内蒙古元宝山露天煤矿地下水资源开发利用问题及对策研究

冯建平　许蕊　卢昕晖

［关键词］地下水；煤矿；开发利用；对策研究

内蒙古自治区元宝山露天煤矿是我国重要的能源基地，矿区开采煤层埋藏浅，充水水源固定，天然条件下，较好的富水条件和补给条件使矿山开采需要进行大规模的疏干排水才能保证安全生产。元宝山露天煤矿多年以来采用联合疏干方式疏干地下水，即群井疏干为主，坑下明排为辅，基岩疏干巷道为补充[1]，并取得良好效果，也为该地区提供了大量可利用的疏干水资源，但因疏排水量大，露天矿生态阈值低，导致该区域地下水水位下降严重，已形成较大范围的地下水位降落漏斗[2]，含水层结构遭到破坏、地下水循环系统发生改变，对水资源的可持续利用，区内生态环境及居民的生产、生活造成了不良影响。

1 矿区概况

元宝山露天煤矿位于老哈河和英金河汇合前河谷平原地带，英金河将矿区分为东北、西南两个采区，老哈河于矿区东南部3 km处通过[3]（图1）。距中心城区约40 km，行政区划属于赤峰市元宝山区元宝山镇所辖。露天采区面积约为12 km²，目前核定生产能力为1200×10⁴t/a。元宝山区地处中纬度，属温带半干旱大陆性季风气候，冬季寒冷、夏季炎热、春秋两季多风。矿区风向以西南、西北为主，最大风速33.3 m/s。历史最高气温42.5℃，最低气温-31.4℃；年最大降雨量为560.8 mm，最小降雨量为208.1 mm；年最大蒸发量为2315.3 mm，最小蒸发量为1311.6 mm；冻结期一般以每年十一月末至翌年四月末，最大冻结深度2.01 m。矿区地形为第三系玄武岩台地，地表标高为472～490 m。在矿区开发历史上，区域整体地形地貌未发生变化，仅在露天矿采场区形成局地凹陷，在排土场区形成凸起丘陵。元宝山露天矿区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，西薄东厚，南薄北厚，分布全区[4]。松散岩类孔隙潜水为矿区主要地下水类型，以上游地下水的径流补给、英金河河水以及大气降水的渗入补给为主，周围基岩裂隙水的侧向补给为辅。矿区第四系松散堆积物具有孔隙较多，厚度大，联通性较好的特点，因此为地下水的赋存及运移提供了良好条件，也为地下水赋存提供了较大空间。

2 矿区水资源开发利用情况

元宝山露天煤矿水文地质条件复杂，地下水含量较丰富。为保证煤矿安全生产，就必须对地下水进行疏干，疏干排水工作也成为元宝山露天煤矿必不可少的一个生产辅助环节。第四系含水层疏干排水始于1990年，疏干排水可分为预先疏干和平行疏干两个阶段。目前，已经形成了完善的“群井疏干为主、坑下明排为辅、基岩疏干巷道为补充”的联合疏干系统。矿区先后投入疏干井145口，2011年后地下水资源储存量已基本疏干，目前疏干水量主要受降水量、侧向径流补给量和河道渗漏补给量的影响，整体进入稳定疏干状态，煤矿早期疏干水量为4.7×105 m³/d左右[5]，目前疏干水量约为1.8×105 m³/d，地下水位最大降深约为49 m，地下水位降幅趋缓。元宝山露天煤矿疏干水资源量主要用于元宝山露天煤矿自用供水、赤峰市资源型城市经济开发区供水、元宝山电厂供水及英金河生态供水。

3 矿区水资源开发利用存在的问题

3.1 矿区地下水流场及水位动态变化

在露天矿未疏干之前，地下水基本保持自然流场状态，即由基岩山区以地下潜流的方式流向河谷区，最终排出区外。疏干后，大气降水、地下径流、农田回渗及基岩侧向补给没有发生变化。英金河和老哈河渗漏量增加，接受地下水补给段延长[6]。露天矿长时间、大强度疏干以后，地下水流场发生了显著变化，即以露天采场为中心，周围地下水向露天采场内汇集。地下水排泄方式主要是人工疏干排泄，其次是附近人畜用水和地下径流。这种水循环特点是补给期短，消耗期长，逐步形成以采区为中心的地下水降落漏斗。2006～2015年降落漏斗呈逐年缩小的趋势，主要是由于在矿区四周逐步采用了排水明沟进行疏干排水，控制了水头落差，流场坡度变缓，漏斗呈缩小形态。同时，元宝山电厂漏斗消失，也是因为该水源停采所致。2018年漏斗出现向北迁移现象，推测是由于露天采场南侧开采到界，开始向北实施开采及英金河河道衬砌减少补给所致。元宝山露天煤矿疏干区外围布设有地下水监测井，疏干区北部525号井水位长期监测数据显示，1998至今该地段浅层地下水水位呈现持续下降趋势，下降幅度为11.21 m，下降速率为0.623 m/a，水位持续下降的原因主要受元宝山露天煤矿疏干排水影响。

3.2 含水层结构破坏及水循环系统改变的问题

露天采矿生产剥离上覆地层，就会造成区域含水层结构破坏和水循环系统的改变，闭坑后的治理工程无法恢复原有状态，是不可逆的改变。随之而来的是区域地下水水位下降，地表水体漏失，矿区周边主要含水层呈现疏干状态，另外可能出现不透水边界向透水边界转化、排泄区向补给区转化、地下分水岭偏移等水循环条件改变等现象。

元宝山露天矿煤层埋藏于第四系地层以下，为了满足开采需求，常年进行地下水疏干，地下水疏干量国内外罕见。矿区及周边地下水已被疏干，附近地下水位大面积、大幅度下降。部分矿区分布在河谷平原与山间谷地（沟谷），使当地主要供水目的层受到影响，由于疏干区的水位降落漏斗远大于其开采面积，致使疏干区范围内的井泉出水量变小甚至枯竭。该水量在初期较大，然后随着时间的延长，排水量逐渐趋于相对稳定，它与地形、构造、降水量、煤层埋藏深度及采煤方法等因素有关，该排水量为变量，闭矿后地下水位会逐渐上升，如果矿坑填埋时合理地对含水层进行重新构建，区域水资源可形成新的良好的动态平衡。

3.3 疏干水资源利用过程中存在的问题

粗放地开发利用露天矿疏干水资源，导致大量水质优良的疏干水得不到有效利用，需要进行深度优化。造成这一情况的主要原因，首先是水资源税费的设定不尽合理，根据《内蒙古自治区水资源税改革试点实施办法》（内政发〔2017〕157号）相关水资源税缴纳标准要求，回收利用（含回灌）缴纳标准为2元/m³，生态用水缴纳标准为5元/ m³。补充规定对水资源回收利用范围进行了界定，明确了“回收利用（含回灌），仅指疏干排水单位和个人内部回收利用（含回灌）疏干排水的行为”。这一税费政策会导致企业为避免缴纳更高档次的水资源税而尽量减少向外输运疏干水，选择最大程度的内部消耗使用疏干水资源，这与区域水资源紧缺和高效利用水资源的目标相背离。此外，疏干水供给农业灌溉，因节水意识淡薄、灌溉工程失修，节水灌溉工程落后等原因，存在灌溉利用率不高的现象。

4 矿区水资源合理开发利用的对策研究

4.1 含水层和水循环系统的重新构建

含水层的重新构建需要充分利用现有矿区的土石材料。针对南部采区闭坑回填，按照区域地层岩性以及剥离顺序，优选排土场存贮的粗砂、细砂以及卵砾石，将其置于回填区域的中上部，这部分岩土层是未来主要的含（透）水层，可以与周边建立水力联系，最上部覆盖透水性稍差的杂填土，按照这样的程序进行元宝山露天矿的回填可以重新构建一套区域水循环系统。

4.2 建造矿区截水帷幕

构建元宝山露天矿区截水帷幕，恢复周边松散层地下水水位，保护水资源。沿矿坑边坡在所有来水边界建造全封闭截水帷幕，改变传统的地下水控制方式，最大限度减少矿坑排水量。建造过程中确保截水帷幕底部进入稳定隔水层，顶部高于历史水位，因地制宜实现松散层水侧向补给矿坑被拦截。

4.3 提升疏排水资源的利用效率

根据赤峰市的水资源开发利用规划，充分调研用水需求，调整相关产业的供水比例，制定科学节水规划，改变节水意识淡薄、灌溉工程失修，灌溉水利用率不高的现状。加大节水灌溉工程建设，大力发展滴灌，提高灌溉用水管理水平。建立蓄水调节池及人工水库，更好地储存利用矿坑水。目前矿区矿坑水综合利用工程已基本完成，建议有关部门加强管理，向各用水工程多方供水，实现矿坑水综合利用计划。制定合理的水资源税费政策，降低外输水资源税费，实现煤矿安全生产、水资源供需平衡及生态环境得到保护的均衡目标。

5 结论

元宝山露天煤矿因生产需求常年持续大量疏排地下水，由此引发了区域地下水水位下降，含水层结构破坏、地下水循环系统改变及疏干水资源得不到有效利用等问题。基于上述情况，本文提出针对南部采区闭坑回填，重新构建含水层和水循环系统。即按照区域地层岩性以及剥离顺序，优选排土场存贮的粗砂、细砂以及卵砾石，将其置于回填区域的中上部，最上部覆盖透水性稍差的杂填土；沿矿坑边坡在所有来水边界建造全封闭截水帷幕，改变传统的地下水控制方式，最大限度减少矿坑排水量，因地制宜实现松散层水侧向补给矿坑被拦截；同时提升疏排水资源的利用效率，即调整相关产业的供水比例，强化节水、蓄水力度，实现矿坑水综合利用，制定合理的水资源税费政策等措施，以期为区域水资源可持续利用提供技术参考。