露天煤矿疏干–回灌水帷幕保水采煤模式探讨

2022-01-04李颖，杨卓，吴桐

煤田地质与勘探 2021年6期

李颖，杨卓，吴桐

李颖，杨卓，吴桐

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015)

为抑制疏干排水造成的地下水水资源量衰减，并控制露天煤矿煤炭开采对地下水资源的影响范围，采用了水帷幕保水采煤技术。以某露天煤矿为背景，建立沙槽回灌平台进行物理实验，再通过数值方法对回灌区进行模拟计算，分析疏干–回灌水帷幕的形成和变化规律。物理实验方法观察到回灌水帷幕形成定水头边界，阻止漏斗扩展的过程，获得不同回灌水帷幕水头高度对注水量的影响和注水量与排泄量平衡的最佳水头。数值模拟获得物理模拟类似的结果，回灌水帷幕位置可以有效限定疏干降落漏斗范围，回灌水帷幕定水头高度与疏干区水位和疏干时间正相关；最大回灌量受帷幕定水头高度影响显著；回灌水帷幕距离采坑越远对阻隔帷幕外水源补给的作用越大。物理模拟和数值模拟表明，改变回灌水帷幕的位置或水头高度都可以使得矿坑的排水量与帷幕的注水量相等，这就可以最大限度减少疏干水的外排水量。研究表明，疏干–回灌水帷幕可望成为我国露天煤矿区保水采煤的实用模式。

露天煤矿；疏干排水；回灌；水帷幕；定水头；保水采煤

矿井涌水引起矿区地下水的水位下降、区域流场改变[1]，甚至造成生态环境的破坏，是煤炭开采的不良效应。露天煤矿因开挖范围大、地下水疏干范围广，这种不良效应更为严重。因此，对于煤炭露天开采，如何能有效抑制地下水位下降和控制地下水资源的衰竭是煤炭资源开发过程中需要解决的关键科学问题。

目前，针对露天煤矿的保水开采已有学者提出水资源转贮[2]、防渗墙[3-4]、重构含隔水层[5]、冰冻含水层[6]等措施。然而，由于施工和维护成本、煤炭开采工序以及生态环境保护等原因，各方法应用均受限制。2010年R. F. Rubio等[7]提出将矿井水通过人工回灌的方式补给含水层的方法，既可以存储水资源，又可以满足矿井排水。2016年J. C. Baquero 等[8]为了减弱Cobre Las Cruces露天铜矿对周围人群用水的影响，在36眼疏干井外围布置了28眼回灌井，形成了密闭的抽水–回灌循环系统，每年可管理3.2亿m3水资源。美国内华达州Carlin Trend地区的Betze Post露天金矿将85%的矿井水通过回灌井补给地下含水层[9]。T. Myers[10]针对美国Montana地区的Powder River盆地中煤层气开发导致地下水水位下降，将矿井水回注到废弃煤层或砂岩层中进而补充了损失的地下水资源。

上述采用地下水回灌形成定水头边界，阻止含水层水位下降，保护水资源的方法称为注水帷幕。注水帷幕在建筑基坑控沉和防止海水入侵中应用较多。其中建筑工程中利用回灌控制沉降经验已相当成熟，如昆明市银河星辰花园基坑开挖的实践中就采用了井点回灌法建立注水帷幕[11]；上海地区开展过浅层含水层的回灌试验，防治了地面沉降[12-13]。在防止海水入侵时，美国于19世纪50年代开始在南加州施工了290口回灌井和773口观测井，组成3个大型水帷幕工程，总长度将近2.77万m。该水帷幕工程自建造以来已经成功运行60多年[14-16]。美国南部奥兰治县塔尔伯特淡水帷幕工程(Talbert Barrier Project)由28口回灌井组成，自1975年建成以来，一直运行良好[17]。我国在大连、山东等沿海均进行过淡水帷幕试验研究[18-20]，有效地阻止了海水倒灌，保护了沿海地区的淡水资源。然而，露天煤矿疏干水回灌研究极少，仅有梧桐庄煤矿、中关铁矿和鄂尔多斯铀煤叠置矿区提出过注水帷幕保水采煤、保水采铀的设想[21-24]。个别煤矿还实施了采空区储水[25-26]、废弃煤矿转变成地下水库工程[27-28]。但这些和注水帷幕有很大差别，目前尚未有矿井或露天煤矿采用注水帷幕方式保护地下水资源的案例，注水帷幕的物理实验也鲜有报道。

笔者采用物理实验和数值仿真模拟，研究注水帷幕阻止含水层地下水水位下降、保护地下水资源的过程，并求解不同帷幕水头高度下的回灌水量和回灌效率，寻求能够平衡矿坑排水和帷幕注水量的帷幕水头，最大限度地减少矿坑水处理量，形成在特定条件下露天煤矿注水帷幕的回灌量与疏干排水量之间的最优模式，以期为我国露天煤矿区保水采煤的可持续发展提供技术支撑。

1 露天煤矿疏干–回灌水帷幕原理

露天煤矿开采的疏干问题实质上可以视为泰斯定降深抽水的井流问题，满足泰斯井流方程。

2 回灌水帷幕的实验模拟

2.1 实验设计依据

以某露天煤矿为例，取部分区域进行物理实验，再现露天煤矿疏干–回灌水帷幕的形成过程，观察不同水头高度与注水量的关系，以择优选择水帷幕的定水头高度和最佳注水量。

露天煤矿地势北高南低，地形起伏不大。疏干采区近正方形，边长约1 000 m。煤层埋深40～70 m，矿坑挖掘深度在50～90 m以上。地层岩性由上至下为第四系的粉质黏土、粉质砂土、黏土间夹粉细砂；白垩系的泥岩、煤层和煤层间夹含砾粗砂岩、砂岩和砾岩。其中煤层和含砾粗砂岩、砂岩、砾岩层是露天煤矿需要疏干的含水层。含水层渗透性良好，具有承压性，补给来源主要接受侧向径流补给。露天煤矿采用降水孔疏干法疏干含煤地层水，有降水孔20口，沿采区四周分布，单井出水能力可达到1 200 m3/d。回灌水帷幕设置在疏干井外1 800 m的范围，用20口回灌井以单环型等间距布设而成，利用回灌井注水形成，如图1所示。

图1 疏干–回灌水帷幕系统原理

回灌水帷幕实验模拟的依据是假设疏干含水层均质、各向同性，含水层水平、承压，且水位呈水平面展布的条件下，将回灌水帷幕设置为含水层内的垂直通道，由于可将回灌水帷幕视为双边出水廊道，其水位符合下式：

式中：为含水层厚度；为水帷幕的注水量；为影响范围；为水帷幕长度；为渗透系数；公式右侧负号表示注水。以该公式预测注水量和排水量。

实验对象是煤层间的含砾粗砂岩承压含水层，在该含水层疏干的同时，保持注水水头，观测帷幕两侧水位情况和注水量与排泄量的关系。

2.2 物理模型

物理实验根据露天煤矿的水文地质条件设计，含水层的渗透系数和主疏干–回灌含水层基本相同，因尺度太大，无法进行相似材料的模拟实验，选择以水槽实验形式进行原理性实验。实验平台的主体为不锈钢体沙槽，长2.4 m，宽0.8 m，高0.6 m。左侧0.3 m为进水仓，右侧0.3 m为排水仓。为了展示流场及其变化过程，实验仅安排一个含水层。沙槽内含水层和顶底板隔水层在剖面上如图2所示。顶板和底层均为膨润土，模拟隔水层；中间层为石英砂，模拟承压含水层。

含水层内的回灌水帷幕安排在沙槽的中部，由渗透系数远大于含水层的细砾构成，以模拟多重分支的水平导斜注水孔，实现回灌水帷幕水头的平稳。由于含水层水从沙槽两端隔板上的小孔流进和流出，水的进入和排出不够均匀，流量受限。为了克服这一问题，在靠近上下游隔板处，在含水层内各挖一条沙槽，再填入细砾，如图2中的左右两侧。

水头观测采用测压管，利用摄像头实时监测，实现数据采样频率可调。40个监测点在水帷幕上下游区均匀分布，如图3所示。

2.3 注水水头条件

试验初始流场为回灌水帷幕建立前的流场，即露天煤矿疏干现状的降落漏斗。进水仓的水头高度为45 cm，排水仓的水头为40 cm，水力坡度约为2.1%，与实际漏斗区的2.03%相差不大。实验中回灌水帷幕按照2种定水头高度条件进行：临界水头的水帷幕方案和最佳水头水帷幕方案。其中临界水头为矿坑影响半径处的水头，即进水仓的水头；最佳水头为满足水资源保护条件时，使得注水量和排泄量平衡的水头值。

图2 沿水流方向沙槽实验物理模型剖面

图3 水头监测点布置

2.4 试验结果

临界水头水帷幕方案实验数据显示，在流场稳定时，水头总体上呈现出以水帷幕为不对称的分水岭，如图4所示。

图4 以临界水头注水的水帷幕形成后含水层水头等值线

分水岭在上游区狭窄，存在于紧靠帷幕处，而远离帷幕区的大部分地区呈水平状态，水力坡度=0，水位得到保持；分水岭在下游区宽大，由帷幕区一直延伸至排泄区，水力坡度≫0，呈持续向排泄区流动的状态。这说明回灌水帷幕的水量大部分流向排泄区。实验中，帷幕的注水量和排水槽的排泄量都发生了一定的变化(图5)，当流场稳定时，帷幕的注水量较排水量高出约2.5%。

最佳水头的实验显示，注水帷幕的水头越高，注水量和水力坡度也越大。图6为注水水头50 cm的水头等值线图，实验显示尽管流场仍然以水帷幕为界形成分水岭，在上游区，靠近帷幕处的高水力坡度区呈条带分布，但大片的远离帷幕区水力坡度≠0，而是<0(逆坐标轴方向下降为“–”)。下游区的情况与临界水头的试验类似，显示以注水帷幕为分水岭，向两侧流动，上下游的水力梯度都变得比临界水头实验的更大。水量观测结果得出水帷幕此时的注水量较排水量增加了9.75%。

图5 帷幕注水量和终端排水量与时间关系曲线

2种方案形成的水帷幕都可达到保障露天煤矿安全开采的目的，且可隔断露天煤矿疏干降水引起的降水漏斗影响范围，其中临界水头水帷幕的注水量与排水量相差最小，该水头为最佳水头。

图6显示注水量略大于露天矿坑的排水量，使排注不平衡，这是因为没有控制好水头高度(未能实现精确的定水头)，使水帷幕处形成小范围的分水岭。根据泰斯井流微分方程，理论上存在能维持排注平衡的定水头条件，因此，需要在定水头实现过程中采用精准自动控制，来实现排注平衡。

图6 水头提高后水帷幕上下游水头等值线

3 回灌水帷幕数值模拟

3.1 模型构建

模拟区总面积约345 km2，南北两边为流量边界，北侧流入，南侧流出，西侧为零流量边界、东侧隔水断层为零流量边界。近正方形的露天煤矿采区位于模拟区中央，建立模型如图7所示。模型主要水文地质参数见表1。含水层顶板泥岩将其与第四系地层隔开，无越流补给，底板为稳定隔水层无地下水流入或流出，模型在垂向上不分层，初始流场如图7所示。模型中心圆圈代表正方形的矿坑，矿坑东西两侧的弧形为回灌水帷幕，以保护帷幕以外的地下水资源。

图7 三维模型及定水头边界(回灌水帷幕)

表1 模型主要水文地质参数

3.2 模拟方案

模拟采用FeFlow7.0三维非稳定流，由初始水头65 m(含水层底板水头为0 m)开始，以5 m的水头等差逐次递增，即依次设置回灌水头高度为65、70、75、80和85 m的定水头模拟回灌水帷幕。模拟由疏干抽水开始时刻为0时刻，同步回灌。

3.3 定水头边界条件下地下水系统分析

回灌水帷幕定水头边界条件下数值模拟结果显示，疏干区域(采坑)含水层水位随着回灌水帷幕保持定水头回灌时间的持续而降低，形成以采坑为中心的漏斗状流场。图8为各次模拟结果的采坑中心水位随时间的变化曲线，从中可以看出采坑中心水位与回灌水帷幕定水头高度正相关，定水头高度对采区中心水位影响最大为2.5 m。同时，回灌水帷幕定水头高度提高，疏干区地下水位降低至相同水平的时间也相应延长，定水头65 m和85 m完成疏干至10 m水头高度的时间相差103 d，因此，水帷幕的回灌水头高度与疏干时间正相关，水头高度选择应与所需疏降时间相匹配。

图8 不同定水头时疏干区域地下水水头变化

定水头回灌水帷幕的形成是由回灌井向四周逐渐扩散的过程，定水头由回灌井内逐渐扩散至两井之间所需回灌水量是变化的，当定水头回灌水帷幕形成后才能保持稳定的回灌量，此时回灌水量为回灌水帷幕最大回灌量。为模拟计算形成各个定水头水帷幕所需的最大回灌量，采用回灌井为定水头边界的回灌方法，模拟各个定水头条件下单井回灌量与时间的关系，数值模拟结果如图9所示。不同定水头条件下单井回灌量与回灌时间的曲线规律一致，且斜率逐渐减小，后趋于直线。如70 m定水头试验的0～71 d，回灌水量由1 322 m3/d降至505 m3/d，变动幅较大，说明此阶段只是保持了回灌井内的定水头，回灌水帷幕的定水头还未形成。为保持回灌的定水头，回灌增压系统需要一个压力变化的过程，回灌速度首先需满足目标回灌量。在试验进行至262 d以后，回灌量逐渐趋于稳定，此时刻以后的回灌量为回灌水帷幕的最大回灌量。模拟显示回灌量随定水头增高成倍增大，实际生产中为了平衡疏干水量和回灌水量，取回灌水量接近疏干水量的定水头高度为最佳回灌水帷幕高度。根据数值模拟结果，本模型在定水头70 m和75 m时最大回灌量与疏干量接近。而物理实验显示当帷幕水头为影响半径处的水头时，注水量和排泄量最为接近。这种差别可能是由于本次物理实验为了帷幕的水头平稳而使用了砾石条带所致。

图9 不同定水头边界条件回灌水量与时间关系曲线

过采坑和水帷幕的水头剖面图显示水头的变化规律和物理实验结果相似，在此不再赘述。

实际回灌过程中水流经过回灌井进入含水层会有一定的水头损失，从而导致采用井边界模拟计算的值大于回灌井计算值。因此，在上述模拟结论基础上，利用FeFlow软件里的多层井实现露天煤矿回灌水帷幕，在疏干量与回灌量接近的定水头方案中，对水帷幕的回灌量进行数值模拟计算。

从图10可以看出，疏干和回灌水帷幕同时运行一定时间后，地下水流场将形成以采坑为中心的地下水降落漏斗。本例的地下水水位降深在采坑边缘约为60 m，采坑中心残余水头高度为5 m左右，回灌水帷幕处的水位为65～70 m，以回灌水帷幕为分水岭，两侧的水位降深呈不对称状的变化规律，即采坑内部距离回灌水帷幕越远的地方水位越低。由于露天采坑疏干区面积小于回灌区的面积，相当于在弱补给的条件下进行强疏干，所以露天采坑疏干是能实现的。本模型回灌水帷幕距离疏干井约1 800 m，回灌井间距为750 m ，将回灌水帷幕设置为70 m定水头回灌，水帷幕各井之间不能完全连成一线，回灌水帷幕水位升高并不大。然而，水帷幕在群井注水作用下，使得帷幕外地下水对露天采坑的补给能力大大降低，坑内疏干井全部开启抽水，在坑内群井和回灌水帷幕群井作用下，坑内抽水能力大于坑外补给能力，且两者能力的差值根据与回灌水帷幕距离的不同呈线性分布，距离回灌水帷幕越远两者能力差越大，水力梯度明显，充分显示了疏干对露天采坑内水位降低的贡献，以及回灌水帷幕对阻隔帷幕外水源补给的显著作用。而且，随着疏干回灌的持续时间延长，采坑内地下水位逐渐降低，即随着疏干时间增长采坑内是可以疏干的。通过上述分析，疏干回灌运行一定时间后，回灌水帷幕效果和采坑内疏干效果较为明显，在保持帷幕外水头变化幅度较小的情况下，采坑内的水位已经开始呈现明显的下降。

4 结论

a. 物理模拟实验显示，在露天煤矿排水的条件下，在降落漏斗合适的位置建筑回灌水帷幕可以有效地保持含水层的水位、阻止漏斗的扩展、保障地下水资源不受破坏；回灌水帷幕的水头越高，注水量越大。

图10 定水头回灌水帷幕流场

b. 通过回灌水帷幕对流场改变的数值模拟显示，回灌水帷幕的定水头高度选择能够实现实际疏干水量和回灌水量平衡，最大限度地减少对矿坑排水的处理量。

c. 数值模拟显示，回灌水帷幕位置可以有效限定疏干降落漏斗范围；回灌水帷幕定水头高度与疏干区水位和疏干时间正相关；最大回灌量受帷幕定水头高度影响显著；回灌水帷幕距离采坑越远对阻隔帷幕外水源补给的作用越大。

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Discussion on the water-preserved coal mining by dewatering-reflooding water curtain in open-pit coal mines

LI Ying, YANG Zhuo, WU Tong

(CCTEG Shenyang Engineering Company, Shenyang 110015, China)

To suppress the attenuation of groundwater resources caused by drainage and control the influence range of coal mining on groundwater resources, the coal mining technology with water curtain was adopted. Taking an open-pit coal mine as the background, this paper established a sand trough recharge platform to carry out physical experiments, and used a numerical method to simulate the irrigation area, so as to analyze the formation and variation of the dewatering-reflooding water curtain. Physical experiments were carried out to observe the formation of a fixed head boundary by water injection curtain which prevented the expansion of funnel, the influence of different heights of water injection curtain head on water injection volume and the optimal water head which balanced the water injection and excretion were obtained. The numerical simulation results were similar to that of physical simulation. Under the condition that the aquifer falling funnel had been formed, the closer the water injection curtain is to discharge area, the greater the recharge amount to reach the predetermined head. And it took longer for water level to recover to a predetermined value under the condition of a given amount of water injection. In both physical and numerical simulation, changing the position of the water injection curtain or the height of the water head can make the pit drainage equal to the water injection of the curtain, which can minimized the external displacement of drainage water. The experiment and numerical simulation show that the water injection curtain is expected to be a practical model for water-preserved coal mining in open-pit coal mines in China.

open-pit coal mine; mine water draining; water recharge; water curtain; constant water head; water-preserved coal mining

语音讲解

TD741

1001-1986(2021)06-0160-07

2021-05-13；

2021-08-20

中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项重点项目(2018-2-ZD005)；绿色矿山建设要求及标准研究课题(NK001-2018)

李颖，1979年生，女，内蒙古科左后旗人，硕士，高级工程师，从事露天矿疏干防排水工作. E-mail：330287646@qq.com

杨卓，1985年生，女，黑龙江伊春人，硕士，高级工程师，从事水土保持和绿色矿山规划设计. E-mail：32525924@qq.com

李颖，杨卓，吴桐. 露天煤矿疏干–回灌水帷幕保水采煤模式探讨[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(6)：160–166. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.019

LI Ying，YANG Zhuo，WU Tong. Discussion on the water-preserved coal mining by dewatering-reflooding water curtain in open-pit coal mines[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：160–166. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986. 2021.06.019