生态脆弱露天矿区截水帷幕下松散层水位演化规律

王 海，王永刚，张 雁，孙 浩，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；3.内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司，内蒙古 赤峰 024050)

我国吨煤开采产生矿井水为1.87 m3，每年产生矿井水约6.88×109m3[1]。因此，矿井排水对矿区水资源和生态环境具有极为不利的影响，尤其是对于生态环境脆弱的露天矿区。蒙东地区气候干旱，降水量少，水资源匮乏，生态环境脆弱，煤炭高强度开采引起地下水系统的补、径、排条件发生剧烈变化，产生松散层水位大幅下降、地表河流量衰减、生态环境破坏等一系列难题[2-4]。由于本区域的露天矿生态阈值较低，抗扰动能力差，传统的疏排水方式将大范围和大幅度地疏降地下水，导致大面积的乔、灌、草等植被衰败减少，草场退化，加速了荒漠化进程[2-3]。为有效减少矿坑疏排水量，抑制生态脆弱露天矿区松散层水位急剧下降的趋势，保护露天矿区并不丰富的地下水资源，防止因缺水而导致生态环境进一步恶化[5-6]，近年来，帷幕截水技术被引入到露天矿防治水工作中，通过截水帷幕优化、转变露天矿地下水控制方式，阻断矿坑和周边区域松散层含水层水力联系，保护第四系松散层水资源，减少露天矿开采活动对区域水环境影响，保障矿山的安全生产[7-8]。

截水帷幕在内蒙古扎尼河和元宝山露天煤矿取得良好的应用效果，降低了矿坑疏干水量，减少了第四系松散层水对矿坑的补给，帷幕内外侧水位也发生相应的变化[9-10]。但生态脆弱露天矿区截水帷幕下松散层水位的演化特征和变化规律尚不清晰，且相关研究文献极少。基于此，笔者以内蒙古扎尼河和元宝山露天煤矿实施的2 个截水帷幕为研究对象，分析松散层水位演化规律，以期为生态脆弱区矿山水资源保护提供参考。

1 我国生态脆弱矿区露天开采对地下水位影响

1.1 条件概况

我国西部富煤缺水区约占国土总面积的 46.1%，该地区大部分处于缺水带、少水带和过渡带，淡水资源仅占我国的10.2%[11]。生态脆弱露天矿区地层结构如图1 所示，煤层上方为粉砂质泥岩和炭质泥岩隔水层、黏土隔水层，含水层为砂卵石松散层。露天矿区煤炭开采导致砂卵石松散层水源源不断补给矿坑。

图1 生态脆弱区露天煤矿地层Fig.1 Strata of open-pit mining area in ecologically fragile areas

蒙东矿区位于内蒙古东部，属干旱半干旱气候，年降水量小于400 mm，生态环境极其脆弱，元宝山、伊敏、大雁、霍林河等内蒙古东部煤田的开发形成了多个大型露天矿区[12-14]。蒙东矿区第四系松散含水层为砂卵石层，渗透性好，粒径1～10 cm，次圆状，分选好，含少量细砂，渗透系数为80～700 m/d，水位埋藏较浅，一般在0～16 m，大多接受地表河流补给[12]，是区域内各露天矿生产过程中疏排水的主要补给水源。

1.2 地下水控制方法

如图2 所示，露天煤矿开采煤层埋藏浅，充水水源固定，主要采用疏排水方法进行矿坑水疏降或疏干，具体方式有第四系疏干孔、煤层疏干孔、泄水巷、强排孔、地面截水沟等[7]。

图2 露天煤矿地下水控制方式[7]Fig.2 Groundwater control methods in open-pit coal mines[7]

采用预先疏干方式降低地下水位时，应根据采剥推进和开拓阶段强度要求，结合水文地质条件，确定预先疏干时间和水位的降低深度。

采用地面垂直降水孔法的第四系和煤层疏干孔适用于渗透系数大于2 m/d 的含水层；采用水平放水孔法的第四系和煤层疏干孔适用于地下水补给条件较差、降低露天煤矿边坡地下水压或排放含水层残余水的条件；明沟和暗沟等地面截水沟法适用于水文地质条件简单、埋深较浅、厚度较小且产状较稳定的松散含水层；泄水巷自流排水适用于水文地质条件复杂、水力联系小的多含水层，或含水层厚度、水压及透水性变化较大、埋藏较深且不适用降水孔疏干的情况[15]。

例如，元宝山露天煤矿采用以“群井疏干为主、坑下明排为辅、基岩疏干巷道为补充”的联合疏干系统以及地面防排水系统。群井疏干系统采用环形加线形的布设方式，目的在于将地下水疏降工作超前采掘进度，保证生产正常进行和可持续发展。集水坑相当于一个大口径的集中疏干井，并以排水沟作为扩大影响范围的一种方法解决大气降水、采场残余水，同时起到预先疏干降水的作用。泄水巷道位于煤层顶界面下方2～3 m 的煤层中，坡度5°，下部近剥蚀区处落平，形成主水仓，在主水仓上部施工排水井。通过多种地下水控制方法，将露天煤矿地下水位控制在采掘工作面以下，保证安全、高效采掘。

1.3 露天开采对松散层水位影响

露天开采总体上引起矿区周边地下水位下降，本文以蒙东地区伊敏、东明和元宝山露天煤矿为例，分析露天开采对松散层水位的影响。

伊敏露天煤矿疏干导致矿坑及周围地下水位持续下降，水位埋深由0～16 m 大幅下降至 0～112 m，湖泊总面积由采动前的6.94 km2缩小为1.12 km2，面积减少率达84%，井田范围内所有湖泊、泉水全部干涸，湿地消失[12-13]。东明露天煤矿疏排水量1.493×105m3/d，疏干了矿坑周边大范围松散层水，中心水位下降幅度在100 m 以上[5]。元宝山露天煤矿早期疏干水量约4.676×105m3/d，目前疏干水量1.8×105m3/d 左右，地下水位最大降深49 m。

蒙东矿区具有特殊的自然、生态和地质环境，煤层采动过程改变了含水层的赋存状态，地下水赋存、补给、循环模式发生改变，松散层水位下降，湿生植被向旱生植被演变，加剧土壤盐渍化和荒漠化问题，严重影响生态环境质量[11]。

2 截水帷幕对露天矿区松散层水位影响

截水帷幕有别于现有的露天矿区疏降或疏干方法，可保护矿区松散层水资源，恢复矿区周边松散层地下水位。

通过探明煤矿区水文地质工程地质条件，厘清矿坑水的补给水源和补给通道，确定适宜的截水帷幕路线和墙体空间结构，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及其配套防渗材料，通过构筑连续的帷幕墙体拦截松散层水侧向补给矿坑。

2.1 理论计算

如图3 所示，将第四系疏干孔、煤层疏干孔、泄水巷、强排孔、地面截水沟等矿坑水疏降或疏干控制矿区地下水方式改变为截水帷幕方式，将松散层水与矿坑隔离，仅有少量松散层水经过截水帷幕渗透进入矿区。截水帷幕外侧松散层水位逐渐抬升、恢复，而截水帷幕内侧水位迅速下降。

图3 截水帷幕作用下松散层水位Fig.3 Water level of the unconsolidated strata under the condition of water cutoff curtain

将图3 简化为图4 所示的截水帷幕内外侧松散层水位计算模型。

图4 截水帷幕内外松散层水位计算简化模型Fig.4 Simplified model for calculating water level of loose layer inside and outside the water cutoff curtain

对于帷幕外侧的松散层，单宽流量q为：

式中：K1为截水帷幕外侧含水层的渗透系数；h1为距离帷幕外侧L1处松散层水位；h2为帷幕外侧松散层水位；L1为水位h1、h2之间的距离。

将式(1)转化为：

通过式(2)可推算出距离帷幕外侧L1处的松散层水位。

同理，对于截水帷幕，单宽流量q为：

式中：K2为截水帷幕的渗透系数；h3为帷幕内侧松散层水位；D为截水帷幕的厚度。

将式(3)转化为：

同理，对于帷幕内侧的松散层，单宽流量q为：

式中：K3为截水帷幕内侧含水层的渗透系数；h4为距离帷幕内侧L2处松散层水位；L2为水位h3、h4之间的距离。

将式(5)转化为：

当截水帷幕内外侧地层渗透系数一致时，即K1=K3，则式(6)变为：

当q、K1、K2、K3、D、L1、L2、h2(或h3)值已知时，可得出截水帷幕内外侧不同位置的松散层水位。

假定截水帷幕内外侧松散层渗透系数相同，即K1=K3，帷幕渗透系数K2为松散层渗透系数K1的0.45%，帷幕截水效率为80%，采用定水头补给方式，分别应用式(1)-式(7)计算截水帷幕作用下的不同位置松散层水位，得到如图5 所示的计算结果。无截水帷幕条件下，松散层水位随着与定水头补给源的距离增大而不断降低；有截水帷幕时，帷幕外侧水位抬升明显，而帷幕内侧水位急剧降低，帷幕内外水位差极大，充分体现了截水帷幕的正向作用。

图5 有无截水帷幕下松散层水位变化的计算结果Fig.5 Calculation results of water level changes of the unconsolidated strata with or without the water cutoff curtain

2.2 物理模拟分析

2.2.1 物理模型

根据露天煤矿水文地质条件建立如图6 所示的松散层截水帷幕模型，在松散层模型中增加不同长度的垂向隔水板模拟不同圈闭范围的截水帷幕，记录帷幕两侧水位变化数据，分析帷幕构筑前后第四系松散层水位变化规律。

图6 松散层截水帷幕模型纵向剖面Fig.6 Longitudinal profile of the water cutoff curtain model in the unconsolidated strata

松散层截水帷幕模型由3 部分组成，分别为水源仓、渗流仓和排泄仓。模型尺寸为3 000 mm(长)×1 500 mm(宽)×600 mm(高)，其中水源仓与排泄仓长度均为300 mm，渗流仓长度为2 400 mm。水源仓用于模拟流场补给源并保持稳定水头。靠近渗流仓的一侧布置渗流孔，通过渗流孔向渗流仓渗水，外侧垂向布置溢出孔保持稳定水位。供水水源采用饮用水，使用流量表监测补给流量[16]。

如图7 所示，渗流仓模拟截水帷幕下松散层水渗流过程，渗流仓中充填渗透材料，底部安设水位观测孔，通过玻璃管连接至渗流仓外壁进行水位观测，渗流仓中部采用不透水拼接挡板模拟截水帷幕，通过改变挡板的长度，模拟不同过水断面的渗流过程，挡板底部与渗流仓底部接触部位进行隔水处理[16]。排泄仓收集渗流水，在排泄仓底部布置渗流水收集孔，将渗流水引至储水容器并进行渗流量观测。

图7 松散层截水帷幕试验模型Fig.7 Test model of the water cutoff curtain in the unconsolidated strata

2.2.2 水位模拟结果

如图8 所示，假设截水帷幕总长度为L，通过图7所示的松散层截水帷幕试验模型，模拟帷幕长度为0、0.38L、0.51L、0.65L、0.79L、0.86L、0.93L和1.00L等不同条件下的帷幕内外侧松散层水位变化过程。截水帷幕位于1 200 mm 位置处，从位于0 mm 位置的水源仓进水开始直至流场稳定，水源仓初始水位为500 mm，观测整个流场变化过程，2 400 mm 位置留设排泄仓。

图8 不同类型截水帷幕作用下的松散层水位变化Fig.8 Changes of water level of the unconsolidated strata under different water cutoff curtain conditions

由图8 可知，无帷幕时，松散层水位连续变化，从水源仓至排泄仓范围的松散层水位逐渐降低，水位由500 mm 降至87 mm，截水帷幕位置无明显水位差。帷幕长度0.38L时，截水帷幕外侧松散层水位由221 mm抬升至223 mm，而截水帷幕内侧松散层水位由209 mm下降至206 mm，截水帷幕位置松散层水位差略有显现。帷幕长度0.65L时，截水帷幕外侧松散层水位进一步抬升至230 mm，外侧松散层水位得到一定保护，而帷幕内侧松散层水位降至195 mm，下降明显，帷幕所在位置的松散层水位差为35 mm。帷幕长度0.93L时，截水帷幕外侧松散层水位抬升至258 mm，帷幕外侧松散层水位得到较好保护，而帷幕内侧松散层水位下降至143 mm，帷幕所在位置的松散层水位差较大。当截水帷幕形成圈闭时，即帷幕长度1.00L时，帷幕外侧松散层水位迅速抬升至462 mm，与水源仓水位基本持平，外侧松散层水位得到有效保护，帷幕内侧松散层水位下降至17.6 mm，帷幕所在位置的松散层水位差巨大。

由图5 和图8 截水帷幕下松散层水位变化理论计算和物理模拟结果可见，理论计算结果和物理模拟结果的规律一致，距离截水帷幕较远的松散层水位变化速率为0.01～0.03 mm/mm，较为稳定，靠近截水帷幕的松散层水位变化相对剧烈。渗流仓末端松散层稳定水位随着截水帷幕长度的减少呈逐渐抬升趋势，靠近截水帷幕的松散层水位变化幅度比远离截水帷幕的水位变化幅度剧烈。受截水帷幕影响，在帷幕靠近水源仓一侧会形成高水位区，在帷幕靠近排泄仓一侧会形成低水位区，且随着帷幕长度减小，高(低)水位区域逐渐减小，且水位差在逐渐降低[17-19]。

3 典型矿区截水帷幕作用下松散层水位演化规律

截水帷幕作用下典型矿区松散层水位演化规律分析选择蒙东地区的扎尼河和元宝山露天煤矿为研究对象，分别阐述矿区和截水帷幕概况，分析帷幕截水效果以及松散层水位演化特征。

3.1 扎尼河露天煤矿

3.1.1 截水帷幕概况

扎尼河露天煤矿砂卵石层渗透性好，渗透系数达80～180 m/d，矿坑疏排降水破坏周边草原生态环境、造成水资源浪费。为减少露天煤矿矿坑疏排水量、保护草原水资源和生态环境，采用截水帷幕替代传统的露天煤矿疏排降水方式[6-7,16]。如图9 所示，扎尼河露天煤矿截水帷幕分别应用了防渗膜、抗渗混凝土地下连续墙、超高压角域变速射流注浆、钻孔咬合桩等工艺，形成了“顶不越、底不漏、两端不绕、接头不渗”的5 815 m松散层地下截水帷幕[7]。

3.1.2 松散层水位演化规律

如图9 所示，在扎尼河露天煤矿截水帷幕内侧布设5 个松散层水位观测孔，编号为K1-K5，在帷幕外侧布设4 个松散层水位观测孔，编号K6-K9。扎尼河露天煤矿截水帷幕工程自2018 年7 月开工，如图10所示，截水帷幕外侧K6-K9 孔处松散层初始水位高程分别为617.95、618.68、618.41、617.86 m，帷幕内侧松散层水位观测孔K1-K5 的水位分别为618.39、618.06、616.02 和617.80 m。

图9 扎尼河露天煤矿截水帷幕及水位观测孔平面分布Fig.9 Schematic plan of the water cutoff curtain at Zanihe open-pit coal mine

由图10 和表1 可知，随着扎尼河露天煤矿截水帷幕完成比例的增加，帷幕外侧松散层水位逐步抬升，而帷幕内侧松散层水位不断下降。帷幕工程完成100%时，K6—K9 孔水位分别变化了2.55、1.93、3.16、3.13 m，K1—K5 孔的水位分别变化了-6.55、-3.49、-4.02、-5.51 和-6.53 m。在帷幕完成后，帷幕外侧松散层水位仍在抬升，内侧水位将进一步降低，帷幕内外侧水头差增大。

图10 扎尼河露天煤矿松散层水位变化Fig.10 Changes of water level of the unconsolidated strata inside and outside the curtain at Zanihe open-pit coal mine

表1 扎尼河露天煤矿松散层水位变化规律Table 1 Changes of water level of the unconsolidated strata inside and outside the curtain at Zanihe open-pit coal mine

3.2 元宝山露天煤矿

3.2.1 截水帷幕概况

元宝山露天煤矿矿坑主要充水水源为第四系松散层水，占矿坑疏排水量95%左右，地层主要为圆砾夹砂、卵石层、黄土及风化砂岩、泥岩，圆砾石粒径为50～150 mm，渗透系数17～700 m/d。历史上矿坑的疏排水量每天达数十万立方米，疏排水量以第四系松散含水层的静储量为主，动态补给量为辅。随着静储量的持续疏放，动态补给量占比逐年增大，矿坑疏排水量呈逐年下降并渐趋稳定。

为减少矿坑疏排水量，拟沿现有矿坑一级边坡平台建造矿坑边界全封闭截水帷幕，在所有来水边界进行截水，可最大程度减少矿坑疏排水量。如图11 所示，先期在矿坑南侧开展长度1 369 m 的帷幕试验工程，深度16～43 m。

3.2.2 松散层水位演化规律

如图11 所示，在元宝山露天煤矿截水帷幕试验工程外侧布设4 个松散层水位观测孔，编号Z1-Z4，在帷幕内侧布设2 个松散层水位观测孔，分别为Z5、Z6。随着截水帷幕长度的增加，帷幕外侧松散层水位不断抬升，而帷幕内侧水位逐渐降低，帷幕内外侧水位变幅与帷幕完成率呈正相关关系(图12)。

图11 元宝山露天煤矿截水帷幕及水位观测孔平面布置Fig.11 Arrangement plan of the water cutoff curtain at Yuanbaoshan open-pit coal mine

图12 元宝山露天煤矿帷幕内外侧松散层水位变化Fig.12 Changes of water level of the unconsolidated strata inside and outside the curtain at Yuanbaoshan open-pit coal mine

由表2 可知，元宝山露天煤矿截水帷幕试验工程完成7 d 时，帷幕外侧松散层水位观测孔Z1-Z4 的水位分别较原水位升高9.12、6.48、8.18 和5.55 m；帷幕内侧松散层水位观测孔Z5、Z6 的水位分别较原水位降低3.15、5.82 m。

表2 元宝山露天矿松散层水位变化规律Table 2 Changes of water level of the unconsolidated strata inside and outside the curtain at Yuanbaoshan open-pit coal mine

4 结 论

a.我国蒙东地区生态环境脆弱，水资源匮乏，露天开采引起地下水系统的补、径、排条件发生剧烈变化，导致松散层水位大幅度下降、地表生态环境破坏。截水帷幕改变了传统的地下水控制方式，可减少矿坑疏排水量，抑制煤矿区松散层水位急剧下降的趋势，保护煤矿区松散层地下水资源。

b.理论计算、物理模拟结果与扎尼河和元宝山露天煤矿截水帷幕现场监测结果一致，截水帷幕阻隔内外侧松散层水力联系，靠近排泄一侧形成低水位区，帷幕内侧水位逐渐降低；在帷幕靠近水源一侧形成高水位区，帷幕外侧水位不断抬升，且帷幕内外侧松散层水位差与截水帷幕完成率呈正相关关系；当帷幕完成后，帷幕外侧水位仍在抬升，内侧水位进一步降低，帷幕内外侧水位差增大。

c.截水帷幕内外侧松散层水位解析计算和物理模拟可分析简单地质条件的松散层水位变化特征，指导截水帷幕位置的选择和松散层水位保护区域的确定，下一步将进一步开展复杂地质条件下松散层水位计算与模拟研究。