安太堡露天矿芦子沟背斜区防排水方式选择

薛万海

（中煤平朔集团安太堡露天矿，山西 朔州 036006）

安太堡露天矿芦子沟背斜区防排水方式选择

薛万海

（中煤平朔集团安太堡露天矿，山西 朔州 036006）

为了确保人员和设备的作业安全，提高设备的作业效率，确保正常的延深进度，结合矿坑的地质条件和现状、采排规划、涌水和降雨情况等，分析选择了合理的排水方式，为确保矿坑安全正常延深创造条件。

背斜；涌水量；径流量；汇水面积

1 矿山概况

安太堡露天矿是我国首个中外合资的大型露天煤矿，于1985年7月破土动工，1987年9月建成投产。目前安太堡矿已经过2次转向，在三采区继续向东推进。剥离采用单斗-卡车间断开采工艺[1]，即PH4100电铲-930E卡车，PH2800电铲-R190卡车、CAT789A/B卡车、685E卡车、730E、EH-3500卡车，采用水平分层，由西向东推进。采煤采用单斗-卡车+半固定式破碎站的半连续开采工艺，沿煤层顶板顺层掘沟，由东向西，由煤层顶板向底板推进[2]。

安太堡露天矿田位于山西省宁武煤田的北部，属低山丘陵区。区内海拔标高一般为1 300～1 400 m，最高点标高1 505.72 m，最低点标高1 270 m，相对高差235.72 m，大致呈中部高、南北低地势。

区内黄土广布，侵蚀切割作用强烈，水土流失严重，加之地表植被覆盖少，形成典型的梁、垣、沟、峁等黄土高原地貌。沟谷多呈主脉向源方向的树枝状分布，切割深度50～70 m，形态为“V”字型或“U”型谷。

本区为典型的大陆性季风气候，以冬季严寒，夏季凉爽，昼夜温差大，春季风大为特点。年平均气温4.8℃～7.5℃，最高月平均气温11.5℃～26.7℃，极端最高气温37.9℃，极端最低气温-32.4℃，一般日温差为18℃ ～25℃。

年平均降水量为428.2 mm（朔州站1922—1991年）至449 mm（井坪站1953—1985年），年最大降水量757.4 mm，年最小降水量195.6 mm。降水量多集中于6月中旬至9月中旬[3]，占全年降水量的75%。日最大降水量87.0～153.0 mm，连续降水最长时间达13 d。

年蒸发量为1 786.7～2 598 mm，最大月份为5—7月，月最大蒸发量为460 mm。

2 矿区主要地质构造和水文地质条件

2.1 主要地质构造

矿区含煤地层为二叠系下统山西组、石炭系上统太原组、中统本溪组，共含煤14层，现全区稳定可采煤层为4#、9#、11#煤，局部有风氧化现象，其它煤层为不可采煤层，安太堡矿主要构造以宁武向斜为主干构造，伴生次一级褶曲，其中主要有芦子沟背斜、白家辛窑向斜、二铺背斜及近南北的下窑子向斜斜交于宁武向斜外，其余褶曲依次排列在宁武向斜的西翼。芦子沟背斜区煤层倾角急剧增大，平均倾角达到8°～12°，局部最大倾角22°，煤层落差超270 m3，地表和基岩面下降50～100 m。倾角变大地区长1 200～2 100 m[4]。

2.2 水文地质条件

安太堡露天矿位于宁武煤田的西北部，宁武向斜的西翼，属于神头泉域水文地质单元。本矿地貌为黄土丘陵，地表大部分为黄土覆盖，基岩出露甚少，于沟谷中零星出露，区内地势呈北高南低之趋势，七里河、马关河在本矿西南及东部边缘斜穿而过，七里河发源于平朔矿区西部边缘西石山脉，全长37 km，汇水面积181 km2，流经本矿长度约为2 km，该河洪水持续时间最长为134 h，洪峰持续时间最长为4.2 h，最大洪峰流量361.3 m3/s(1954年8月16日)，安太堡一号露天矿动工建设后，在七里河上游细水村拦坝截流，改道经井坪向东注入马营河，洪水期流量已大为减少，平时仅有少量矿坑水补给；马关河发源于木瓜界、石井沟一带，全长约31 km，汇水面积15 km2，在本矿的东部北岭村一带由南而北经过，本矿长度约为1.2 km，为泉水汇集而成，常年流水不断，一般径流量0.08～0.15 m3/s，雨季时径流量较大。在七里河、马关河支流沟谷中有泉水出露，泉水流量一般0.01～1.0 L/s，由于周边煤矿及本矿排水，区域地下水位普遍下降，泉水流量已大为减少甚至干枯。

3 矿田充水情况

3.1 含（隔）水层

本区地层主要含水层有奥陶系岩溶裂隙含水层、石炭系太原组砂岩含水层、二叠系山西组砂岩裂隙含水层。隔水层有石炭系本溪组泥岩隔水层、二叠系石盒子组泥岩隔水层及第三系红色黏土隔水层。

奥陶系灰岩在矿区外围西、北、东三面广泛出露，形成高山，灰岩岩溶发育程度和富水性很不均匀，地下水流由NW向SE方向，水力坡度平缓。

3.2 矿床充水因素及排泄条件

芦子沟背斜及矿田北部岩层风化破碎带是矿床地下水补给区，排泄于七里河、马关河。

石炭、二叠系砂岩裂隙含水层与泥岩、砂质泥岩相间互层，隔水性能好，含水层间一般不发生水力联系。

芦子沟背斜是本区奥陶系灰岩以上各含水层的分水岭，本区地下水补给区小，补给量不大，从目前看，4#煤顶板岩涌水量较大，约为3 000 m3/d[5]。

矿坑水的主要来源是大气降水汇集，随着采排面积的增大，汇水面积随之增大，而绝大部分汇水要经采场、排土场的分水岭进入矿坑底部。

4 背斜区延深时遇到的排水问题

2015年5月，PH4100电铲在1180平盘作业时，南部和北部2台电铲工作面先后出现大量地下涌水，导致电铲作业面泥泞不堪，无法正常作业。

本次涌水点位于芦子沟背斜东翼、宁武向斜西翼构造结合部位，1 180 m平盘南部，4#煤顶板上20 m砂岩裂隙含水层。安太堡露天矿出水位置剖面示意图如图1。

图1 安太堡露天矿出水位置剖面示意图

据涌水点位置、矿坑采剥情况和周边地质、水文地质情况分析，本次涌水水源主要为二叠系下统山西组4#煤顶板砂岩裂隙含水层，分析如下：

1）本次涌水点标高1 180 m左右，高于该处奥灰水标高1 060 m，排除奥灰水的可能。

2）涌水点西部为芦子沟矿9#煤采空区，现场观察，该采空区自燃严重，基本不含水，小窑采空积水的可能性不大。

3）涌水点位于4#煤顶板上20 m砂岩含水层，该砂岩含水层为二叠系下统山西组4#煤顶板砂岩裂隙含水层，厚度10～20 m，岩性主要为厚层状中、粗粒砂岩、细粒砂岩或粉砂岩。底部之粗砂岩为较好的含水层，成分以石英、长石为主，分选及磨园度较差，有时相变为细砾岩或巨粒粗砂岩，节理裂隙较发育，有较好的透水性，同时由于露天矿穿爆作业等多种因素导致矿坑内裂隙更为发育，导水通道较多，裂隙水的不断富积，导致局部出现涌水现象。

据矿技术人员观测，在矿坑剥离时，该区域东部曾揭露的上部含水层有几处点状出水点且很快干涸，水量不大，而在露天矿生产地质勘探过程中，该区域施工的大部分钻孔均在4#煤顶部见水，说明本次涌水水源为上部4#煤顶板砂岩裂隙含水层水。

5 合理排水方式选择

安太堡露天矿主要采用平盘截水 +矿底贮水来存放各种雨量汇水，对于上部较宽平盘有意识地形成一些贮水地段以减少流入坑底的水量，而大部分汇水要流入坑底。排水方式采用过:①泵站 +管道；②泵站 +水车；③综合排水，即泵站 +管道 +水车。由于背斜延深区为矿坑最低，地下涌水量大以及雨季汇水面积大，积水较多，严重影响矿坑垂直延深和水平扩帮的进度，进而影响全年采剥计划量的顺利完成，采用何种排水方式需进一步比较。

5.1 采用水鹤泵站+水车的方式

为了保证生产顺利进行，在工作面西部间隔约500 m新建4个左右蓄水池，将工作面的积水全部引入蓄水池。另外在蓄水池旁新建1个临时水鹤，就地给坑下洒水车加水。

安太堡矿现有80 t级的水车7台，按出动率50%计算，每天3班制工作18 h，每月按30 d计算，平均每1.5 h洒一趟，每天平均洒水7×50%×（18/ 1.5）×80=3 360 m3，水车每月洒水量为3 360× 30=100 800 m3。每月除自然蒸发部分外，水车可以将坑底涌水抽完。水车在坑下就地加水，每趟可减少拉运距离约7 km。

5.2 泵站 +管道+水车方式。

每年到了雨季，大气降水通过分水岭也汇集到延深区。雨季延深区积水由大气降水和4#煤顶板砂岩裂隙含水层水2部分组成。按煤炭工业设计规范规定，洪水设计频率采用百年一遇的洪水频率（1%），设计频率最大1 d、最大3 d、最大7 d降雨量。年降雨量采用理论频率曲线计算，雨季降雨量采用平鲁气象站历年降雨量的平均值，各频率暴雨量计算见表1。

表1 暴雨量计算

内排X1420以东、三采区南北端帮、4#煤顶工作帮构成的区域，汇水面积6.3 km2，该区域汇水除平盘堵截和渗水外，其余全部流入三采区延深区域，7日暴雨量汇水量为：

式中：H7日为7 d暴雨量，mm；C为径流系数，复垦区及原始地貌为0.4，采场和排土场取0.1；F为汇水面积，km2，

可见，7 d暴雨量远大于水车的抽水能力，必须采用综合排水，即采用泵站+管道+水车方式。

由于矿坑东部地表的马关河谷附近土地没有征用，为避免企地纠纷，外排到2 km外马关河方案不能实现。只能考虑在内排低洼区域。安太堡矿内排已经过近30多年的建设，三采区以西的内排最上部面积已超10 km2，已排弃物料约15亿m3，根据现场情况，将延深区积水排到内排土场1420平盘低洼区域，该区域距背斜延深区5 km，加上内排土场从2005年实施了双环压帮内排[6]，内排高度平均150 m以上，从近2年的排水情况来看，积水渗透不影响土场及采场边坡稳定。

目前，矿坑北部蓄水池通过水泵+水车的方式进行抽排，同时将北部的积水通过软管连通于南部蓄水池，通过南部水泵集中抽排于内排土场。本矿于2015年8月中旬开始在南部铺设管道进行疏排，同时辅助矿坑道路洒水。在疏排过程中，总体排水量约为1 000～2 000 m3/d，经现场观察水位不降。10月底排水点北部相邻区域进行了2次生产穿孔爆破后水位下降约2 m，至2015年11月10日未进行疏排，水位也未恢复至疏排前高度。

2017年需继续在芦子沟背斜区向下延深，预计从1 150 m水平延深至1 120 m水平。为进一步降低过背斜期间剥离物的运距和高差，下半年实施技改工程，即在矿坑南部并帮缩界区近距离排土。由于南部排土后无法设置泵站，同时受中部搭桥影响，现有排水系统将逐渐废弃，需要对排水系统重新进行优化处理[7]。

由于背斜延深区最低高程1 000 m，与1420土场之间高差为420 m，需采用两级泵站接力排水。二级泵站设在端帮暂时废弃不用的道路或不影响运输且稳定宽敞的地方，并设缓冲水仓。外排一级水泵流量≥200 m3/h，扬程≥300 m，二级水泵流量≥200 m3/h，扬程≥200 m，排水管径DN300。经计算，需正常外排必须保证作业6台，备用2台；水鹤和倒水水泵流量 350～500 m3/h，扬程 60 m，排水管径DN150，正常情况下作业分别要求4台，备用2台。排水系统的供电由矿坑附近的6 kV线路接入变压器和小开关柜，电压降为380 V或660 V后给排水设备供电。

6 后续水文地质情况预测：

1）随着矿坑采掘水平的进一步降低，坑下的涌水范围及涌水量会进一步扩大，对生产有一定影响。

2）随着矿坑向东不断推进约800 m左右，在矿坑东部逐步进入奥灰水承压区，9#煤带压高度最大70 m，11#煤带压高度最大80 m，虽然水头压力相对不大，且本溪组隔水层平均厚度40 m左右较稳定，隔水性能较好，但随着断层、封闭不良钻孔及一些未查明的构造等导水通道的揭露，可能存在奥灰水涌水风险。

7 结 语

为减少地下水及大气降水对延深和推进协调开采[8]的影响，应加强和开展以下几方面的工作：

1）制定合理的疏排方案，加大疏排力度。根据实际情况，制定合理的疏排方案，增加疏排设备，加强疏排力度，建立完善的疏排体制。

2）加强现场观测与分析，建立完善的水文地质台帐。加强矿坑出水点观测记录，建立矿坑疏排水观测台帐，对疏排设备、疏排时间、排量以及水位等相关数据进行详细、准确的记录，以便进一步分析、研究。

3）开展水文地质专项工作。协调地测部门或科研单位，尽快开展背斜区深部地下水分布范围及疏干方案研究，进一步查明该区的水文地质条件，结合安太堡矿生产计划进行专题分析、研究，提前制定相关应对措施。

4）随着矿坑推进，及时对外排水管进行延深；出露的4#煤及时采出形成集水坑。

［1］ 骆中洲.露天采矿学［上册］［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1986.

［2］ 安太堡露天矿2016年安全风险报告［R］.2016.

［3］ 郭著实.矿坑防排水方式选择［J］.露天采煤技术，1998（S1）：5-6.

［4］ 张瑞新.露天矿复杂地质条件下开拓运输与开采工艺研究［M］.北京：中国矿业大学出版社，2011.

［5］ 安太堡露天矿灾害与预防处理计划［R］.2016.

［6］ 段起超.安太堡矿双环运输排土的实现［J］.露天采矿技术，2007（3）：17-22.

［7］ 安太堡露天矿2017年煤矿防治水工作计划与措施［R］.2017.

［8］ 张瑞新.露天矿复杂地质条件下开拓运输与开采工艺研究［M］.北京：中国矿业大学出版社，2011.

【责任编辑：解连江】

Selection of waterproof and drainage mode in Antaibao Open-pit Mine Luzigou anticline area

XUE Wanhai
(Antaibao Open-pit Mine,China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,Shuozhou 036006,China)

In order to ensure the safety of personnel and equipment,improve the operating efficiency of equipment and ensure the normal deepening schedule,the article combined with the mine geological conditions and mining status,discharge planning water gushing and rainfall,etc.,and analyzed and selected the reasonable drainage mode,in order to ensure the normal mine safety extension to create conditions.

anticline;water inflow;amount of runoff;catchment area

TD743

B

1671－9816（2017）06－0041－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.06.012

薛万海.安太堡露天矿芦子沟背斜区防排水方式选择［J］.露天采矿技术，2017，32（6）：41-44.

2017-01-23

薛万海（1967—），男，汉族，山西天镇人，高级工程师，1989年毕业于原阜新矿业学院露天开采专业，现在安太堡露天矿930生产班从事安全管理工作。