我国露天煤矿水害特征与防治水技术_黄选明.pdf

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Similar to the underground coal mine, the open-pit coal mine also faces the problem of water prevention and control in the process of mining. Due to the rela- tively single type of water disaster in open-pit coal mines in China, domestic scholars have conducted in-depth study on the characteristics of water disaster and water control technology. Based on the distribution of open-pit coal mines in China, this paper analyzes the characteristics of water hazards in open-pit coal mines from three aspects of water ChaoXing 54 煤田地质与勘探 第 48 卷 filling source, water filling channel and water filling intensity. It is concluded that atmospheric precipitation, surface water and shallow groundwater are the main water filling sources; direct channel ed by human excavation, strong per- meable aquifer or permeable layer, vertical guide water drilling, surface cracks ed by landslide are the main water filling channels; obvious seasonal change, long drainage time and large quantative are the main characteristics of open-pit coal mine drainage. This paper sums up seven kinds of water control technologies commonly used in open-pit coal mines in China and puts forward a three-dimensional water control technology system from far to near, from top to bottom and from surface to point. From the perspective of groundwater resource and ecological environmental protection, in order to realize the green mining and sustainable development of open-pit coal mine, the curtain closure technology aimed at cutting off the supply channel and reducing the drainage of the mine is the main in the future. Keywords open-pit coal mines; water disaster characteristics; prevention and control technology; drainage; curtain closure 露天开采是我国煤矿开采的两大方式之一，自 1914年我国第一个露天煤矿抚顺古城子露天煤矿生 产至今，已有百年历史。在此期间，我国露天煤矿 的发展经历了初步发展19501980 年、加速发 展19802000 年和创新发展2000 年后3 个阶段。 露天煤矿开采产量在煤炭总产量中的比例呈逐年增 加趋势，目前约占总产量的 15[1-2]。 露天煤矿生产过程中同样面临防治水问题。然 而，由于我国露天煤矿水害类型相对单一，国内学 者鲜有对露天煤矿的水害特征和防治水技术进行深 入研究[3-4]。 露天煤矿在剥离、 开采过程中， 地表水、 大气降水等主要充水水源易通过各类通道向矿坑中 心汇集，为实现煤层安全开采，需要将采坑地下水 位控制在剥采标高以下。长久以来，我国露天煤矿 地下水控制方式粗犷单一，为通过抽水井或利用集 水坑进行排水，这种方式对地表和地下水的资源及 水质造成浪费和破坏，影响煤矿周边生态环境[5-7]。 2010 年以后，露天煤矿生产开始注重环境影响，疏 排的矿坑水也逐渐得到充分利用，露天煤矿开始向 科学采矿和绿色矿山转型。然而，由于生产规模不 断扩大，矿坑疏排水量依然很大，个别露天煤矿单 日疏排水量达数十万立方，多个露天煤矿因疏排水 量巨大造成生产成本增加、环保风险加大等问题， 尤其近年来国家对生态文明建设提出新的要求，许 多地区要求实现矿坑水零排放，这对露天煤矿生产 是个全新挑战。因此，如何优化、转变露天煤矿地 下水控制方式是露天煤矿防治水工作面临的新课题。 论文从分析露天煤矿水害特征入手，归纳总结了目前 露天煤矿常用的防治水技术，从露天煤矿绿色和可持 续发展角度出发， 提出以拦截露天坑外围动态补给量、 减少矿坑疏排水量为目的的帷幕截流技术。 1 我国露天煤矿分布范围 从地域上分析，我国适合于露天开发的煤炭资 源主要分布在新疆、内蒙古、山西、云南、陕西、 辽宁、宁夏、青海、黑龙江、吉林、河南、河北、 广西等 13 个省自治区[8-10]，其中内蒙古、山西、新 疆、云南为我国露天煤炭资源分布的集中区域[2-4]。从 已有普查、预测储量资料中了解，内蒙古准格尔矿 区、宝日希勒矿区、伊敏矿区、霍林河矿区、白音 华矿区、胜利矿区；山西平朔矿区；新疆大南湖矿 区、沙尔湖矿区、五彩湾矿区、大井矿区、西黑山 矿区；云南小龙潭矿区均存在大量适宜于露天开采 的煤田。 目前我国主要露天开采煤矿区分布如图 1 所示。 2 露天煤矿水害特征 借助地下开采煤矿常用的充水 3 要素充水水 源、充水通道和充水强度概念分析露天煤矿的水害 特征。 2.1 充水水源 采用露采工艺开采的煤矿，煤层埋藏深度普 遍在 300 m 以浅，这种本质特征决定了其充水水 源较为固定，即以大气降水和地表水体为主，地 下水为辅。 a. 大气降水 大气降水是主要的充水水源，包 括雨季降水和冬季降雪。露天矿开挖范围大，接受 补给与汇水面积广，且矿坑剥采中心标高最低，因 此，接受大气降水积雪融水补给后，快速汇集流 向矿坑；其次，煤层上覆第四系松散层渗透系数大， 渗透能力强， 也是大气降水快速入渗补给的有利条件。 据内蒙古呼伦贝尔地区多个露天煤矿的统计数据，雨 季与非雨季地下水位的变化幅度为 1.0～1.5 m[11]； 降水 后地下水位响应迅速，说明大气降水对露天煤矿充 水影响十分显著。另外，大气降水也是地表水体和 浅层含水层的补给水源。 b. 地表水体 地表水体主要指河流、 湖泊等一 些相对稳定的补给水体，这些水体对露天煤矿的补 给方式为侧向渗透补给，尤其在矿坑持续疏排水 的影响下，降落漏斗不断扩大，使地表水体与矿 坑之间的水力梯度增大，形成地表水体对矿坑的 稳定补给。侧向渗透补给强度和地表水体的规模、 地表水体与矿坑之间地层的渗透能力、水力梯度 等参数有关。 ChaoXing 第 4 期 黄选明等 我国露天煤矿水害特征与防治水技术 55 图 1 我国主要露天开采煤矿区分布 Fig.1 Distribution of the main open-pit coal mining areas in China c. 地下水 地下水主要接受大气降水和地表 水体补给，在露天煤矿开采过程中，沿露天矿边坡 和围岩渗出并向矿坑汇集，恶化开采环境，但不会 对生产造成威胁。 综合对比来看，大气降水的补给具有季节性， 而地表水体补给相对稳定，二者均为露天煤矿主要 充水水源，地下水是次要充水水源。 2.2 充水通道 充水水源很大程度上决定了充水通道。露天煤 矿充水通道主要有人为开挖形成的直通式通道、强 渗透含水层或透水层、垂向导水钻孔、滑坡形成的 地表裂缝等。 a. 人为开挖通道 露天矿剥离、开采后，巨大 的矿坑、边坡、临时开挖的水沟等无疑是大气降水 汇集、径流的有利通道，各类充水水源可通过此类 通道直接入渗矿坑。 b. 强渗透含水层或透水层 一方面， 强渗透含 水层具有较大的入渗系数，可减少大气降水的径流 时间，使其快速下潜入渗；另一方面，对于侧向补 给而言，也有利于地表水体的侧向补给。 露天煤矿开采过程中，煤层含水的情况并 不少见，多数情况是地下水沿煤层裂隙渗出， 说明煤层作为透水层，局部接受含水层补给， 尤 其 在 隐 伏 露 头 区 或 “天 窗 区 ”接 受 补 给 后 可 沿煤层渗流。 c. 钻 孔导水 露天煤 矿在 前期勘 探阶段 施工过数量不等的地质或水文地质钻孔，若这 些钻孔封孔质量不良，则会成为潜在的导水通 道，钻孔将导通煤层上覆多个含水层，导致上 部混合水入渗矿坑，且这类导水通道一般难以 排查。 d. 地表裂缝 露天煤矿边坡发生滑动后， 在地 表形成横纵交错的裂缝， 有些裂缝在纵向延伸很深， 是大气降水和地表积水良好的入渗通道。某露天矿 周边地表裂缝如图 2 所示。 综上所述，露天煤矿导水通道与地下开采煤矿 导水通道有明显差异，露天煤矿导水通道的特点是 均在浅部发育，有人为通道、天然通道和开采过程 中形成的通道 3 种，而地下开采煤矿中经常提到的 导水裂隙带在露天煤矿中不存在。 ChaoXing 56 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 2 某露天煤矿周边地表裂缝 Fig.2 Surface cracks around an open-pit coal mine 2.3 充水强度 在地下开采煤矿中，充水强度通常以矿井涌水 量来表示，借鉴这一概念，用疏排水量表示露天煤 矿的充水强度。露天煤矿疏排水量的大小与矿坑 所处地理位置、周边地质与水文地质条件、自然 环境等直接相关，并且不同露天煤矿的疏排水量 差别迥异，每天的疏排水量由几万方至十几、几 十万方不等。 露天煤矿的充水强度有以下几个特点。 a. 季节性变化明显 受地域分布影响，我国多 数露天煤矿分布在我国西北、东北的干旱或半干旱 区域，大气降水对矿坑充水影响较大，一般雨季或 丰水期，疏排水量较大；旱季或枯水期，疏排水量 较小。 b. 前期疏排水量较大， 后期疏排水量稳定 露 天煤矿开采前，地下水处于自然平衡状态，露天煤 矿开采后，打破了地下水的原始状态，补径排条件 随之发生改变。在前期疏排水过程中，主要是地层 中的静储量，水量丰富，疏排水量大，随着疏排水 过程的持续，地层中静储量逐渐减少，动态补给量 参与其中，受补给条件限制，疏排水量呈逐渐衰减 状态，在某一阶段会达到基本稳定，即疏水量与静 储量和动态补给量之和相当。 c. 疏排水持续周期长 露天煤矿疏排水工作 是一项繁重、重复性的工作，通常情况是排出的地 下水经过一定方式的径流后又重新返回矿坑， 因此， 疏排水工作持续时间长，难以快速疏干。 3 露天煤矿防治水技术 煤矿水害防治的七大技术[12]有探、防、堵、 疏、排、截、监。露天煤矿中应用较多的是疏、排、 截。 选择何种防治水技术应该根据矿坑的水文地质、 工程地质条件及开采方法确定，不同阶段的防治水 技术也不尽相同。合理的地下水控制方式可以节省 工程投资，减少对周围环境的影响。 3.1 钻孔疏排水 钻孔疏排水[13-17]是露天煤矿最常用的解决开采 过程中涌水的方法，是通过施工钻孔进行抽水，大 量抽取地下水来降低地下水位，满足矿坑安全开采 的一种方法，我国目前生产的露天煤矿均采用这种 方法。 钻孔疏水方式有很多种[18-20]，如最常见的有垂 直疏水孔、水平疏水孔；有地面常规口径疏水孔、 坑下大口径直径 1 m 以上疏水孔；有单孔疏水也 有井群疏水；有对单一含水层抽水，也有对多个含 水层混合抽水； 有在地下水补给方向进行拦截抽水， 也有在坑下进行集中抽水。如伊敏露天矿、元宝山 露天矿、扎尼河露天矿自投产以来均施工了近百口 疏干井进行地下水疏干；白音华二、三号露天矿采 用大口径深孔疏干井进行疏干；海州露天矿采用水 平钻孔进行疏干；乌兰图嘎煤炭公司露天煤矿自建 井以来一直采用疏干井进行第四系潜水疏干；锡林 郭勒盟的某些露天矿采用第四系、煤系垂直降水孔 联合疏干；扎赉诺尔矿务局灵泉露天煤矿煤层水的 疏干一直采用深井孔疏干；霍林河南露天矿和红旗 露天煤矿东部区段在前期开采时都采用了钻孔疏干 方案。 钻孔疏水法应用非常广泛，该方法灵活性大， 可根据开采条件的变化、水文地质条件的改变而布 置钻孔，机动性强，但钻孔多为一次性投入，一旦 地下水位下降至孔底，钻孔将无法继续抽水；其次， 报废后封闭不良的钻孔，将成为潜在的导水通道。 另外， 单一的钻孔疏降方法往往很难满足开采需求， 通常需要与其他疏排水方式结合。 3.2 专用疏水巷/排水沟 疏水巷和排水沟[21-23]通常应用在采坑范围内， 沿着积水方向施工一条巷道排水沟，作为疏导和 引流用，将采坑范围内的水引至集水泵房后排出。 这种巷道一般采用自流方式，将高处水引向低处， 形式上有明渠和暗渠盲沟2 种。 这种疏水方法不论 含水层的透水能力如何，只要是重力水，均能被疏 导和引流。 多个露天煤矿在生产过程中采用此方法疏排矿 坑内部积水[24-26]。如抚顺西露天矿每日矿坑自然涌 水量达 5～7 万 m3， 为合理拦截疏导矿坑范围内地表 水，在坑下不同水平设置永久和临时水沟；奥塔乌 克日什东露天煤矿采场防治水技术方法是沿着水流 方向在煤层顶板以上和采场边界开挖南北、东西向 排水沟；红旗露天矿东部区段采用地下盲沟进行疏 排水；普阳露天煤矿针对基底岩溶裂隙水采用排水 ChaoXing 第 4 期 黄选明等 我国露天煤矿水害特征与防治水技术 57 廊道疏排；大峰露天矿、霍林河南露天矿、元宝山 露天矿、海州露天矿、平朔东露天矿等均曾采用类 似方式进行疏排水。 这种方法需要根据地形地势和露天矿生产情况 布置巷道或开挖水沟，工程量较大，尤其是暗渠或 盲沟时，需要投入较大的物力财力，但疏排水效果 较好，能够有序有效地快速排水。 3.3 地面截水沟 地面截水沟[27]是拦截地表水进入矿坑的一种 超前截流方法，一般布置在采场外围，有 2 种形 式一是开挖水沟，将地表汇水直接引至采场外， 二是开挖之后在沟内铺设塑料膜并回填剥离物进 行拦截。 抚顺东露天矿为有效拦截地表水，矿坑地表建 有东一段、西一段等多个水沟和老虎台暗渠、郎士 涵洞进行截流水；伊敏露天矿修建南帮排水沟拦截 西南台地大气降水及地表径流，西端帮西北侧设置 四号排水沟、北帮防洪坝等拦截西北方向的大气降 水及地表径流；奥塔乌克日什东露天煤矿在上游的 防排水方案有 2 种，一是在采场东南角出入沟底部 见火烧矸石后的出水点，挖出沟后用黏土回填进行 截水；二是在采场南部水沟水位下降至适当位置后 采用铺塑料膜回填剥离物堵截的方法进行截水。这 种方法在雨季、大气降水补给比较充沛的时间段内 效果十分明显。 3.4 基坑降水法 基坑降水法 [28-29]是指在矿坑内的适当位置 开挖基坑，作为集水坑，采用逐层环沟降深，四 周扩帮推进的方式进行施工， 形成“回”字型基坑， 周边涌水可直接引至集水坑中，由水泵排出地 表，建立明排系统，基坑位置可选择在汇水中心 的最低点。 宝清朝阳露天煤矿疏干降水孔影响半径小，疏 干效果不好，即使采用降水孔加密、增大水泵流量 或者工作面挖纵横排水沟等方法均不能彻底解决采 场工作面积水问题，为此提出基坑降水法，在向斜 轴部设计 2 个基坑，基坑容量约 4 000 m3，有效解 决了矿坑疏排水问题。 3.5 辐射井疏干法 辐射井疏干技术[30]是由一大口径的竖井和以 其为中心向四周辐射的水平集水管组成。地下水 沿水平集水管汇集至竖井中再集中抽出。就疏干 效果而言，水平辐射井的集水原理同水平巷道一 样，但投资大大降低，采用此种疏干方式会节约 大量资金。从安全角度考虑，该方法较巷道疏干 法更具安全性，因为辐射井的水平集水管部分不 存在因含水层岩性松散或突水等因素引起巷道坍 塌等安全问题。 与其他疏降方式相比，辐射井疏干技术兼具井 群疏干施工简单经济与巷道疏干技术疏干效果好的 优点，这种技术在大峰露天煤矿应用效果良好。大 峰矿集水井外直径 2.0 m，井深根据排土场深度确 定，井底进入七号煤底板 1.5 m，集水井用钢筋混凝 土浇筑，辐射管采用 DN125 外径为 140 mm 的无 缝钢管，辐射井通过辐射管集取矿坑底部矿井水， 以辐射井为中心形成负压区，促使周围排土场内 的矿坑水向集水井渗透，解决了大峰露天煤矿的 排水问题。 3.6 虹吸排水 虹吸[31-32]是利用液面高度差的作用力现象，将 液体充满一根倒 U 形的管状结构内后，将开口高的 一端置于装满液体的容器中，容器内的液体会持续 通过虹吸管向更低的位置流出。 虹吸排水是将传统的“重力流”变为“满管流”， 管路达到“满管流”状态时会产生抽吸现象，可提高 排水效率。虹吸排水不需要水泵和外接电源，减少 排水过程中对外界条件的依赖，增强了排水的灵活 性，提高了工作效率。胜利露天煤矿采用了虹吸排 水法，其矿内排土场出水点在945 m 水平，为保证 涌水不渗入其他平盘，在出水较为集中的区域，采 用隔水性较好的泥岩作为防隔水坝的主要物料，进 行分层压实，并利用土工膜等隔水性材料覆盖在沟 内，形成临时集水仓，将 De80 聚乙烯管作为排水 管，布设在临时集水仓内部。为方便排土场内运输 车辆通行，在内排土场挖设管道沟，坡度约为 5‰， 将聚乙烯管布设在管道沟内，顺利将集中涌水排放 至915 m 水平。 3.7 帷幕截流 上述介绍的是目前我国露天煤矿常用的 6 种防治 水技术，但存在无法避免排水的共同问题，只是排水 方式有所不同，大量疏排地下水对生态环境和地下水 资源都带来严重影响。因此，在当前的环保要求下， 要想实现绿色开采，降低疏排水对地下水资源的破坏 和浪费，必须采取措施减少疏排水量，而以减少疏排 水量为目标的帷幕截流[33-34]技术具有广阔的应用前景。 帷幕截流技术在我国露天煤矿应用不多， 20 世纪 90 年代在元宝山露天煤矿曾尝试使用该技术拦截地 下水入渗矿坑，但最终并未实施；2015 年开始在扎尼 ChaoXing 58 煤田地质与勘探 第 48 卷 河露天矿实施的帷幕截水工程是我国首次采用帷幕截 流技术[35-36]减少矿坑疏排水量的防治水工程，通过在 煤层露头外围建造截水帷幕，有效拦截了矿坑北侧来 自海拉尔河的河水补给，截水效果显著，从根本上解 决了矿井面临的防治水难题，值得推广。 3.8 立体防治水技术体系 综上所述，目前我国露天煤矿防治水技术方法 较为成熟，形成了由远及近、由上而下、由面至点 的立体防治水技术体系。 由远及近是指既有远离开采中心的地面截水 沟、截水帷幕等方法，也有在开采中心实施的大口 径疏干井、集水坑疏排水等方法；由上而下是指既 有地面疏干井，也有虹吸排水法、又有坑下疏排水 法；由面至点是指既有截水帷幕、截水沟等面状截 水法，又有局部辐射井法和单孔疏降等方法。 各种防治水技术之间相互关联且并不矛盾，露 天煤矿可根据具体水文地质条件和生产情况，在不 同区域不同生产阶段并行选用多种疏排水技术进行 联合疏排水，以达到环保、安全生产的目的。 露天煤矿立体防治水技术如图 3 所示。 图 3 露天煤矿防治水技术 Fig.3 Schematic diagram of water prevention and control technology in open-pit coal mines 4 结 论 a. 大气降水、 地表水和浅层地下水是露天煤矿主 要的充水水源，人为开挖形成的直通式通道、强渗透 含水层或透水层、垂向导水钻孔、滑坡形成的地表裂 缝等是主要的充水通道。季节性变化明显、疏排水周 期长、排水量大是露天煤矿疏排水的主要特征。 b. 露天煤矿常用的防治水技术有钻孔疏排水、 专 用泄水巷排水、地面截水沟、基坑降水、辐射井疏干、 虹吸排水、帷幕截流等，多种防治水技术形成了由远 及近、由上而下、由面至点的立体防治水技术体系。 c. 为实现露天煤矿绿色开采和可持续发展，保 护地下水资源和矿区周边生态环境，以减小矿坑疏 排水量为目的的帷幕截流技术是今后露天煤矿防治 水的主要发展方向。 d. 文中建议以矿坑疏排水量代表露天煤矿充 水强度，但并未对其进行分级，有待在后续工作中 进一步开展相关研究。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 张雁. 露天煤矿防渗墙截渗减排机制及工程应用研究[D]. 北 京煤炭科学研究总院，2018. 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