生態脆弱露天礦區截水帷幕下松散層水位演化規律

王 海，王永剛，張 雁，孫 浩，苗賀朝

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116；3.內蒙古平莊煤業(集團)有限責任公司，內蒙古 赤峰 024050)

我國噸煤開采產生礦井水為1.87 m3，每年產生礦井水約6.88×109m3[1]。因此，礦井排水對礦區水資源和生態環境具有極為不利的影響，尤其是對于生態環境脆弱的露天礦區。蒙東地區氣候干旱，降水量少，水資源匱乏，生態環境脆弱，煤炭高強度開采引起地下水系統的補、徑、排條件發生劇烈變化，產生松散層水位大幅下降、地表河流量衰減、生態環境破壞等一系列難題[2-4]。由于本區域的露天礦生態閾值較低，抗擾動能力差，傳統的疏排水方式將大范圍和大幅度地疏降地下水，導致大面積的喬、灌、草等植被衰敗減少，草場退化，加速了荒漠化進程[2-3]。為有效減少礦坑疏排水量，抑制生態脆弱露天礦區松散層水位急劇下降的趨勢，保護露天礦區并不豐富的地下水資源，防止因缺水而導致生態環境進一步惡化[5-6]，近年來，帷幕截水技術被引入到露天礦防治水工作中，通過截水帷幕優化、轉變露天礦地下水控制方式，阻斷礦坑和周邊區域松散層含水層水力聯系，保護第四系松散層水資源，減少露天礦開采活動對區域水環境影響，保障礦山的安全生產[7-8]。

截水帷幕在內蒙古扎尼河和元寶山露天煤礦取得良好的應用效果，降低了礦坑疏干水量，減少了第四系松散層水對礦坑的補給，帷幕內外側水位也發生相應的變化[9-10]。但生態脆弱露天礦區截水帷幕下松散層水位的演化特征和變化規律尚不清晰，且相關研究文獻極少?；诖?，筆者以內蒙古扎尼河和元寶山露天煤礦實施的2 個截水帷幕為研究對象，分析松散層水位演化規律，以期為生態脆弱區礦山水資源保護提供參考。

1 我國生態脆弱礦區露天開采對地下水位影響

1.1 條件概況

我國西部富煤缺水區約占國土總面積的 46.1%，該地區大部分處于缺水帶、少水帶和過渡帶，淡水資源僅占我國的10.2%[11]。生態脆弱露天礦區地層結構如圖1 所示，煤層上方為粉砂質泥巖和炭質泥巖隔水層、黏土隔水層，含水層為砂卵石松散層。露天礦區煤炭開采導致砂卵石松散層水源源不斷補給礦坑。

圖1 生態脆弱區露天煤礦地層Fig.1 Strata of open-pit mining area in ecologically fragile areas

蒙東礦區位于內蒙古東部，屬干旱半干旱氣候，年降水量小于400 mm，生態環境極其脆弱，元寶山、伊敏、大雁、霍林河等內蒙古東部煤田的開發形成了多個大型露天礦區[12-14]。蒙東礦區第四系松散含水層為砂卵石層，滲透性好，粒徑1～10 cm，次圓狀，分選好，含少量細砂，滲透系數為80～700 m/d，水位埋藏較淺，一般在0～16 m，大多接受地表河流補給[12]，是區域內各露天礦生產過程中疏排水的主要補給水源。

1.2 地下水控制方法

如圖2 所示，露天煤礦開采煤層埋藏淺，充水水源固定，主要采用疏排水方法進行礦坑水疏降或疏干，具體方式有第四系疏干孔、煤層疏干孔、泄水巷、強排孔、地面截水溝等[7]。

圖2 露天煤礦地下水控制方式[7]Fig.2 Groundwater control methods in open-pit coal mines[7]

采用預先疏干方式降低地下水位時，應根據采剝推進和開拓階段強度要求，結合水文地質條件，確定預先疏干時間和水位的降低深度。

采用地面垂直降水孔法的第四系和煤層疏干孔適用于滲透系數大于2 m/d 的含水層；采用水平放水孔法的第四系和煤層疏干孔適用于地下水補給條件較差、降低露天煤礦邊坡地下水壓或排放含水層殘余水的條件；明溝和暗溝等地面截水溝法適用于水文地質條件簡單、埋深較淺、厚度較小且產狀較穩定的松散含水層；泄水巷自流排水適用于水文地質條件復雜、水力聯系小的多含水層，或含水層厚度、水壓及透水性變化較大、埋藏較深且不適用降水孔疏干的情況[15]。

例如，元寶山露天煤礦采用以“群井疏干為主、坑下明排為輔、基巖疏干巷道為補充”的聯合疏干系統以及地面防排水系統。群井疏干系統采用環形加線形的布設方式，目的在于將地下水疏降工作超前采掘進度，保證生產正常進行和可持續發展。集水坑相當于一個大口徑的集中疏干井，并以排水溝作為擴大影響范圍的一種方法解決大氣降水、采場殘余水，同時起到預先疏干降水的作用。泄水巷道位于煤層頂界面下方2～3 m 的煤層中，坡度5°，下部近剝蝕區處落平，形成主水倉，在主水倉上部施工排水井。通過多種地下水控制方法，將露天煤礦地下水位控制在采掘工作面以下，保證安全、高效采掘。

1.3 露天開采對松散層水位影響

露天開采總體上引起礦區周邊地下水位下降，本文以蒙東地區伊敏、東明和元寶山露天煤礦為例，分析露天開采對松散層水位的影響。

伊敏露天煤礦疏干導致礦坑及周圍地下水位持續下降，水位埋深由0～16 m 大幅下降至 0～112 m，湖泊總面積由采動前的6.94 km2縮小為1.12 km2，面積減少率達84%，井田范圍內所有湖泊、泉水全部干涸，濕地消失[12-13]。東明露天煤礦疏排水量1.493×105m3/d，疏干了礦坑周邊大范圍松散層水，中心水位下降幅度在100 m 以上[5]。元寶山露天煤礦早期疏干水量約4.676×105m3/d，目前疏干水量1.8×105m3/d 左右，地下水位最大降深49 m。

蒙東礦區具有特殊的自然、生態和地質環境，煤層采動過程改變了含水層的賦存狀態，地下水賦存、補給、循環模式發生改變，松散層水位下降，濕生植被向旱生植被演變，加劇土壤鹽漬化和荒漠化問題，嚴重影響生態環境質量[11]。

2 截水帷幕對露天礦區松散層水位影響

截水帷幕有別于現有的露天礦區疏降或疏干方法，可保護礦區松散層水資源，恢復礦區周邊松散層地下水位。

通過探明煤礦區水文地質工程地質條件，厘清礦坑水的補給水源和補給通道，確定適宜的截水帷幕路線和墻體空間結構，確保帷幕底部進入穩定隔水層、頂部高于歷史水位，因地制宜地選擇溝槽式截水帷幕或鉆孔注漿帷幕方式及其配套防滲材料，通過構筑連續的帷幕墻體攔截松散層水側向補給礦坑。

2.1 理論計算

如圖3 所示，將第四系疏干孔、煤層疏干孔、泄水巷、強排孔、地面截水溝等礦坑水疏降或疏干控制礦區地下水方式改變為截水帷幕方式，將松散層水與礦坑隔離，僅有少量松散層水經過截水帷幕滲透進入礦區。截水帷幕外側松散層水位逐漸抬升、恢復，而截水帷幕內側水位迅速下降。

圖3 截水帷幕作用下松散層水位Fig.3 Water level of the unconsolidated strata under the condition of water cutoff curtain

將圖3 簡化為圖4 所示的截水帷幕內外側松散層水位計算模型。

圖4 截水帷幕內外松散層水位計算簡化模型Fig.4 Simplified model for calculating water level of loose layer inside and outside the water cutoff curtain

對于帷幕外側的松散層，單寬流量q為：

式中：K1為截水帷幕外側含水層的滲透系數；h1為距離帷幕外側L1處松散層水位；h2為帷幕外側松散層水位；L1為水位h1、h2之間的距離。

將式(1)轉化為：

通過式(2)可推算出距離帷幕外側L1處的松散層水位。

同理，對于截水帷幕，單寬流量q為：

式中：K2為截水帷幕的滲透系數；h3為帷幕內側松散層水位；D為截水帷幕的厚度。

將式(3)轉化為：

同理，對于帷幕內側的松散層，單寬流量q為：

式中：K3為截水帷幕內側含水層的滲透系數；h4為距離帷幕內側L2處松散層水位；L2為水位h3、h4之間的距離。

將式(5)轉化為：

當截水帷幕內外側地層滲透系數一致時，即K1=K3，則式(6)變為：

當q、K1、K2、K3、D、L1、L2、h2(或h3)值已知時，可得出截水帷幕內外側不同位置的松散層水位。

假定截水帷幕內外側松散層滲透系數相同，即K1=K3，帷幕滲透系數K2為松散層滲透系數K1的0.45%，帷幕截水效率為80%，采用定水頭補給方式，分別應用式(1)-式(7)計算截水帷幕作用下的不同位置松散層水位，得到如圖5 所示的計算結果。無截水帷幕條件下，松散層水位隨著與定水頭補給源的距離增大而不斷降低；有截水帷幕時，帷幕外側水位抬升明顯，而帷幕內側水位急劇降低，帷幕內外水位差極大，充分體現了截水帷幕的正向作用。

圖5 有無截水帷幕下松散層水位變化的計算結果Fig.5 Calculation results of water level changes of the unconsolidated strata with or without the water cutoff curtain

2.2 物理模擬分析

2.2.1 物理模型

根據露天煤礦水文地質條件建立如圖6 所示的松散層截水帷幕模型，在松散層模型中增加不同長度的垂向隔水板模擬不同圈閉范圍的截水帷幕，記錄帷幕兩側水位變化數據，分析帷幕構筑前后第四系松散層水位變化規律。

圖6 松散層截水帷幕模型縱向剖面Fig.6 Longitudinal profile of the water cutoff curtain model in the unconsolidated strata

松散層截水帷幕模型由3 部分組成，分別為水源倉、滲流倉和排泄倉。模型尺寸為3 000 mm(長)×1 500 mm(寬)×600 mm(高)，其中水源倉與排泄倉長度均為300 mm，滲流倉長度為2 400 mm。水源倉用于模擬流場補給源并保持穩定水頭?？拷鼭B流倉的一側布置滲流孔，通過滲流孔向滲流倉滲水，外側垂向布置溢出孔保持穩定水位。供水水源采用飲用水，使用流量表監測補給流量[16]。

如圖7 所示，滲流倉模擬截水帷幕下松散層水滲流過程，滲流倉中充填滲透材料，底部安設水位觀測孔，通過玻璃管連接至滲流倉外壁進行水位觀測，滲流倉中部采用不透水拼接擋板模擬截水帷幕，通過改變擋板的長度，模擬不同過水斷面的滲流過程，擋板底部與滲流倉底部接觸部位進行隔水處理[16]。排泄倉收集滲流水，在排泄倉底部布置滲流水收集孔，將滲流水引至儲水容器并進行滲流量觀測。

圖7 松散層截水帷幕試驗模型Fig.7 Test model of the water cutoff curtain in the unconsolidated strata

2.2.2 水位模擬結果

如圖8 所示，假設截水帷幕總長度為L，通過圖7所示的松散層截水帷幕試驗模型，模擬帷幕長度為0、0.38L、0.51L、0.65L、0.79L、0.86L、0.93L和1.00L等不同條件下的帷幕內外側松散層水位變化過程。截水帷幕位于1 200 mm 位置處，從位于0 mm 位置的水源倉進水開始直至流場穩定，水源倉初始水位為500 mm，觀測整個流場變化過程，2 400 mm 位置留設排泄倉。

圖8 不同類型截水帷幕作用下的松散層水位變化Fig.8 Changes of water level of the unconsolidated strata under different water cutoff curtain conditions

由圖8 可知，無帷幕時，松散層水位連續變化，從水源倉至排泄倉范圍的松散層水位逐漸降低，水位由500 mm 降至87 mm，截水帷幕位置無明顯水位差。帷幕長度0.38L時，截水帷幕外側松散層水位由221 mm抬升至223 mm，而截水帷幕內側松散層水位由209 mm下降至206 mm，截水帷幕位置松散層水位差略有顯現。帷幕長度0.65L時，截水帷幕外側松散層水位進一步抬升至230 mm，外側松散層水位得到一定保護，而帷幕內側松散層水位降至195 mm，下降明顯，帷幕所在位置的松散層水位差為35 mm。帷幕長度0.93L時，截水帷幕外側松散層水位抬升至258 mm，帷幕外側松散層水位得到較好保護，而帷幕內側松散層水位下降至143 mm，帷幕所在位置的松散層水位差較大。當截水帷幕形成圈閉時，即帷幕長度1.00L時，帷幕外側松散層水位迅速抬升至462 mm，與水源倉水位基本持平，外側松散層水位得到有效保護，帷幕內側松散層水位下降至17.6 mm，帷幕所在位置的松散層水位差巨大。

由圖5 和圖8 截水帷幕下松散層水位變化理論計算和物理模擬結果可見，理論計算結果和物理模擬結果的規律一致，距離截水帷幕較遠的松散層水位變化速率為0.01～0.03 mm/mm，較為穩定，靠近截水帷幕的松散層水位變化相對劇烈。滲流倉末端松散層穩定水位隨著截水帷幕長度的減少呈逐漸抬升趨勢，靠近截水帷幕的松散層水位變化幅度比遠離截水帷幕的水位變化幅度劇烈。受截水帷幕影響，在帷幕靠近水源倉一側會形成高水位區，在帷幕靠近排泄倉一側會形成低水位區，且隨著帷幕長度減小，高(低)水位區域逐漸減小，且水位差在逐漸降低[17-19]。

3 典型礦區截水帷幕作用下松散層水位演化規律

截水帷幕作用下典型礦區松散層水位演化規律分析選擇蒙東地區的扎尼河和元寶山露天煤礦為研究對象，分別闡述礦區和截水帷幕概況，分析帷幕截水效果以及松散層水位演化特征。

3.1 扎尼河露天煤礦

3.1.1 截水帷幕概況

扎尼河露天煤礦砂卵石層滲透性好，滲透系數達80～180 m/d，礦坑疏排降水破壞周邊草原生態環境、造成水資源浪費。為減少露天煤礦礦坑疏排水量、保護草原水資源和生態環境，采用截水帷幕替代傳統的露天煤礦疏排降水方式[6-7,16]。如圖9 所示，扎尼河露天煤礦截水帷幕分別應用了防滲膜、抗滲混凝土地下連續墻、超高壓角域變速射流注漿、鉆孔咬合樁等工藝，形成了“頂不越、底不漏、兩端不繞、接頭不滲”的5 815 m松散層地下截水帷幕[7]。

3.1.2 松散層水位演化規律

如圖9 所示，在扎尼河露天煤礦截水帷幕內側布設5 個松散層水位觀測孔，編號為K1-K5，在帷幕外側布設4 個松散層水位觀測孔，編號K6-K9。扎尼河露天煤礦截水帷幕工程自2018 年7 月開工，如圖10所示，截水帷幕外側K6-K9 孔處松散層初始水位高程分別為617.95、618.68、618.41、617.86 m，帷幕內側松散層水位觀測孔K1-K5 的水位分別為618.39、618.06、616.02 和617.80 m。

圖9 扎尼河露天煤礦截水帷幕及水位觀測孔平面分布Fig.9 Schematic plan of the water cutoff curtain at Zanihe open-pit coal mine

由圖10 和表1 可知，隨著扎尼河露天煤礦截水帷幕完成比例的增加，帷幕外側松散層水位逐步抬升，而帷幕內側松散層水位不斷下降。帷幕工程完成100%時，K6—K9 孔水位分別變化了2.55、1.93、3.16、3.13 m，K1—K5 孔的水位分別變化了-6.55、-3.49、-4.02、-5.51 和-6.53 m。在帷幕完成后，帷幕外側松散層水位仍在抬升，內側水位將進一步降低，帷幕內外側水頭差增大。

圖10 扎尼河露天煤礦松散層水位變化Fig.10 Changes of water level of the unconsolidated strata inside and outside the curtain at Zanihe open-pit coal mine

表1 扎尼河露天煤礦松散層水位變化規律Table 1 Changes of water level of the unconsolidated strata inside and outside the curtain at Zanihe open-pit coal mine

3.2 元寶山露天煤礦

3.2.1 截水帷幕概況

元寶山露天煤礦礦坑主要充水水源為第四系松散層水，占礦坑疏排水量95%左右，地層主要為圓礫夾砂、卵石層、黃土及風化砂巖、泥巖，圓礫石粒徑為50～150 mm，滲透系數17～700 m/d。歷史上礦坑的疏排水量每天達數十萬立方米，疏排水量以第四系松散含水層的靜儲量為主，動態補給量為輔。隨著靜儲量的持續疏放，動態補給量占比逐年增大，礦坑疏排水量呈逐年下降并漸趨穩定。

為減少礦坑疏排水量，擬沿現有礦坑一級邊坡平臺建造礦坑邊界全封閉截水帷幕，在所有來水邊界進行截水，可最大程度減少礦坑疏排水量。如圖11 所示，先期在礦坑南側開展長度1 369 m 的帷幕試驗工程，深度16～43 m。

3.2.2 松散層水位演化規律

如圖11 所示，在元寶山露天煤礦截水帷幕試驗工程外側布設4 個松散層水位觀測孔，編號Z1-Z4，在帷幕內側布設2 個松散層水位觀測孔，分別為Z5、Z6。隨著截水帷幕長度的增加，帷幕外側松散層水位不斷抬升，而帷幕內側水位逐漸降低，帷幕內外側水位變幅與帷幕完成率呈正相關關系(圖12)。

圖11 元寶山露天煤礦截水帷幕及水位觀測孔平面布置Fig.11 Arrangement plan of the water cutoff curtain at Yuanbaoshan open-pit coal mine

圖12 元寶山露天煤礦帷幕內外側松散層水位變化Fig.12 Changes of water level of the unconsolidated strata inside and outside the curtain at Yuanbaoshan open-pit coal mine

由表2 可知，元寶山露天煤礦截水帷幕試驗工程完成7 d 時，帷幕外側松散層水位觀測孔Z1-Z4 的水位分別較原水位升高9.12、6.48、8.18 和5.55 m；帷幕內側松散層水位觀測孔Z5、Z6 的水位分別較原水位降低3.15、5.82 m。

表2 元寶山露天礦松散層水位變化規律Table 2 Changes of water level of the unconsolidated strata inside and outside the curtain at Yuanbaoshan open-pit coal mine

4 結 論

a.我國蒙東地區生態環境脆弱，水資源匱乏，露天開采引起地下水系統的補、徑、排條件發生劇烈變化，導致松散層水位大幅度下降、地表生態環境破壞。截水帷幕改變了傳統的地下水控制方式，可減少礦坑疏排水量，抑制煤礦區松散層水位急劇下降的趨勢，保護煤礦區松散層地下水資源。

b.理論計算、物理模擬結果與扎尼河和元寶山露天煤礦截水帷幕現場監測結果一致，截水帷幕阻隔內外側松散層水力聯系，靠近排泄一側形成低水位區，帷幕內側水位逐漸降低；在帷幕靠近水源一側形成高水位區，帷幕外側水位不斷抬升，且帷幕內外側松散層水位差與截水帷幕完成率呈正相關關系；當帷幕完成后，帷幕外側水位仍在抬升，內側水位進一步降低，帷幕內外側水位差增大。

c.截水帷幕內外側松散層水位解析計算和物理模擬可分析簡單地質條件的松散層水位變化特征，指導截水帷幕位置的選擇和松散層水位保護區域的確定，下一步將進一步開展復雜地質條件下松散層水位計算與模擬研究。