(xù)開展“準封閉”型帷幕墻體建設(shè)，長度達13.408 km(圖6)。

圖6 元寶山露天煤礦帷幕墻方案及位置Fig.6 Scheme and location of the water cutoff curtain wall in Yuanbaoshan open-pit coal mine

借鑒扎尼河露天礦、朱仙莊煤礦地下連續(xù)墻帷幕減滲工程經(jīng)驗，帷幕墻體寬度設(shè)計為0.8 m，墻體下端進入松散層底部的白堊系基巖內(nèi)部，根據(jù)一般防滲標準，墻體滲透系數(shù)設(shè)置為0.008 m/d。帷幕截流數(shù)值模擬以穩(wěn)定流模擬校正的地下水位為初始水位(2019 年)，分別計算建墻后露天礦周邊地下水流場以及礦井涌水量的變化。

4.2 模擬分析

1) 局部帷幕截流工程數(shù)值預(yù)測

由圖7 所示，局部帷幕墻建設(shè)條件下，地下水仍然以露天礦采坑為降落漏斗中心，區(qū)域流場形態(tài)基本未發(fā)生重大變化(圖7a)。但在露天礦的東北處未帷幕區(qū)段，地下水發(fā)生強烈的側(cè)向繞流現(xiàn)象(圖7b)，繞流處地下水達西流速明顯大于墻體外圍流速。

圖7 局部帷幕工程后水位與水量變化規(guī)律Fig.7 Variation law of water level and water volume after partial project of the water cutoff curtain

局部帷幕建成后，300 d 時涌水量約11.48 萬m3/d，較之現(xiàn)在礦坑排水量減少了37.16%，但是隨著時間的延續(xù)，區(qū)域地下水位相對抬升，繞流量增加導(dǎo)致礦坑殘余涌水量增加明顯，20 a 后礦坑殘余涌水量分別增加至13.73 萬m3/d，較之現(xiàn)有礦坑排水量減少了24.59%(圖7c)，可見針對主要涌水區(qū)段的局部型帷幕方案，由于地下水繞流量大，對礦坑整體涌水量的減排作用有限。

2) 全帷幕截流工程數(shù)值預(yù)測

準全封閉帷幕方案設(shè)計是對露天礦除西北角基巖出露區(qū)外全部進行帷幕截水。由圖8 所示，全封閉帷幕方案建成后，地下水仍然是以露天礦采坑為降落漏斗中心(圖8a)，由于西北角第四系底板高程較高，地下水未發(fā)生明顯的繞流現(xiàn)象(圖8b)，300 d 時墻體內(nèi)普遍水位差在15 m 以上。

圖8 全封閉帷幕工程后水位與水量變化規(guī)律Fig.8 Variation law of water level and water volume after fully closed water cutoff curtain project

準全封閉型帷幕建成后，初期墻內(nèi)無補給，水位迅速降低，進入礦坑的涌水量迅速減小，礦井涌水量呈先減小后增大的趨勢(圖8c)，300 d 時涌水量約為4.3 萬m3/d，與目前礦坑殘余涌水量相比減少約76.50%，1 200 d時持續(xù)衰減至2.6 萬m3/d，減少了85.79%，隨后由于墻外地下水位持續(xù)上升，墻內(nèi)外水頭差逐步變大，通過帷幕墻進入礦坑的涌水量呈現(xiàn)增加趨勢，但增加幅度不大，20 a 后增加至4.6 萬m3/d，相比減少74.87%，可見準全封閉型帷幕建設(shè)方案對礦坑整體涌水量的減排作用顯著。

5 結(jié) 論

a.針對露天煤礦開采礦坑涌水與帷幕減排問題，以元寶山露天煤礦為研究對象，分析了露天開采失水特征以及帷幕墻體建設(shè)對地下水系統(tǒng)控制原理，得出帷幕墻體滲透能力越弱、厚度越大、與補給水體距離越近是露天采坑減少涌水的基本控水原理。

b.將露天煤礦采坑涌水、帷幕墻體建設(shè)與地下水系統(tǒng)仿真研究結(jié)合，構(gòu)建元寶山露天煤礦開采帷幕減排效果數(shù)值評價模型。模擬結(jié)果顯示，局部帷幕方案，未帷幕區(qū)段地下水繞流明顯，礦井殘余涌水量隨時間增加較大；準全封閉型帷幕方案，地下水基本未發(fā)生繞流，礦井殘余涌水量呈先減小后增大的趨勢，但增加趨勢不明顯，準全封閉型帷幕建設(shè)方案對礦坑整體涌水量的減排作用顯著。

c.通過分析帷幕墻體建設(shè)對地下水系統(tǒng)控制基本原理，構(gòu)建帷幕減排效果數(shù)值評價模型，為西部礦區(qū)露天煤礦開采截水帷幕工程建設(shè)與方案優(yōu)化設(shè)計提供科學依據(jù)。