我国露天煤矿水害特征与防治水技术

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。c. 地下水 地下水主要接受大气降水和地水体补给，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。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。

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;奥塔克日什东露天煤矿采场防治水技术方法是沿着水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。

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，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。