基于保障生态地下水位的露天煤矿主动保水技术研究

2021-05-26董书宁黄选明曹海东王晓东苗贺朝

煤炭科学技术 2021年4期

董书宁，王海,2，黄选明，王皓，曹海东，王晓东，张雁，苗贺朝

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116)

0 引言

根据《2020年BP世界能源统计年鉴》统计[1]，2020年石油占全球一次能源消费量的33.1%、天然气占24.2%、煤炭在世界能源结构中所占的比重降至16年来的最低水平，到2019年降至27%；2019年，我国全年能源消费总量48.6亿t标准煤，煤炭消费量占能源消费总量的57.7%，比上年下降1.5个百分点；天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量的23.4%[2]。煤炭仍然是我国能源消费结构中重要组成部分。我国14个大型煤炭基地煤炭产量占全国的95%以上，其中内蒙古、山西、陕西更是我国煤炭的主产区。但上述地区均处于干旱、半干旱地区，水资源匮乏，植被稀少，生态环境脆弱，煤炭及相关产业用水紧张。我国每年因煤炭开采破坏地下水约80 亿t[3]，相当于西安市4年的用水总量，地下水赋存与补给、循环模式发生改变，地下水位下降，植物养分流失，加剧土壤盐渍化和荒漠化问题。

为解决煤炭开采中的环境问题，自20世纪90时代，我国学者提出保水采煤概念，经过近30年的发展，保水采煤的研究取得丰硕成果，科学内涵进一步丰富。根据陕北侏罗纪煤田特征，划分了无水开采区、可控保水开采区、保水限采区和自然保水开采区4种保水采煤分区类型[4]。针对神东矿区不同的水文地质结构类型，提出了神东矿区的保水采煤的基本原则，以及矿区重要水源地、厚基岩含水层、烧变岩含水层、水资源转移存贮、矿井水资源化利用等保水采煤的关键技术[5]。研究发现第四系(N2)红土遭受工程活动破坏后，在自然条件下，其隔水性能能够自我恢复，是西北地区煤炭开采浅表层水保护的可再造隔水层[6-7]。西部矿区发展了充填式保水采煤技术、窄条带保水采煤技术、分层(限高)保水采煤技术、短壁机械化保水采煤技术、长壁机械化快速推进保水采煤技术等顶板含水层保护的采煤技术[4，8]。在东部草原区大型煤电基地厘清了煤炭开采对地下水、土壤理化性质、植被覆盖度的影响边界和程度，构建了地面和地下相结合的露天矿立体储水技术体系，提出了井工开采地下水原位保护方法[9-10]。研究发现沙漠区植被对地下水水位埋深具有很强的依赖性，陕北榆神府矿区内合理生态地下水位埋深为1.5～5.0 m，控制地下水水位是生态脆弱矿区科学开采的核心[11]。

我国陕北榆神府矿区保水采煤取得了丰硕的研究成果，研究对象大多是井工开采煤矿，而占我国煤炭产量16.6%的露天煤矿的保水采煤方式有别于井工开采煤矿[12]。露天煤矿开采主要影响第四系潜水含水层，该含水层具有强富水、强补给的特点，干旱、半干旱地区地下水与植被生态环境关系密切。露天煤矿保障了生态地下水位就保护了矿区植被生态环境，因此，亟需开展露天煤矿生态地下水位主动保护技术研究，为我国露天煤矿生态环境保护提供参考。

1 我国露天煤矿发展现状

我国煤炭资源开采方式主要有井工开采和露天开采2种。露天开采具有资源采出率高、劳动效率高、机械化程度高、安全条件好、生产成本低的优点[12]，露天开采是国外煤炭开采的主要方式。受煤层埋藏较深、沉积环境和成煤条件等多种地质因素的影响，我国以井工开采为主、露天开采为辅。

1.1 我国露天煤矿生产现状

2012年底规划露天开采的保有资源储量为1 710.6亿t，占14个国家大型煤炭基地探明保有资源量14 831亿t的11.5%，规划能力为12.6亿t/a，占14个大型基地52.4亿t/a的24%[13]。主要分布在新疆、内蒙古、山西、云南四省(区)，四省(区)可供露天开采的保有储量合计1 676.83亿t，约占全国可供露天开采储量的98%。

我国设计和核定露天煤矿总产量在128 390万t/a(表1)，但露天开采储量中，煤化程度普遍较低，最高为气煤，最多是褐煤。

表1 全国主要露天煤矿特征[13]

续表

截至2018年底，我国共有露天煤矿303处(不含井-露联合开采煤矿)，占全国煤矿数量6.9%，产能75 908万t/a，占总产能16.6%，其中在生产露天煤矿249处，基建露天煤矿54处[12-13]。我国露天煤矿产量由2003年的0.8亿t增长至7.59亿t，产量占比由4.61%上升至16.6%，露天煤矿占有越来越重要的地位[14]，千万吨及以上露天煤矿20处,如图1所示。

图1 我国露天煤矿产量及产量占比Fig.1 Output and production proportion of open-pit coal mines in China

1.2 露天煤矿地下水控制技术现状

露天煤矿开采的煤层埋藏深度浅，充水水源固定，主要为地表水体和大气降水，地下水为辅。露天煤矿充水通道主要为强透水含水层、人为开挖通道、导水钻孔和地表裂缝等。露天煤矿为防止和减少水害，保证生产安全，提高生产效率，通常采用疏干排水方式控制地下水。地下水控制方法主要有地面垂直降水孔法、水平放水孔法、明沟和暗沟、巷道法等。当水文地质条件复杂，采用疏干排水措施难以有效降低地下水位；以补给量为主，且补给来源丰富，底部有稳定的隔水层，深度较浅的松散含水层，可采用地下隔水墙法控制地下水[15-16]。

目前，我国露天煤矿主要采用疏干排水方法进行矿坑水疏降或疏干，具体方式有钻孔疏排水、专用疏水巷、地面截水沟、辐射井疏干、虹吸排水等[17-19]。我国露天煤矿分布具有明显的区域性，多集中在中西部地区，这些地区生态系统比较脆弱，大规模露天开采破坏环境后恢复起来比较困难。露天煤矿疏干排水导致矿区周围地下水下降迅速、植被枯死、井泉干涸、土地荒漠化等生态环境问题。

为破解露天煤矿疏干排水引起的生态环境问题，针对元宝山露天煤矿水文地质条件和现场实际需求，中煤科工集团西安研究院有限公司于20世纪90年代提出采用截水帷幕替代疏干降水方案[17，20]。由于多种原因，此项工程未能实施，元宝山露天煤矿截水帷幕方案进一步开拓煤矿水资源保护的思路，在考虑煤矿水害防治过程中一定要考虑地下水资源的保护及生态环境保护，使煤矿生产与生态环境能持续发展。

2 露天煤矿开采对地下水和植被影响

国内学者研究表明，呼伦贝尔伊敏矿区最适宜植被生长的地下水水位埋深为1～2 m，植被生长的极限地下水位埋深是6 m[21-22]；陕北榆神府矿区地下水位3～5 m 为乔灌木承受埋深，地下水位5～8 m为警戒埋深，地下水位8～15 m为乔木衰败埋深，大于15 m为乔木枯梢水位埋深[11]。鄂尔多斯地区的植被覆盖度对地下水比较敏感的水位埋深在10 m以内[23]，海流兔流域的旱柳和小叶杨等乔木可以吸收埋深7～8 m的地下水[24]。银川盆地地下水位埋深小于5 m时，植被覆盖度大于60%，地下水位埋深大于8 m时，植被覆盖降至10%以内[25]。新疆塔里木河流域地下水位埋深2～5 m时的植被覆盖度大于15%，地下水位埋深大于6 m时植被覆盖度5%～10%，地下水位埋深大于 8 m的区域植被覆盖度小于 5%[26]。

2.1 露天开采对地下水位影响

随着地下水位的上升，露天矿边坡滑动面不断向外移动，其最小安全系数也伴随减小，地下水水位超过坡脚时，滑动面越过坡顶，形成坡面和坡脚失稳，发生局部的坡脚破坏[27]，如图2所示，为保障露天煤矿安全生产、边坡稳定，露天煤矿采用潜水疏干孔疏降第四系潜水含水层水、煤层疏干井疏降岩层和煤层裂隙含水层水、泄水巷道疏降煤层裂隙含水层水，将露天煤矿水位疏降至矿坑底部。

图2 露天煤矿疏干排水示意 Fig.2 Drainage of schematic in open pit coal mine

华能伊敏煤电有限责任公司露天矿疏干工程自 1983年投运至1994年末，导致矿坑及其周围地下水水位持续下降，采场内平均地下水位从672 m 降至629.53 m；2017年，地下水位最深557.96 m，降深约112 m[21]。1985年，矿区地下水位埋深0～16 m，大部分区域地下水位埋深小于 5 m，伊敏河岸和湖泊周围地下水位埋深0～2 m；受露天煤矿疏干排水影响，到2012 年时，以采坑为中心区域的地下水位大幅下降，地下水位埋深分布在 0～112 m。在矿区疏干排水的影响下，区域地下水位的大幅度下降，强烈改变了区域地下水的赋存特征和补径排条件，在矿区范围内第四系含水层已全部疏干，从而改变了地表水体的补给、径流、排泄途径，造成地表水资源和小区域水循环的中断，截至2017年，湖泊总面积由采前的6.94 km2缩小为1.12 km2，面积减少率达84%，导致伊敏煤田范围的湖泊、泉水干涸，湿地消失，对区域生态环境造成一定程度的破坏[21-29]。地下水位与矿坑距离呈负相关关系[22]如图3所示，采坑北部约2 000 m 范围内的柴达敏诺尔湖周围及湖泊北部的地下水位埋深受影响不明显。

图3 伊敏露天矿地下水位Fig.3 Groundwater level in Yimin open pit coal mine

宝日希勒露天煤矿自2000年前后开始开发，2000—2006年，采区疏排水强度为2.3×104m3/d，以首采区为漏斗中心，局部地段松散含水层地下水被疏干，中心水位下降幅度约50 m，漏斗向矿区西南部拓展，矿区范围内平均水位降深小于5 m[10]。2007—2010年，矿区西侧的东明露天煤矿与北部的呼盛和天顺井工矿相继开采，东明露天煤矿排水强度达18.27×104m3/d，受高强度疏排水影响，东明露天煤矿和宝日希勒露天煤矿首采区为中心的较大范围松散含水层水疏干，东明露天煤矿中心水位下降幅度在100 m以上，平均水位降深大于10 m[9-10]。2010—2019年，东明露天煤矿疏排水量14.93×104m3/d，趋于稳定，矿区范围内平均水位降深大于15 m，西部莫勒格尔河对松散层含水层补给充分，河水通过地下渗漏补给松散层地下水的强度为11.02×104m3/d，约占东明露天矿排水量的 80%[10]。

元宝山露天煤矿地下水主要在第四系含水层中，以现代冲积、洪积及冰水堆积物为主，由圆砾、卵石、粉细砂及泥砾组成，厚度15～85 m，一般55 m，分布面积约130 km2。区域内有英金河和老哈河交汇通过，元宝山露天煤矿采用地表疏干孔与地下疏干巷道相结合的疏干方式，自1990年8月开始疏干，至1992年12月，水位下降26 m，日排水量约46.76×104m3/d[19，30]。至2016年，采场地下水位最大降深49 m，水位标高416 m[31]。

胜利东二号露天矿区位于内蒙古自治区锡林浩特市东北部，露天煤矿开采定期抽排地下水，导致地下水位不同程度下降。在至矿坑1 000、2 500、3 700、9 500 m处设置地下水位观测孔，受露天煤矿疏干排水影响，至矿坑越近地下水位越深，随着距离的增大，水位埋深逐渐恢复至正常地下水位[32]如图4所示。

图4 胜利东二号露天矿地下水位Fig.4 Groundwater level in Shengli east No.2 open pit coal mine

2.2 露天开采对植被覆盖度影响

露天煤矿开采过程中疏干排水导致地下水位下降，地下水位下降是否会影响植被生长和植被覆盖度。根据伊敏露天煤矿、宝日希勒露天煤矿、胜利东二号露天煤矿的植被生长和植被覆盖情况进行分析。

王超等[21-22]研究了伊敏露天煤矿至柴达敏诺尔湖之间5 000 m范围的植被类型、物种丰富度、植被覆盖度等指标变化情况。地下水位埋深与至矿坑距离呈负相关关系，矿坑位置水位埋深112 m，柴达敏诺尔湖附近水位埋深仅1～2 m。归一化植被指数(NDVI)是目前广泛采用反映植被生长状况的指数，即

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

式中：NIR为近红外波段反射率；R为红波段反射率。

NDVI越大表明植被覆盖度越大，随着植被覆盖度增大而增大。1985年伊敏露天煤矿NDVI=0.5～0.7，随着露天煤矿的开采，到2012年，NDVI下降至0.4～0.6，矿区植被长势总体呈下降趋势。地下水位埋深0～1 m时，NDVI最高，地下水位埋深 2～6 m时，NDVI波动不明显，而当地下水位埋深超过6 m时，NDVI呈明显下降趋势。

有学者在距离宝日希勒露天煤矿矿坑0、500、1 500、3 000 m处分别观测了植物群落科、属、种组成及多年生植被占比情况[33]见表2，距矿坑0 和500 m位置的植物科属中状况大致相同，1 500 和3 000 m位置的植物科属种基本处于同一水平，但低于0 和500 m位置。多年生植被占比随着距矿坑距离的增加而逐渐增多，呈现上升趋势。露天煤矿开采影响植被群落生长，周围天然草地多年生植物比例与露天煤矿距离呈正比，稳定性逐渐增强。

表2 距离矿坑不同位置天然草地植被情况

植被覆盖度可直观量化植被生长状况如图5所示，分别观测胜利东二号露天煤矿矿坑东、西、南、北4个方向不同距离的植被情况，随着至露天煤矿矿坑距离的增加，在东、西、南、北4个方向各个样区的植被覆盖度均呈现递增现象。距离露天煤矿矿坑1 km以内的植被覆盖度在35%左右，6 km处植被覆盖度最高，达到58%左右，矿坑向外4～5 km处植被覆盖度基本稳定在50%，表明露天煤矿疏干排水和采矿活动对植被的影响范围为4 km[32]。

图5 距离胜利东二号露天矿坑不同距离植被覆盖度Fig.5 Vegetation coverage at different distances from Shengli east No.2 open pit coal mine

3 露天煤矿生态地下水位保障技术

目前的露天煤矿疏干排水降低了地下水位、影响了矿区周边植被生长、浪费了地下水资源、破坏了周边生态环境，为保护地下水资源和矿区生态环境，中煤科工集团西安研究院有限公司开展了许多探索、科研攻关和现场示范应用工作。

1993年，煤炭科学研究总院西安研究院(下称西安研究院)在根据元宝山露天煤矿水文地质条件，率先提出了地下防渗墙截流矿区周边丰富地下水的方案，通过地下防渗墙阻隔矿坑与外侧松散含水层水力联系，减少矿坑侧向补给，该方案墙体总长度为7 660 m，墙顶高出疏干前地下水位1 m，墙底嵌入风化岩2 m，最大深度约为65 m，总截水面积约为39.1万m2，设计墙厚0.8 m[20]。采用防渗帷幕方案后，可以制止英金河和老哈河口地区地下水位的急剧下降趋势，保护该地区并不丰富的地下水资源，使周围的电厂、乡镇企业和当地居民生产、生活用水得以保障，还可防止因缺水而导致当地生态环境恶化。经过多年的技术攻关，2015年，西安研究院在扎尼河露天煤矿帷幕截水工程中首次采用侧向帷幕截流技术[17-18，34-38]保护露天煤矿地下水资源和矿区生态环境。

露天煤矿主动保水技术首先探明煤矿水文地质工程地质条件，厘清矿坑水的补给源和补给通道，根据露天煤矿水文地质工程地质条件，确定适宜的截水帷幕路线、顶底位置，确保帷幕底部进入稳定隔水层、顶部高于历史水位，因地制宜地选择沟槽式截水帷幕或钻孔注浆帷幕方式和防渗材料，通过构筑连续的帷幕墙体拦截矿坑外侧潜水含水层侧向补给，可从根本上解决露天煤矿面临的水资源和生态保护难题，变被动治理为露天煤矿主动保水保生态。

西安研究院在扎尼河露天煤矿帷幕截水工程应用了防渗膜与防渗材料复合防渗技术、低强度抗渗混凝土地连墙截水技术、超高压角域射流注浆帷幕截水技术，形成了1套经济、高效、环保的露天煤矿生态地下水位保障技术。

3.1 防渗膜与防渗材料复合防渗技术

HDPE膜是一种柔性防水材料，渗透系数1×10-13cm/s，具有良好的耐热性和耐寒性，适用温度-70～110 ℃，具有很好的化学稳定性能，抗强酸、碱、油的腐蚀，抗张力强度高，满足高标准工程项目需要，目前主要用于水利、环保工程浅部防渗。

西安研究院针对露天煤矿截水帷幕深度大、连续铺膜困难的现状，研发了防渗膜叠覆铺设、槽段内灌注高掺量粉煤灰基注浆材料的复合防渗技术，如图6所示，最大铺设深度达56 m。采用液压抓斗、双轮铣等成槽机在露天煤矿帷幕线位置开挖出宽0.6 m、深30～56 m的沟槽，槽段长度8、15、22 m，开挖过程中采用泥浆保证槽壁稳定。通过自主研发的铺膜机从槽口向槽底垂向铺设HDPE防渗膜，每幅防渗膜之间采用接头箱、叠覆搭接等方式连接，形成连续的防渗膜帷幕。槽段内注入附近电厂粉煤灰掺量高达80%的混合浆液，浆液与防渗膜形成复合防渗帷幕体。

图6 防渗膜与防渗材料复合工艺Fig.6 Composite technology of impermeablefilm and impermeable material

槽内灌注的高掺量粉煤灰基注浆材料强度4.5 MPa，渗透系数低至9×10-7cm/s，经现场围井试验检验，防渗膜与高掺量粉煤灰基注浆材料复合防渗的渗透系数6.28×10-7cm/s[37]，防渗膜与防渗材料复合防渗技术构筑的地下截水帷幕阻水能力强。

3.2 低强度抗渗混凝土地连墙截水技术

针对露天煤矿截水帷幕的低强度、低弹模、大应变、高抗渗等特性要求，西安研究院研发了经济合理的低强度高抗渗混凝土，低强度抗渗混凝土中各原材料掺量质量比例按水泥∶粉煤灰∶膨润土∶中砂∶卵石∶聚羧酸添加剂∶水，强度达到4～10 MPa，抗渗等级达到P6，具有良好的抗变形能力，该抗渗混凝土水胶比为0.68，砂率为45%，如图7、图8所示。

配比1—180∶200∶20∶720∶880∶8∶260；配比2—160∶220∶20∶720∶880∶8∶270；配比3—140∶240∶20∶720∶880∶9∶270；配比4—140∶220∶40∶720∶880∶9∶276图7 低强度抗渗混凝土强度Fig.7 Strength of low strength impermeable concrete

图8 低强度抗渗混凝土抗渗等级Fig.8 Impervious grade of low strength impermeable concrete

采用液压抓斗、双轮铣等成槽机在露天煤矿帷幕线位置开挖出宽0.6～0.8 m、深30～60 m的沟槽，一序槽段宽8 m、二序槽段宽2.6 m，开挖过程中采用泥浆保证槽壁稳定。通过在开挖的每幅沟槽内灌注低强度抗渗混凝土形成连续的地下帷幕墙。露天煤矿低强度抗渗混凝土地连墙渗透系数低至8.34×10-7cm/s，具有良好的截水性能[37]。

3.3 超高压角域射流注浆帷幕截水技术

超高压角域射流注浆是在传统高压喷射注浆工艺的基础上，采用独特的多孔管和前端造成装置，实现孔内强制排浆和地内压力监测。喷射流压力达40 MPa，流量90～130 L/min，平均提升速度2.5～3.3 cm/min，成桩直径可达2.0～2.8 m。

扎尼河露天煤矿超高压角域射流注浆首先采用钻机引孔，引孔孔径250 mm，MJS工法桩设备在引孔内由下而上角域摆动提升、射流喷射成桩，桩径2.0 m，桩间距1.5 m，桩间搭接0.5 m，形成连续的半圆形桩体帷幕墙。施工现场试桩形成的直径4 m的超高压角域射流注浆桩体如图9所示。经现场围井试验检验，露天煤矿超高压角域射流注浆帷幕墙渗透系数低至7.85×10-7cm/s，截水性能良好[37]，帷幕墙体可有效阻隔矿区外侧地下水的入渗。

图9 超高压角域射流注浆帷幕桩体Fig.9 Super high pressure angular zone jet grouting curtain pile

4 生态地下水位主动保护效果

2020年9月，扎尼河露天煤矿主动保水技术现场应用圆满完成，形成了“顶不越、底不漏、两端不绕、接头不渗”的约6 km地下截水帷幕墙，露天煤矿疏排水量已减少75%，动态补给量已减少89%，矿区水资源保护效果显著。

以2014年日均疏排水量为基准，分别对比自生态地下水位主动保护技术开展以来露天煤矿疏干排水减少情况(图10)。2015年露天煤矿截水帷幕工程试验段施工以来，矿坑疏排水量开始出现减少，减少率最大达到22%；在截水帷幕试验段的作用下，2016—2017年的矿坑疏排水量缓慢减少，减少约32%；2018年开始全面实施地下截水帷幕工程，矿坑疏排水量逐月递减，至2020年9月，露天煤矿疏排水量已减少75.02%。

图10 露天煤矿矿坑疏排水减少情况Fig.10 Reduction of drainage in open pit coal mine

截水帷幕距离矿坑约1 600 m，海拉尔河距离矿坑3 500 m左右，受露天煤矿疏干排水影响，从矿坑到海拉尔河的3 500 m范围内地下水位均出现不同程度的下降，地下水位埋深与矿坑距离呈负相关关系。采取截水帷幕主动保水措施后，截水帷幕外侧水位较之前明显抬升，帷幕位置水位由之前的埋深12.0 m左右抬升至6.5 m，地下水水位逐渐恢复至原始水位(图11)，地下水位达到了植被正常生长的阈值地下水位埋深[23，38-39]。

图11 露天煤矿地下水主动保护前后变化情况Fig.11 Changes of groundwater before and after active protection in open pit coal mine

据扎尼河露天煤矿周边植被覆盖度数据可知，自2015年帷幕截水工程实施以来，植被覆盖度呈逐年好转趋势，植被指数NDVI由2015年的0.21增加至2019年的0.33，植被覆盖级别由较少植被过渡到适中植被[40]，矿区周边生态环境得到保护。基于保障生态水位的露天煤矿主动保水技术从源头上解决矿区水害威胁、水资源浪费问题，可有效减小露天煤矿开采对地下水和生态环境造成的损伤，实现煤矿真正意义上的减损、保水、绿色开采。