露天煤矿开采侧向帷幕控水原理与截水效果数值分析-以元宝山露天煤矿为例

赵春虎，王明星，曹海东，曲国文，王 勇，郭英杰

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安 710077；3.陕西省“四主体一联合”黄河流域中段矿区(煤矿)生态环境保护与修复校企联合研究中心，陕西 西安 710077；4.内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司，内蒙古 赤峰 024050)

西部煤矿区(晋陕蒙宁甘新)位于干旱-半干旱地区，是保障我国能源安全核心区域，煤炭储量和产量均占全国70%以上，煤炭资源高强度开发过程中，不可避免地排放大量地下水[1-2]。据统计，鄂尔多斯盆地每年矿井水排放量就超过10 亿m3，如神东矿区锦界煤矿矿井正常涌水量为5 000 m3/h，内蒙古陈旗露天煤矿、扎尼河露天煤矿由于地表松散层分别受莫勒格尔河、海拉尔河地表水补给充分，矿坑疏排水量达20 万m3/d，加剧了地区资源性缺水和对生态环境影响[3-4]。

党的十九大报告指出“必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策”。国家和地方关于矿井水排放和资源化利用的政策日益趋严，2017 年财政部、税务总局与水利部发布的《扩大水资源税改革试点实施办法》，在全国9 个省份试点实施了水资源费改税政策，要求矿井疏干排水按照实际排水量缴纳水资源税，如内蒙古自治区在地下水非超采区矿井疏排水的税额为5 元/t，矿坑疏排水为煤炭生产企业带来极大的经济压力，西部矿区煤炭资源保水开采技术需求强烈。

目前保水采煤相关应用基础研究、关键技术开发以及工程实践主要集中在我国生态脆弱的陕北、神东等西部侏罗纪煤田地下开采煤矿区[5-7]，已形成较为成熟的充填、分层、限高等地下开采煤矿水资源保护性开采技术[8-10]。露天煤矿开采产量在煤炭总产量中的比例呈逐渐增加趋势(约15%)，但对露天煤矿区水害防治与保水开采相关研究基础相对薄弱，高强度地下水预先疏排与采中矿坑强排一直是露天煤矿水害防治的主要手段。近年来，基于地下混凝土防渗墙侧向帷幕截水技术已初步应用在扎尼河露天矿区矿井水主动减排的工程实践中，并取得良好的截水减排效果[11-12]，极大地减轻了露天煤矿开采对地下水资源的影响程度，但地下混凝土防渗墙建设具有工程量大、投资费用高等特点，科学评价露天煤矿地下混凝土帷幕防渗墙的截水效果是侧向帷幕建设与方案优化设计重要基础，笔者以内蒙古元宝山露天煤矿为研究对象，根据研究区水文地质与露天煤矿开发特征，从地下水系统角度分析近地表水体露天煤矿开采矿坑涌水与侧向帷幕截水的基本原理，研究帷幕墙建设条件下矿坑残余涌水的影响因素，并将露天采矿疏排水与地下水系统仿真研究结合，系统研究露天矿侧向帷幕墙体建设对地下水系统的影响规律及其减渗效果，以期为西部矿区露天煤矿保水开发提供科学依据。

1 元宝山煤矿概况

1.1 地质与水文地质条件

元宝山露天煤矿地处内蒙古赤峰市，隶属于平庄煤业(集团)有限责任公司，是我国“八五”建设重点项目，设计年产原煤12.00 Mt 的大型露天煤矿。如图1所示，元宝山露天煤矿位于东、西元宝山之间的英金河冲积平原上，台地周围为黄土掩盖丘陵区，其高程为+480～+600 m，露天矿区地表高程为+472～+490 m。煤矿主采煤层有五煤、六煤、七煤，剥离物主要为第四系砂砾层，以及第三系黏土、亚黏土，侏罗系砂岩、泥岩、页岩。矿区内地表水系有老哈河和英金河2 条河流，其中，英金河在露天矿采场中部由西向东流过，并在向东4 km 处汇入老哈河。

图1 内蒙古元宝山露天煤矿位置Fig.1 Location of Yuanbaoshan open-pit coal mine

整个露天矿区内含煤地层全部被英金河冲洪积形成的第四系强富水性孔隙潜水含水层所覆盖，其中孔隙潜水含水层划分为2 个富水段，上部强富水段(简称上段)主要由冲洪积作用形成的圆砾夹砂砾及卵石层组成，分布在整个露天矿区，是区内主要含水段，其渗透系数达234～637 m/d；中等富水段由冰积、冰水堆积的泥砂质砾(卵)石夹层和砂砾、砂等组成，分布在露天矿区的大部范围，渗透系数123～147 m/d，以上两含水层具有统一的水力联系。

1.2 矿坑涌水

元宝山露天矿是国内外典型的特大富水型露天煤矿，矿坑预疏放前的原始状态下，矿区内的主要含水层-第四系冲洪积孔隙潜水含水层，主要受英金河上游河水和大气降水的入渗补给，其次是处于河谷两侧地势较高的基岩裂隙水和黄土丘陵的孔隙水通过冲沟或坡积层汇集渗入孔隙潜水含水层，潜水以下降泉的形式补给老哈河与英金河地表水体。

在元宝山露天矿开采初期，矿坑排水量达到46.45 万m3/d，经过30 a 开采，近年来矿坑总疏排水量仍稳定在20 万m3/d 左右，元宝山露天矿排水压力与水资源税经济压力巨大。据统计，矿坑的主要充水水源为第四系含水层水，约占矿坑疏排水量的95%，多年来在群井疏干及明排疏干的联合作用下，已形成稳定的以矿区为中心的水位降落漏斗，在矿区外围2 km 范围内的英金河上游区段第四系含水层的水位下降幅度都超过30 m，下游的老哈河对矿区已经形成河水倒灌的径流现象，露天煤矿开采过程中高强度疏排水对区域地下水水资源已造成较大的负面影响。

2 露天煤矿开采含水层失水特征与帷幕截水原理

2.1 含水层失水特征

露天煤矿开采时，近地表富水性与渗透性强的松散含水层被剥离，含水层地下水沿剥离面以下降泉的形式进入采坑后被强排，或者在采坑边帮预先利用群井引流、明渠集中疏排的形式预先疏干地下水，以保障露天煤矿的安全开采。元宝山露天矿区采坑南帮直接剥离的第四系松散含水层受下游老哈河地表水体的充分补给，目前该地段矿坑疏排水量占矿坑总排水量的80%左右，露天采坑直接剥离强富水、强补给(受老哈河补给)含水层是形成大而稳定矿坑涌水主要原因。

从地下水系统补给径流排泄角度分析，由于在采坑与松散含水层剥离界面处，形成了切割含水层的地下水排泄“带”，接触带上含水层水位下降至含水层底板，剥离开采切割含水层形成的接触带构成了地下水系统的“内边界”，该处的水位降深S为松散含水层厚度M与水位的原始埋深D之差。根据地下水稳定流的“大井法”分析原理，以近地表具有生态意义的第四系潜水含水层为分析对象，含水层地下水向露天采坑的侧向排泄量Q可由下式计算：

由于S=M-D，则式(1)为：

式中：Q为涌水量，m3/d；K为渗透系数，m/d；H为水头高度，m；F为矿坑揭露的含水层面积，m2；R0为引用影响半径，m；r0为假想“大井”的半径(即为剥离区域的引用半径，引用影响半径R0可采用下式计算R0=r0+R，。式(1)和式(2)中，对数函数的自变量先处理为量纲1，再进行函数计算。

从式(2)可以看出，露天采坑揭露的含水层面积F越大，渗透系数K越大，水头高度H越大，则地下水侧向排泄量Q越大。

2.2 帷幕截水原理

强补给含水层是无法实现疏干的，传统群井疏降排水存在水资源浪费严重、疏排强度大、经济合理性不高等问题。如内蒙古扎尼河露天矿，由于近地表富水性好的松散含水层接受海拉尔河充分补给，先后共施工67 眼疏干井，矿坑疏排强度一直稳定在16.5 万m3/d左右，2018 年开始施工6.3 km 帷幕阻水墙，建成后减少了80%以上的疏排水量[5]。陕西张家峁井田煤层顶板烧变岩含水层受常家沟水库地表水体充分补给，2019 年在回采工作面(15208、15207)与水库之间开展了注浆帷幕工程后，回采期间工作面涌水量均小于5 m3/h[12]。安徽淮北朱仙庄煤矿煤层顶板渗透性强的砂砾岩含水层，通过区域导水断层获得煤层底板高承压富水性强的奥陶系灰岩岩溶水充分补给，从2016 年开始施工4 km 帷幕阻水墙后，回采工作面涌水量减少了80%以上[13]，验证了基于地下连续墙的帷幕减渗技术在强富水补给含水层中的应用适宜性好。

据地下水动力学原理，将地表水体概化为定水头边界(图2)，可分析得出无帷幕墙体的矿坑单宽涌水量Q1为：

式中：K0为含水层渗透系数，m/h；Δh0为近采坑剥离面的含水层自由潜水面厚度，m；H0、H1分别为地表水体水位、采坑剥离面处的水位，m；L0为采坑与地表水体的距离，m。

由式(3)可见，无帷幕墙体条件下，当矿坑疏排含水层地下水至某水平H1时，Q1受控于K0、L0和H0，显然，K0越大、L0越小、H0越高，采坑涌水量越大，对露天矿井开采而言，采坑尽可能远离地表水体是减少涌水的基本思路。

如图3 所示，根据帷幕建设的一般原则，帷幕底界须进入相对渗透能力低的基岩内部[14-17]，以最大程度降低底部绕流风险。为了便于分析，假设帷幕墙上端与下端均无绕流现象，因此，在帷幕墙建设条件下，通过帷幕墙体的单宽渗流量Qw与矿坑单宽残余疏排水量Q′分别为[14]：

图3 露天煤矿帷幕条件下地下水流场Fig.3 Groundwater flow field with water cutoff curtain in the open-pit coal mine

式中：Ks为帷幕墙渗透系数，m/h；M为帷幕墙厚度，m；L为帷幕墙距采坑的距离，m；H2为帷幕墙内壁处地下水位高程，m；Δh2、Δh1分别为帷幕墙内侧、近采坑剥离面的含水层自由潜水面厚度，m。

根据地下水连续性原理可知，帷幕墙体的单宽渗流量与矿坑单宽残余疏排水量相等，即Qw=Q′，由式(4)与式(5)可见，在帷幕墙建设条件下，当矿坑疏排含水层地下水至某水平H1时，M越大、Ks越小，通过帷幕墙Qw越小。L越大，即帷幕墙与补给水体的距离越近，单宽疏排水量Q'越小。因此，施工的帷幕墙体渗透能力越弱、厚度越大，以及与补给水体距离越近是露天采坑减少涌水的基本原理。

3 露天煤矿开采地下水系统模型构建

3.1 水文地质概念模型

根据元宝山露天矿水文地质条件，矿区位于英金河河谷区的冲积平原上，英金河河谷以及老哈河河谷为区域地下水的主要径流通道。开采后形成以露天采坑为中心的地下水降落漏斗，周边地下水流场变化剧烈，采坑上游英金河谷区地下潜流以及下游老哈河部分地表水均向露天采坑的漏斗中心径流排泄，因此，本次模型范围包括英金河和老哈河的上下游河谷区，据水文孔显示，远端地下水水位受矿坑排水影响小，水位常年相对稳定，模型沿河谷上下游边界扩展至露天矿以外10 km 以上，均概化为一类水头边界。为了进一步减少人为水头边界对模拟结果的影响，将该类水头边界定义至模拟区外5 km 处。其他区域为河谷区和丘陵地区交界处，按照流域分布面积与研究区降水量，在沟口概化为流量边界，其余地段概化为零流量边界。

由于露天矿矿井涌水量主要来自第四系含水层，因此，模型在垂向上剖分为第四系强含水层、中等含水层以及基底的白垩系地层，共3 个模型分层。模型顶部发生大气降水和蒸发，概化为潜水面边界，底部边界为白垩系基岩地层，富水性差，与近地表松散含水层渗透性能差异很大，将模型底板概化为零通量边界。

如前述分析，由于在采坑与松散含水层剥离界面处，形成了切割含水层的地下水排泄“带”，接触带上含水层水位下降至含水层底板，从水文地质条件概化的角度，采坑边帮切割含水层的接触带构成了地下水系统水体排泄的“内边界”，在仿真模型中设定为一类水头边界，其水头值约为含水层底板高程[18-19]，通过识别接触带上含水层底板高程，构建成露天矿开采条件下的地下水系统概念模型。

3.2 数值仿真模型

根据研究区水文地质条件和露天剥离开采含水层失水特征，元宝山露天矿开采地下水流呈现三维非稳定流，可用以下数学模型进行描述：

式中：Ω为模拟区域；Ss为近地表潜水含水层的重力给水度；W为潜水面的降水补给量与蒸发排泄量综合项，m2/(d·m2)；H0(x,y,z)为含水层的初始水位分布，m；qi(x,y,z,t)为二类边界的单宽流量，m2/d；Гi为研究区外部第二类边界(如侧向流量补给边界)；n为渗流区边界的法线方向；Hj(x,y,z)为河流水位高程，m；Гj为研究区外部的第一类水头边界(如河流边界)；Г1-1为露天采坑边帮与剥离含水层的接触面；Fz为露天采坑边帮剥离含水层的底板高程，m。

以Visual MODFLOW 为模拟平台，通过统计研究区各勘探阶段钻孔柱状图中地层顶底板等高线，将地面高程30 m 分辨率的数字DEM 数据直接导入软件，得到研究区三维水文地质模型(图4)。

图4 模拟区三维数值模型Fig.4 Three dimensional numerical model of the simulation area

另外，露天煤矿开采直接剥离揭露了第四系含水层，导致含水层地下水沿剥离界面进入矿坑，模型中以井田边界划定水均衡计算区，通过稳定流计算模拟帷幕墙建设条件下地下水系统响应特征与含水层地下水进入矿坑的水量。

3.3 模型校正

模型中大气降水、蒸发等模型参数以研究区平水年数据为准。通过反复调整模拟区含水层渗透系数、给水度等关键水文地质参数，模拟反演出的矿坑疏排水量为18.3 万m3/d，与近年矿坑17.8 万～20.0 万m3/d实际疏排水量基本一致，反演模拟的区域地下水流场分布特征与实际流场宏观形态、趋势及其分布基本一致(2019 年)(图5)，因此，本次从矿坑涌水量与区域地下水流场两个角度对模型进行了校正，能够科学合理反映现场地下水系统水文地质条件。

图5 模拟区地下水流场(2019 年)Fig.5 Groundwater flow field in the simulation area (2019)

4 露天煤矿帷幕下地下水系统模拟分析

4.1 帷幕方案

根据研究区含(隔)水层分布特征和矿坑涌水现状，元宝山矿区东南部老哈河与英金河交汇处为目前矿坑主要涌水区段，据统计占到整体矿井涌水的70%以上，矿井帷幕工程首先针对该区段，以矿井边界为准进行“局部”型地下连续墙帷幕墙体的建设，长度3.665 km。由于矿坑西南部地面基岩出露，在基岩出露区段设计帷幕缺口，后期接续开展“准封闭”型帷幕墙体建设，长度达13.408 km(图6)。

图6 元宝山露天煤矿帷幕墙方案及位置Fig.6 Scheme and location of the water cutoff curtain wall in Yuanbaoshan open-pit coal mine

借鉴扎尼河露天矿、朱仙庄煤矿地下连续墙帷幕减渗工程经验，帷幕墙体宽度设计为0.8 m，墙体下端进入松散层底部的白垩系基岩内部，根据一般防渗标准，墙体渗透系数设置为0.008 m/d。帷幕截流数值模拟以稳定流模拟校正的地下水位为初始水位(2019 年)，分别计算建墙后露天矿周边地下水流场以及矿井涌水量的变化。

4.2 模拟分析

1) 局部帷幕截流工程数值预测

由图7 所示，局部帷幕墙建设条件下，地下水仍然以露天矿采坑为降落漏斗中心，区域流场形态基本未发生重大变化(图7a)。但在露天矿的东北处未帷幕区段，地下水发生强烈的侧向绕流现象(图7b)，绕流处地下水达西流速明显大于墙体外围流速。

图7 局部帷幕工程后水位与水量变化规律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 时涌水量约11.48 万m3/d，较之现在矿坑排水量减少了37.16%，但是随着时间的延续，区域地下水位相对抬升，绕流量增加导致矿坑残余涌水量增加明显，20 a 后矿坑残余涌水量分别增加至13.73 万m3/d，较之现有矿坑排水量减少了24.59%(图7c)，可见针对主要涌水区段的局部型帷幕方案，由于地下水绕流量大，对矿坑整体涌水量的减排作用有限。

2) 全帷幕截流工程数值预测

准全封闭帷幕方案设计是对露天矿除西北角基岩出露区外全部进行帷幕截水。由图8 所示，全封闭帷幕方案建成后，地下水仍然是以露天矿采坑为降落漏斗中心(图8a)，由于西北角第四系底板高程较高，地下水未发生明显的绕流现象(图8b)，300 d 时墙体内普遍水位差在15 m 以上。

图8 全封闭帷幕工程后水位与水量变化规律Fig.8 Variation law of water level and water volume after fully closed water cutoff curtain project

准全封闭型帷幕建成后，初期墙内无补给，水位迅速降低，进入矿坑的涌水量迅速减小，矿井涌水量呈先减小后增大的趋势(图8c)，300 d 时涌水量约为4.3 万m3/d，与目前矿坑残余涌水量相比减少约76.50%，1 200 d时持续衰减至2.6 万m3/d，减少了85.79%，随后由于墙外地下水位持续上升，墙内外水头差逐步变大，通过帷幕墙进入矿坑的涌水量呈现增加趋势，但增加幅度不大，20 a 后增加至4.6 万m3/d，相比减少74.87%，可见准全封闭型帷幕建设方案对矿坑整体涌水量的减排作用显著。

5 结 论

a.针对露天煤矿开采矿坑涌水与帷幕减排问题，以元宝山露天煤矿为研究对象，分析了露天开采失水特征以及帷幕墙体建设对地下水系统控制原理，得出帷幕墙体渗透能力越弱、厚度越大、与补给水体距离越近是露天采坑减少涌水的基本控水原理。

b.将露天煤矿采坑涌水、帷幕墙体建设与地下水系统仿真研究结合，构建元宝山露天煤矿开采帷幕减排效果数值评价模型。模拟结果显示，局部帷幕方案，未帷幕区段地下水绕流明显，矿井残余涌水量随时间增加较大；准全封闭型帷幕方案，地下水基本未发生绕流，矿井残余涌水量呈先减小后增大的趋势，但增加趋势不明显，准全封闭型帷幕建设方案对矿坑整体涌水量的减排作用显著。

c.通过分析帷幕墙体建设对地下水系统控制基本原理，构建帷幕减排效果数值评价模型，为西部矿区露天煤矿开采截水帷幕工程建设与方案优化设计提供科学依据。