宝日希勒矿区水文地质条件及地下储水可行性研究

孙 江，李雁飞，杨 建，张溪彧，刘 基

（1.国家能源投资集团有限责任公司煤炭运输部,北京 100010；2.神华宝日希勒能源有限公司, 内蒙古呼伦贝尔 021500；3.中煤科工集团西安研究院有限公司, 陕西西安 710054；4.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 710054）

我国能源禀赋特征决定了煤炭是我国未来长期稳定的主体能源[1-2]，2019 年煤炭占我国能源生产和消费总量近60%，是全球最大的煤炭生产和消费国，且我国煤炭资源生产与需求绝对量仍处于增长态势。但是，我国煤炭资源与水资源呈逆向分布[3-4]，中西部富煤地区（包括蒙东）多处于干旱和半干旱的生态脆弱区，水资源量仅占全国的5.7%，且时空分布不均，可供利用的水资源十分有限，水资源供需矛盾日益尖锐，水资源短缺已成为制约西部地区社会经济可持续发展的主要瓶颈。蒙东位于我国二级阶梯，属于酷寒半干旱气候，降水稀少（240～380 mm），以草原为主要地貌类型（包括草甸草原、典型草原、荒漠草原）；蒙东是我国14 个大型煤炭基地之一，2019 年煤炭产量2.84 亿t，以露天开采为主，煤炭开采产生矿井水高达9.0 亿t/a，已经造成北电胜利矿区地下水位下降10～30 m；宝日希勒和伊敏矿区第四系地下水均已干涸，引起严重的水资源漏失、水环境污染、生态退化等问题。蒙东地区水资源相对丰富，矿井水外排不会造成区域水资源明显增加，但会引起局部（矿区）水资源短缺，如何保护和利用好矿井水资源，是蒙东煤炭基地绿色可持续发展过程中亟需解决的重要难题。

从20 世纪后半叶，地下水作为一种基本资源的价值越来越高，地下储水是维持、加强和保护地下水资源的一种有效方法[3-4]，19 世纪70 年代，欧洲已建立河岸过滤系统，1897 年瑞典和1899 年法国出现了欧洲第1 个入渗盆地[5]；为了应对水资源短缺及水污染危机，美国加州27%再生水注入地下含水层，并利用含水层对水质进一步处理提升[6]；以色列建设了27×105m3/d 的城市污水处理和地下储存工程[7]；截止2015 年，全世界人工地下储水规模达到100 亿m3[8-10]。国内地下储水以建设入渗坑、回渗井等浅层入渗为主[11-12]，深层地下含水层的回渗相对较少；煤炭行业主要有国家能源集团建设的煤矿地下水库，为神东矿区提供了95%的用水[13]，该技术在榆神府矿区已经得到推广应用；冀中能源梧桐庄矿利用相对独立的深循环水文地质单元回灌、存贮高矿化度水。建设地下储水工程，必须有合适的地质安全保障条件，因此，要将矿井水储存于地下[14-15]，实现其有效保护、调蓄和利用，有必要对矿区地层岩性岩相、含（隔）水层组合结构、断层构造等开展系统性研究，从水文地质条件、地下储存场址条件等方面确定矿井水地下储存适宜单元。

1 研究区概况

宝日希勒矿区地理位置图如图1。

图1 宝日希勒矿区地理位置图Fig. 1 Geographical location map of Baorixile Mining Area

宝日希勒矿区位于呼伦贝尔市海拉尔区北部，地处中纬度地区，属中温带大陆性半干旱气候；研究区年降水量170.7～550.1 mm（平均302.1 mm）；研究区属额尔古纳河水系，主要有海拉尔、莫勒格尔、伊敏3 条常年流水河流，其中莫勒格尔河、伊敏河是海拉尔河的支流。海拉尔河发源于大兴安岭西麓，由东向西流经研究区南部，蜿蜒注入额尔古纳河，干流长714.9 km，宽120 m 左右，最宽330 m，流域面积54 537 km2。宝日希勒矿区位于莫勒格尔河东南的楔型地带，其宏观地貌显示为略有起伏的高平原，北部及东北部与低山丘陵相接，地势东北高而南西低，东南低且略有起伏并呈缓波状，海拔高程620～680 m，相对高差20～80 m，当地地下水侵蚀基准面标高为601.00 m。

2 水文地质条件

宝日希勒矿区位于新华夏系第三沉降带海拉尔沉降区的中偏北部，区内发育有古生界、中生界、新生界地层，构造有纬向构造、华夏构造及新华夏构造等。主要发育地层为白垩系下统大磨拐河组和第四系，大磨拐河组地层厚度12.5～162.1 m，与下伏梅勒图组整合接触，与上覆第四系角度不整合接触，岩性以灰白色砾岩、砂质砾岩、细砂岩和暗灰色粉砂岩、泥岩为主，含5 个煤组；第四系广泛分布于煤系地层之上，厚度在19.35～42.90 m 之间，平均31.13 m，岩性主要由褐黄色黏土、砂质黏土、砂砾组成。

宝日希勒矿区位于完整的水文地质单元内，第四系普遍发育黏土、亚黏土及泥砾层，砂砾层不发育，且第四系底板高于区域地下水位，致使矿区大面积第四系不存在含水条件，属于透水不含水地层。大磨拐河组包括5 个相对独立的含水层，各含水层之间水力联系不明显，煤层是其主要含水介质。各含水层的稳定性受煤层限制，含水介质特征及含水层类型基本相同，具有相似或相近的水文地质条件，其中主要为Ⅰ、Ⅲ号含水层，宝日希勒矿区综合水文地质图如图2。

图2 宝日希勒矿区综合水文地质图Fig.2 Comprehensive hydrogeological histogram of Baorixile Mining Area

矿区Ⅰ号含水层连续分布，岩性以褐煤（即Ⅰ号煤）为主，包括部分煤层顶底板中的砂岩、粗砂岩及砂砾岩，厚度1.30～59.48 m，平均厚度28.77 m；9 个抽水试验孔中，单位涌水量为0.092～0.416 L/（s·m）（只有“水4”孔为2.48 L/（s·m）），TDS 浓度在1 000.0 mg/L，为HCO3-Cl·Mg-Ca 和HCO3·SO4-Ca·Mg 型水；整个矿区Ⅰ号含水层由于受构造影响，补给来源有限，水量普遍较小，储存量有限。Ⅲ号含水层岩性组合与Ⅰ号含水层基本相同，厚度2.0～58.0 m，平均24.23 m。地下水水质类型为HCO3·Cl-Na型，TDS 浓度为1 100.0～1 680.0 mg/L，由东向西TDS 浓度有增高趋势。该含水层水位一般低于Ⅰ号含水层，单位涌水量0.028～0.538 L/（s·m），与Ⅰ号含水层相比，其富水性和补径排条件更差。

3 地下储水条件

3.1 地下储水构造

受地质构造及古地理环境控制，宝日希勒矿区发育形成1 个宽缓的向斜蓄水构造，由若干个次一级的向（背）斜轴蓄水构造、断层（块）蓄水构造及复合形式组成。

1）南北隔水边界。宝日希勒露天区含煤地层，以1 个轴向近东西向的开阔向斜展布，向斜两翼地层翘起，白垩系裂隙-孔隙含水层组出露地表，隔断了与外围（煤层露头线以外）水力联系，致使煤层露头线两侧，地下水位标高相差数米，表明在煤层露头线外侧为隔水边界。

2）东部弱透水边界。宝日希勒露天区东部北北东向断层束将矿区分割成若干段块，切穿了煤系地层，使含水层与隔水层频频对接，水位呈阶梯状，形成断块蓄水构造，在断层两侧水位标高和水质有明显差别。

3）西部补给边界。宝日希勒露天矿煤层赋存规律为向西倾斜并延伸甚远，且露天矿预疏降已形成区域性降落漏斗，因此可以认为主要来水方向为漏斗西部，勘探区西部边界为补给边界。

宝日希勒露天区是1 个相对封闭的向斜蓄水构造，属于次一级较完整的水文地质单元。

3.2 地下储水库选址

宝日希勒露天矿采区和构造分布图如图3。

图3 宝日希勒露天矿采区和构造分布图Fig.3 Distribution of mining area and structure in Baorixile Open-pit Mine

宝日希勒露天矿共划分为5 个采区。首采区在矿区西侧已有矿坑基础上，向东沿煤层露头拉沟，工作线沿煤层走向布置、倾向推进，直至推到矿田南部境界；之后开采二采区，利用首采区东侧留沟，矿坑转向由西向东开采，工作线沿煤层倾向布置、沿走向推进，目前二采区已接近回采结束。根据煤炭开采、剥离物回填等实际情况，只有在首采区和二采区的内外排土场，具备建设地下储水库的条件。首采区东侧发育有1 条北北西向正断层F15，长度4.4 km，落差60 m，煤层底板为泥岩、砂质泥岩地层，在侧向和底部都形成了隔水性能较好结构，在与二采区之间存在稳定性较好的天然坝体（坝体宽度>200 m），在首采区的F15断层西侧建设地下储水库，在水位不超过F15断层梁的条件下，可以保证二采区内排土场和采坑的安全。因此研究将F15断层西侧作为地下储水库的首选地址。

3.3 库容计算

所选库址内煤层底板高程位于+540.0～+580.0 m之间，该区域排土以砂岩为主，采用等高程分区分层计算法，先从库区平面上进行水文地质分区，然后考虑不同高程含水层面积的差异进行计算，等高程分区分层计算公式如下：

式中：V 为地下储水库库容，m3；m为高程分层个数；n 为水文地质分区个数；A 为水文地质分区面积，m2；h 为地下储水库水文地质分区高度，m；μ 为地下储水库储水系数。

根据煤矿地下水库储水经验，确定松散砂岩储水系数为0.1 和0.15，砂岩重构厚度约25 m，计算中初步确定地下水库储水高度不超过15.0 m（即不超过+560 m 标高），得到宝日希勒地下储水库库容为79.3×104m3和119.0×104m3。

宝日希勒地下储水库示意图如图4。

图4 宝日希勒地下储水库示意图Fig.4 Schematic diagram of Baorixile underground reservoir

该储水条件下，在水库周围以+565 m 为界，存在1 个天然挡水坝（图4 中黄色区域），可以保证储水水库和露天采坑的安全。

4 地下储水量质条件

4.1 水量条件

露天矿夏秋季矿坑排水量为6 500～7 000 m3/d，主要用于地面降尘、排土场绿化等，存在一定量的用水短缺；冬春季排水量4 000～4 500 m3/d，基本没有回用途径，排放处置成为矿上迫切解决的问题。冬春季按照180 d 考虑，则富余矿坑水量为72×104～81×104m3，利用地下储水库将这部分矿坑水储存起来，实现季节性调蓄，用于夏秋季矿区降尘和绿化，可以解决宝日希勒露天矿用水问题。

4.2 水质条件

研究采集了宝日希勒露天煤矿的露天采坑积水，依据生活饮用水标准进行了水质检测，结果发现矿坑水中高于饮用水标准限值的指标为：耗氧量5.42 mg/L，总大肠菌群17 个、浊度220 NTU，大肠埃希氏菌108 个；其中悬浮颗粒主要分布在0.6～0.8 μm 之间，Zeta 电位-23～-25 mV，采用混凝沉淀工艺，30 mg/L PAC+0.5 mg/LPAM，出水浊度达到10.8 NTU，浊度去除率达为95.1%[16]，但是出水浊度仍然高于水质标准要求（≤3.0 NTU）。浊度随混凝剂质量分数变化曲线如图5。

图5 浊度随混凝剂质量分数变化曲线Fig.5 Variation curves of turbidity with coagulant concentration

4.3 强化处理工艺

鉴于混凝沉淀预处理出水中浊度仍然高于水质标准限值，提出了地表土壤层强化处理+地下储水工艺，露天矿“强化处理+地下储水”工艺如图6。

图6 露天矿“强化处理+地下储水”工艺Fig.6 “Enhanced treatment + underground water storage”process in open pit mine

土样取自宝日希勒露天矿排土场，主要成分包括黑黏土、粉细沙、砂砾石等，用2.0 mm 网筛进行筛分，超纯水浸泡24 h，80 ℃烘箱烘干备用，在连续1 个月条件下，每隔5 d 取样检测，强化处理出水浊度变化曲线如图7。

图7 强化处理出水浊度变化曲线Fig.7 Turbidity curve of enhanced treatment effluent

地表土壤层强化处理过程中，出水中浊度前期迅速降低，10 d 后基本稳定在1.0 NTU 以下，这个过程中在表层0～5 cm 位置，介质渗透性下降最为明显；特别是30 h 后，0～5 cm 表层位置水头压力出现迅速增大，这是由于回灌过程的持续，越来越多的悬浮物质淤积在介质表层，发生物理堵塞，进而导致水体无法顺利流动至系统内部，在实际工程中可采用清淤或犁地松土的方法清除堵塞，该处理方式在以色列Dan 回灌场得到广泛应用。

5 结 语

1）宝日希勒矿区位于完整的陈旗煤田水文地质单元内，第四系底板高于区域地下水位，属于透水不含水地层；大磨拐河组包括5 个相对独立的含水层，各含水层之间水力联系不明显，煤层是其主要含水介质。

2）受地质构造及古地理环境控制，宝日希勒矿区三面为隔水边界、西部为补给边界，发育形成了1个宽缓的向斜蓄水构造，有利于水资源的地下储存。

3）首采区东侧发育有1 条北北西向正断层F15，与二采区之间形成了隔水性能较好天然坝体（坝体宽度>200 m），在首采区西侧建设地下储水库，既能保证二采区内排土场和采坑安全，又可以实现首采区西侧有效储水，0.15 储水系数条件下，储水库容可达119.0×104m3。

4）冬春季富余矿坑水量为72×104～81×104m3，矿坑水经混凝沉淀预处理和土壤表层强化处理，可以将宝日希勒矿坑水中浊度降至水质标准限值，保障矿坑水地下储存的量质安全。