黄土高原地区典型露天煤矿地下水控制研究

叶永祥

（北方魏家峁煤电有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

露天煤矿地下水控制直接影响后续钻爆、采煤、运输等各生产环节，地下水控制不佳，将影响各环节生产效率，导致煤炭供应不足，进而无法完成煤炭生产任务，降低企业经济效益。另外，地下水也会对边坡直接破坏，溶蚀、潜蚀、冲刷边坡，通过冲刷使坡脚的强度降低导致边坡失稳，还会降低设备使用寿命，导致露天煤矿安全生产无法保障。因此，对露天煤矿地下水控制研究尤为必要[1]。

鄂尔多斯这一带露天煤矿大部分坐落在黄土高原地区，其独有的梁、峁特征及沟谷发育均是研究地下水控制时应考虑的因素。目前针对露天煤矿地下水控制、涌水量计算、防治措施研究已较为完善，也意识到不同地形条件下地下水控制方案的不同，如对新疆天山谷地典型露天矿地下水控制与防洪排涝研究，而对黄土高原地区条件下露天煤矿地下水控制尚无深入的分析。为此，通过以鄂尔多斯市准格尔旗魏家峁镇魏家峁露天煤矿为研究对象，研究黄土高原地区典型露天煤矿地下水控制[2]。

1 魏家峁露天煤矿基本条件概述

1.1 水文地质条件

1）地形地貌。呈典型的鄂尔多斯黄土高原地貌梁、峁特征，地表植被稀疏，植被种类单一生态脆弱，常年雨水冲刷多形成树枝状冲沟，总体表现为水土流失严重，形成沟壑纵横、沟深壁陡、支离破碎的复杂地形。

2）气象。属大陆性干旱气候。冬寒夏热，昼夜温差大，年总降水量较小，范围231～459 mm，年总蒸发量较大，达到年总降水量的5～8 倍。

3）水文条件和含（隔）水层。发育的沟谷多以向源侵蚀为主，横断面常呈“U”字型，例如该区域的主要沟谷罐子沟。雨季多瀑发山洪，其特点是流量大且伴随强大动力[3]。

含（隔）水层划分见表1。

表1 含（隔）水层划分

1.2 各含水层的补给和排泄条件

露天煤矿主要靠大气降水进行补给，大气降水经部分出煤系露头垂直下渗补给。年降水量在400 mm 左右，煤层直接充水含水层补给来源贫乏，决定了其富水性差。露天煤矿地下水收到大气降水补给，地下水因煤田总体构造轮廓大致表现为由东向西运动，局部地段因煤系地层的起伏、透水性差异、煤层风化等因素而略有变化。地下水部分以侧向径流的方式排至沟渠或黄河；部分利用有利地形以泉的方式排出地表；部分埋藏浅的以蒸发的方式排泄，但蒸发排泄量非常小[4]。

1.3 地质构造与地下水和地表水的关系

露天煤矿所在区域总体构造比较简单，对矿床充水无影响，所在区域除黄河以外，无地表水体及常年有水沟谷，经实地勘察及试验研究，作为最大而且唯一的地表水体，与露天煤矿的煤层直接充水含水层无水力联系，黄河是露天煤矿所在区域排泄的天然场所[5]。

露天煤矿所在区域地形高低起伏，所以煤层直接充水含水层受地形起伏影响，不仅补给区面积小而且不易形成良好的汇水区域。露天煤矿所在区域为总体西斜带有波状起伏的单斜构造，此种地形不利于地下水存储及富集。故煤层直接充水含水层的补给量极小，富水性差。

2 地下涌水量

2.1 充水因素分析

露天煤矿所在区域为总体倾向NWW、倾角小于5°的近水平单斜构造，整个勘探过程中未见断层，构造简单且对地下水的储存、富集及各含水岩组间的连通无影响。大气降水一直是露天煤矿开采过程中矿床充水的最主要水源。随着露天开采过程中岩石剥离排弃，山西组裂隙砂岩含水岩组水，尤其是6#煤的直接充水含水岩组水，将沿山西组砂岩断面这一充水通道而进入煤底板，对生产造成影响[6]。

2.2 地下水涌水量计算

露天煤矿所在区域最上层位第四系松散岩类，其特点是贮水条件差、富水性较弱且无涌水量；对于露天煤矿6#煤层，地下涌水量采用大井法计算[7]：

式中：Q 为预测的矿坑涌水量，m3/d；K 为渗透系数，取0.08 m/d；H 为水柱高度，取20 m ；M 为含水层厚度，取13 m；R0为引用影响半径，取694 m；r0为引用半径，r0=，取406 m；F 为先期开采地段面积，取0.52 m2。

预算结果为Q＝131 m3/d。结合实际生产经验，剥离处黄土与红土或基岩接触处有少量泉水涌出，主要涌水位置在6#煤开采位置，来自于山西组裂隙砂岩承压水。突水点位置随着采剥工作面的推进而移动。通过观测水泵排量得出2019 年涌水量统计表见表2。根据表2 数据，通过加权平均求得采坑涌水量为78 m3/h。

3 地下水控制

3.1 排水方案

根据含水层水文地质条件及涌水量预测情况确定采场无需预先疏干，采取地下涌水与露天采场内正常降雨径流汇水一并排除。露天矿坑内的汇水主要为矿坑汇水区的降雨径流量和煤层含水层的地下水2 部分。坑内排水拟采用坑底储水、半固定泵站排水方式，正常径流排水管路排至地面的沉淀池经沉淀处理后复用，暴雨时期排水管路直接排至采掘场东侧的罐子沟至低凹处[8]。

3.2 排水设备选择

1）排水量Q 计算。正常时期排水量为26.7 m3/h；暴雨时期排水量为355.6 m3/h。

2）扬程H 计算。所需扬程为110 m，正常时期排水泵选择潜污泵WQN11-140/3-75（Q=100 m3/h，H=140 m，N=75 kW）共2 台，1 台备用。暴雨时期排水泵选择潜污WQN200-140/3-200（Q=200 m3/h，H=140 m，N=200 kW）共2 台。

3.3 排水管路选择

根据计算公式，排水管路管径D 为：

式中：Q 为潜水泵小时排水量，正常排水泵Q=100 m3/h，暴雨排水泵Q=200 m3/h；v 为排水管内水流速度，取1.5 m/s；

得：正常时期排水管直径Dz=133 mm；暴雨时期排水管直径DB=188 mm。

采区共设置2 级积水坑，1 级积水坑设置于煤底板西北侧，2 级积水坑设置于内排土场东侧沿帮路末端。1 级积水坑内下设水泵根据排水系统计划进行设置，将水抽送至2 级积水坑内；2 级积水坑下设8 台水泵，其中3 台水泵为电厂供水，3 台为道路洒水的加水泵，其余2 台将多余水量排至宝活兔沟蓄水坝内。

3.4 防治措施

露天煤矿防治水综合采用“防堵疏排截”的措施，通过实地观测水流走向，计算汇水面积，分析区域承受能力及影响，圈定重点防治区域。划分责任片区，进一步责任到人，落实露天煤矿防治措施[9]。

1）在采煤工作面西北端帮处为矿坑最低点，降水除部分滞留在平盘外，其余都汇积在此处。由于向斜构造6#煤底板情况复杂，雨季采掘时必须考虑防排水问题，供电整备段还要准备多个完好的小水泵，准备将煤层底板小范围的积水抽出，以不影响采煤。

2）经常巡视各平盘的变化情况，特别是非工作帮和排洪渠与临时道路交汇处的高边帮，以及端帮渗水情况，发现异常时要及时上报。

3）矿区动力中心、露天矿供电整备段及机修段雨季要加强检修供电线路、供电设施（变压器、开关柜），并备有后备电源；而且要检查各类供电设施周围地势，必要时，加以铺垫。

4）公司信息中心要定期检修、巡查通讯线路、网络办公系统及其场地的工程条件，以防启动应急预案时，通讯系统不畅或出现故障。

5）对于局部平盘积水，根据实际情况采用疏通或小泵倒排至6#煤底板，再由大泵排出至内排土场积水坑内用于道路洒水降尘。

6）矿区动力中心、露天矿供电整备段及机修段雨季要加强检修供电线路、供电设施（变压器、开关柜），并备有后备电源；而且要检查各类供电设施周围地势，必要时，加以铺垫。

7）公司信息中心要定期检修、巡查通讯线路、网络办公系统及其场地的工程条件，以防启动应急预案时，通讯系统不畅或出现故障。

4 结语

露天煤矿地下水控制好坏直接影响整体生产效率，通过研究魏家峁露天煤矿水文地质特征，理清该矿充水性因素及补给、排泄形式，计算出地下水涌水量131 m3/d。根据生产实测，2019 涌水量为78 m3/h，采用坑底储水、半固定泵站排水方式控制地下水，提供了合适的水泵型号。同时，结合魏家峁露天煤矿实际情况，提出具体的防排水措施。魏家峁露天煤矿地处鄂尔多斯黄土高原地区，地下水控制方案填补了典型黄土高原地区地下水防治的空白。所采用研究方法及所得结论对黄土高原区露天煤矿地下水控制具有现实价值。