露天矿山防排水工程技术措施浅析

刘俊龙

（陕西神延煤炭公司，陕西 榆林 719000）

水害作为露天矿主要灾害之一，一直以来是阻碍露天矿安全生产的重大隐患之一，水害来源主要有大气降水，地表水系，地下水三种途径。在矿山生产过程中，涌水对边坡稳定、道路运输、设备安全都构成重大安全隐患，同时对矿山安全生产标准化体系的建立构成重大障碍，严重影响生产效率。所以，合理有效的防治水工程成为了露天矿山高效接续发展的前提。

1 矿山简介

1.1 概况

1.1.1 气象条件

西湾露天矿位于陕西榆林地区，为产量10Mt/a的大型凹陷式露天矿，开采工艺为单斗-卡车间断式工艺，煤层倾角＜1°，施工工序有钻孔、爆破、采装、运输、排土，现开采工作面布置方向为东西走向，采剥台阶向北推进，南方为内排台阶。生产煤质为优质长焰煤，硬度较大，需进行穿爆。当地属中温带半干旱大陆性季风气候，其特点为：春季温暖干燥，气温回升快，降水较少，多大风及风沙天气，易起沙尘；夏季炎热多雨，日温差大，多雷阵雨及阵性大风天气；秋季凉爽湿润，气温下降快，10月份后降水量速减；冬季寒冷干燥，雨雪稀少，且封冻期较长。全年降水量分布极不均匀，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，平均为132.5mm，并多以暴雨形式出现，易形成洪水、同时诱发各类地质灾害。全年无霜期短，十月初上冻，次年四月解冻。据当地气象站多年观测资料，主要气象参数为：

近年平均气温8.4℃。

多年平均降水量491.5mm（2008～2019）。

枯水年降水量363.9mm（2010）。

丰水年降水量743.2mm（2016）。

月最大降水量261.9mm（2016.7）。

1.1.2 水文条件

目前，该露天矿采坑的主要充水水源为：大气降水、地表水及地下水，地下水主要为萨拉乌苏组含水层、风化基岩含水层及烧变岩含水层。

（1）大气降水。大气降水是露天采坑的直接充水水源，矿内多年平均降水量为491.5mm，且多集中7月份～9月份，占全年降水量的66%，大气降水是地下水及地表水的补给来源，目前，露天采场面积约为4.5km2。矿区内地表多被第四系松散沙层所覆盖，十分有利于接受降水补给，故大气降水属区内间接充水水源。

（2）地表水。表水系主要有三条河流。其中一条属对露天矿开采影响较大的地表水系，但该河流属季节性河流，时有干涸现象，故在雨季该河将会是矿内主要的地表充水因素。

（3）地下水。根据首采区的水文地质条件，本区分布有三个主要含水层，由上至下分别是：第四系上更新统萨拉乌苏组孔隙潜水含水层；侏罗系中统延安组风化基岩裂隙承压水含水层；烧变岩孔洞裂隙潜水含水层。

①第四系萨拉乌苏组孔隙潜水：采区内西北部大面积分布，有利于接受大气降水直接补给，且下部为巨厚红土隔水层，是该沙层潜水富集的有利条件，是露天采坑的主要充水水源。②风化基岩裂隙水：采区内广泛分布，风化基岩裂隙水是露天矿床的直接充水含水层。也是露天采坑的主要充水水源。③烧变岩孔洞裂隙潜水：露天矿东边界以上部煤层自燃边界为界，在自燃边界以东，煤层已自燃。从而形成了孔洞裂隙发育的烧变岩储水构造。由于煤层底板形态从自燃边界向东呈升高趋势，形成了以自燃边界处最低的烧变岩储水构造。

1.2 产生影响

影响该露天矿安全生产主要因素为为水患，对开采影响较大的含水层为萨拉乌苏含水层、风化基岩裂隙含水层以及烧变岩孔洞裂隙含水层。具体表现为：一是采场北部土岩结合面在剥离上层保德组红土层后，风化基岩裂隙承压水上涌，其顶板大面积涌水，保德红土被涌水浸润后出现泥化现象，致使工作面出现大面积积水、泥泞，并对岩石工作面穿孔、爆破、采装、运输作业效率及安全产生很大影响：二是东部端帮由于煤层自燃，形成了孔洞裂隙发育的烧变岩储水构造，加之爆破震动、采动等的影响，烧变岩裂隙水向采场涌出，在煤层顶板工作面蔓延，（且煤层倾向为垂直台阶方向下倾，平行台阶方向有起伏），煤层的倾向及其顶板起伏致使东部端帮涌出水在煤层顶板工作面四处蔓延，给防排水工作带来很大困难，并造成煤顶工作面穿孔、爆破、采装工序实施困难，进度缓慢，作业安全系数降低：三是采场开采推进方向的地表水主要有河流经首采区，位于露天矿山的中部偏北，流量随季节变化较大，区内流程约3km，大部分地表水下渗到地表潜水含水层；地表潜水主要为萨拉乌苏组孔隙水，静水储量较大，补给来源主要为地表径流和大气降水为主，补给稳定，最终渗入到采场，造成采场涌水量增大。四是随着采场涌水量大，需在采场内设立多个蓄水池，且随着采剥工程的推进，蓄水池需不断的废弃、重建，从而产生了大量的工程量。

2 技术措施

根据水害类别特点，总结经验，确定采区防治水采取疏、截、堵、排四种措施，并进行综合治理。

2.1 疏

根据本矿区水文地质资料，在采场外地下水富集区域设置疏干排水井，并配备抽排水系统以及疏干井水位自动检测系统，对疏干孔内水位进行实时监测，并进行自动报警、抽排水控制。如地下水量较大，也可在采场内部设置疏干排水井、集水井[1]，该类疏干井多为非永久性疏干井，随着采剥工作面的推进，随采随建。

2.2 截

（1）防洪堤截水：在露天矿采场外围设置防洪堤，露天矿运输道路与社会道路的交叉口设置土拱，截流、疏导汛期强降雨的大量雨水，防止采区外汛期雨水流入采场。

（2）运输干线土挡截水：利用露天矿运输干线连续稳固的挡土墙截水，使汛期露天矿采场内汇水有效疏导，防止汛期雨水在采场内漫延。

（3）明渠截水：针对露天矿采场不同标高处的涌水点，可在其涌水处底板开挖明渠，将涌出水截止在临时性蓄水池中，提前进行抽排。

2.3 堵

针对露天矿地下烧变岩积水以及地表河流补给的地下水，可采取预留安全煤柱的方式隔水，但是会造成煤炭资源损失；也可在采矿界处设置地下钻孔注浆、隔水帷幕墙[2]等方式进行地下水封堵，阻止其向露天矿采场内涌水。目前，该项技术已在我国部分露天矿山得以应用，技术较为成熟，且效果显著。

2.4 排

根据采场开采现状以及计算出的排水量，采场排水系统[3]采用分区蓄水、阶梯集中的方式排水，排水系统可根据排水量大小设置一个或多个排水泵站，并配置相应能力的排水泵，将采场内蓄水池积水抽排至采场外污水处理站或用于排土场复垦绿化灌溉。

2.5 具体措施

2.5.1 东端帮自燃边界涌水治理措施

针对西湾露天矿东部端帮烧变岩积水的防治，其一是采用在东端帮预留100m安全煤柱的方式进行隔水，但是，此种方式会造成煤炭资源的浪费。在开采前期可暂时采取此种措施；其二是沿火烧区边界实施东端帮涌水治理地下钻孔注浆延伸工程，通过构筑地下帷幕墙，对地下水实施封“堵”，阻止其向露天矿东部端帮涌出（通过对已实施的200m地下帷幕注浆工程应用效果来看，堵水效果显著）。开采初期通过预留煤柱的方式进行堵水，随着开采进度的不断向前推进，适时实施地下注浆堵水工程，取代预留煤柱，逐步回收煤柱资源。

2.5.2 工作帮土岩交界面涌水治理措施

根据目前岩层揭露情况，保德组红土层底部有一层2m～5m半胶结状态的钙质结核含水层，特别是该层底部砾石层与风化裂隙承压水连通，局部地段该层有含水现象，但保德组红土总体是隔水层，针对保德组红土层与风化岩接触面大面积出水，导致保德红土被涌水浸润后泥化，严重影响钻孔爆破及采装施工的现象。根据西湾矿生产接续计划，将超前实施疏干排水井工程，提前对地下水进行“疏”“排”，届时将对疏干井水位进行适时监控，及时进行抽排，进一步减少工作帮土岩交界面涌水对穿孔、爆破、采装、运输的影响。

2.5.3 地表水及地表潜水治理措施

采掘场排水系统按采剥排工程位置确定[4]，充分利用地形、工程位置和采掘推进阶段的时空关系，建立采掘场和排土场防排水系统（坑底蓄水池，阶梯蓄水池，水泵，移动式泵站[5]，排水管路），在采场最低标高处（煤层底板）设置一个或多个蓄水池，通过开挖明渠、盲沟等措施，收集汇聚采场内大气降水及地表水，蓄水池内设置排水泵，采场内布置排水管路，全天候对采场内积水进行抽排，并实时进行防排水系统检查、维护，检查防排水设施的完整性和可用性[6]，保证排水系统的正常运行。

2.5.4 采场外部水源防治措施

（1）采场北部防洪堤。结合露天采矿设计，雨季来临之前在采区北侧（推进方向）距离采场地表境界不小于50m处修建防洪堤，“截”流露天矿采场外部汇水，以防止其发生洪水时从北部进入采场内。随着采场不断向前推进，防排水沟需继续北移[7]。

（2）采场东、西部防洪堤。采场东西部外部汇水控制可有效利用现有端帮运输路线路安全挡墙作为防洪堤，运输路线（原始地表覆红土）外加安全挡墙高出原始地表2.5m。在雨季来临前只需在路口处利用露天矿剥离土岩设置临时防洪堤拦截[8]，拦“截”东、西部洪水进入采场内。

（3）采场南段防洪堤。南段防洪则沿用排土场自然挡墙作为地表防洪堤，局部低洼地段做加高、修补，保证挡墙的连续性、完整性，以防止发生洪水时从南部进入采场内。南部外排土场采用内部消化和纵向导水沟方式将多余的水通过导水沟导入排水沟渠，排出区外。

3 结语

露天矿防排水工程旨在“防”和“排”，“防”是一项在空间上超前于矿山生产的工程，属于一种事前预防措施，在矿山采剥工程前，对大气降水、地下及地表水进行治理，防止其涌入采场；“排”是对已涌入采场水进行的疏导、汇集和抽排的工程，是事后采取的一种措施。现实中，单纯的防或者排，均不能完全消除采场水患，所以大部分露天矿防排水工程采用的是防排结合的方式。

综上所述，针对露天矿山防排水工程的“疏”、“截”、“堵”、“排”措施的综合运用，可有效治理水患，为露天矿的安全、高效开采提供坚强保障。