露天礦山防排水工程技術措施淺析

劉俊龍

（陜西神延煤炭公司，陜西 榆林 719000）

水害作為露天礦主要災害之一，一直以來是阻礙露天礦安全生產的重大隱患之一，水害來源主要有大氣降水，地表水系，地下水三種途徑。在礦山生產過程中，涌水對邊坡穩(wěn)定、道路運輸、設備安全都構成重大安全隱患，同時對礦山安全生產標準化體系的建立構成重大障礙，嚴重影響生產效率。所以，合理有效的防治水工程成為了露天礦山高效接續(xù)發(fā)展的前提。

1 礦山簡介

1.1 概況

1.1.1 氣象條件

西灣露天礦位于陜西榆林地區(qū)，為產量10Mt/a的大型凹陷式露天礦，開采工藝為單斗-卡車間斷式工藝，煤層傾角＜1°，施工工序有鉆孔、爆破、采裝、運輸、排土，現(xiàn)開采工作面布置方向為東西走向，采剝臺階向北推進，南方為內排臺階。生產煤質為優(yōu)質長焰煤，硬度較大，需進行穿爆。當?shù)貙僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L氣候，其特點為：春季溫暖干燥，氣溫回升快，降水較少，多大風及風沙天氣，易起沙塵；夏季炎熱多雨，日溫差大，多雷陣雨及陣性大風天氣；秋季涼爽濕潤，氣溫下降快，10月份后降水量速減；冬季寒冷干燥，雨雪稀少，且封凍期較長。全年降水量分布極不均勻，雨季多集中在7月份～9月份，占年降水量的66%，尤以8月份最多，平均為132.5mm，并多以暴雨形式出現(xiàn)，易形成洪水、同時誘發(fā)各類地質災害。全年無霜期短，十月初上凍，次年四月解凍。據(jù)當?shù)貧庀笳径嗄暧^測資料，主要氣象參數(shù)為：

近年平均氣溫8.4℃。

多年平均降水量491.5mm（2008～2019）。

枯水年降水量363.9mm（2010）。

豐水年降水量743.2mm（2016）。

月最大降水量261.9mm（2016.7）。

1.1.2 水文條件

目前，該露天礦采坑的主要充水水源為：大氣降水、地表水及地下水，地下水主要為薩拉烏蘇組含水層、風化基巖含水層及燒變巖含水層。

（1）大氣降水。大氣降水是露天采坑的直接充水水源，礦內多年平均降水量為491.5mm，且多集中7月份～9月份，占全年降水量的66%，大氣降水是地下水及地表水的補給來源，目前，露天采場面積約為4.5km2。礦區(qū)內地表多被第四系松散沙層所覆蓋，十分有利于接受降水補給，故大氣降水屬區(qū)內間接充水水源。

（2）地表水。表水系主要有三條河流。其中一條屬對露天礦開采影響較大的地表水系，但該河流屬季節(jié)性河流，時有干涸現(xiàn)象，故在雨季該河將會是礦內主要的地表充水因素。

（3）地下水。根據(jù)首采區(qū)的水文地質條件，本區(qū)分布有三個主要含水層，由上至下分別是：第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層；侏羅系中統(tǒng)延安組風化基巖裂隙承壓水含水層；燒變巖孔洞裂隙潛水含水層。

①第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水：采區(qū)內西北部大面積分布，有利于接受大氣降水直接補給，且下部為巨厚紅土隔水層，是該沙層潛水富集的有利條件，是露天采坑的主要充水水源。②風化基巖裂隙水：采區(qū)內廣泛分布，風化基巖裂隙水是露天礦床的直接充水含水層。也是露天采坑的主要充水水源。③燒變巖孔洞裂隙潛水：露天礦東邊界以上部煤層自燃邊界為界，在自燃邊界以東，煤層已自燃。從而形成了孔洞裂隙發(fā)育的燒變巖儲水構造。由于煤層底板形態(tài)從自燃邊界向東呈升高趨勢，形成了以自燃邊界處最低的燒變巖儲水構造。

1.2 產生影響

影響該露天礦安全生產主要因素為為水患，對開采影響較大的含水層為薩拉烏蘇含水層、風化基巖裂隙含水層以及燒變巖孔洞裂隙含水層。具體表現(xiàn)為：一是采場北部土巖結合面在剝離上層保德組紅土層后，風化基巖裂隙承壓水上涌，其頂板大面積涌水，保德紅土被涌水浸潤后出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，致使工作面出現(xiàn)大面積積水、泥濘，并對巖石工作面穿孔、爆破、采裝、運輸作業(yè)效率及安全產生很大影響：二是東部端幫由于煤層自燃，形成了孔洞裂隙發(fā)育的燒變巖儲水構造，加之爆破震動、采動等的影響，燒變巖裂隙水向采場涌出，在煤層頂板工作面蔓延，（且煤層傾向為垂直臺階方向下傾，平行臺階方向有起伏），煤層的傾向及其頂板起伏致使東部端幫涌出水在煤層頂板工作面四處蔓延，給防排水工作帶來很大困難，并造成煤頂工作面穿孔、爆破、采裝工序實施困難，進度緩慢，作業(yè)安全系數(shù)降低：三是采場開采推進方向的地表水主要有河流經首采區(qū)，位于露天礦山的中部偏北，流量隨季節(jié)變化較大，區(qū)內流程約3km，大部分地表水下滲到地表潛水含水層；地表潛水主要為薩拉烏蘇組孔隙水，靜水儲量較大，補給來源主要為地表徑流和大氣降水為主，補給穩(wěn)定，最終滲入到采場，造成采場涌水量增大。四是隨著采場涌水量大，需在采場內設立多個蓄水池，且隨著采剝工程的推進，蓄水池需不斷的廢棄、重建，從而產生了大量的工程量。

2 技術措施

根據(jù)水害類別特點，總結經驗，確定采區(qū)防治水采取疏、截、堵、排四種措施，并進行綜合治理。

2.1 疏

根據(jù)本礦區(qū)水文地質資料，在采場外地下水富集區(qū)域設置疏干排水井，并配備抽排水系統(tǒng)以及疏干井水位自動檢測系統(tǒng)，對疏干孔內水位進行實時監(jiān)測，并進行自動報警、抽排水控制。如地下水量較大，也可在采場內部設置疏干排水井、集水井[1]，該類疏干井多為非永久性疏干井，隨著采剝工作面的推進，隨采隨建。

2.2 截

（1）防洪堤截水：在露天礦采場外圍設置防洪堤，露天礦運輸?shù)缆放c社會道路的交叉口設置土拱，截流、疏導汛期強降雨的大量雨水，防止采區(qū)外汛期雨水流入采場。

（2）運輸干線土擋截水：利用露天礦運輸干線連續(xù)穩(wěn)固的擋土墻截水，使汛期露天礦采場內匯水有效疏導，防止汛期雨水在采場內漫延。

（3）明渠截水：針對露天礦采場不同標高處的涌水點，可在其涌水處底板開挖明渠，將涌出水截止在臨時性蓄水池中，提前進行抽排。

2.3 堵

針對露天礦地下燒變巖積水以及地表河流補給的地下水，可采取預留安全煤柱的方式隔水，但是會造成煤炭資源損失；也可在采礦界處設置地下鉆孔注漿、隔水帷幕墻[2]等方式進行地下水封堵，阻止其向露天礦采場內涌水。目前，該項技術已在我國部分露天礦山得以應用，技術較為成熟，且效果顯著。

2.4 排

根據(jù)采場開采現(xiàn)狀以及計算出的排水量，采場排水系統(tǒng)[3]采用分區(qū)蓄水、階梯集中的方式排水，排水系統(tǒng)可根據(jù)排水量大小設置一個或多個排水泵站，并配置相應能力的排水泵，將采場內蓄水池積水抽排至采場外污水處理站或用于排土場復墾綠化灌溉。

2.5 具體措施

2.5.1 東端幫自燃邊界涌水治理措施

針對西灣露天礦東部端幫燒變巖積水的防治，其一是采用在東端幫預留100m安全煤柱的方式進行隔水，但是，此種方式會造成煤炭資源的浪費。在開采前期可暫時采取此種措施；其二是沿火燒區(qū)邊界實施東端幫涌水治理地下鉆孔注漿延伸工程，通過構筑地下帷幕墻，對地下水實施封“堵”，阻止其向露天礦東部端幫涌出（通過對已實施的200m地下帷幕注漿工程應用效果來看，堵水效果顯著）。開采初期通過預留煤柱的方式進行堵水，隨著開采進度的不斷向前推進，適時實施地下注漿堵水工程，取代預留煤柱，逐步回收煤柱資源。

2.5.2 工作幫土巖交界面涌水治理措施

根據(jù)目前巖層揭露情況，保德組紅土層底部有一層2m～5m半膠結狀態(tài)的鈣質結核含水層，特別是該層底部礫石層與風化裂隙承壓水連通，局部地段該層有含水現(xiàn)象，但保德組紅土總體是隔水層，針對保德組紅土層與風化巖接觸面大面積出水，導致保德紅土被涌水浸潤后泥化，嚴重影響鉆孔爆破及采裝施工的現(xiàn)象。根據(jù)西灣礦生產接續(xù)計劃，將超前實施疏干排水井工程，提前對地下水進行“疏”“排”，屆時將對疏干井水位進行適時監(jiān)控，及時進行抽排，進一步減少工作幫土巖交界面涌水對穿孔、爆破、采裝、運輸?shù)挠绊憽?/p>

2.5.3 地表水及地表潛水治理措施

采掘場排水系統(tǒng)按采剝排工程位置確定[4]，充分利用地形、工程位置和采掘推進階段的時空關系，建立采掘場和排土場防排水系統(tǒng)（坑底蓄水池，階梯蓄水池，水泵，移動式泵站[5]，排水管路），在采場最低標高處（煤層底板）設置一個或多個蓄水池，通過開挖明渠、盲溝等措施，收集匯聚采場內大氣降水及地表水，蓄水池內設置排水泵，采場內布置排水管路，全天候對采場內積水進行抽排，并實時進行防排水系統(tǒng)檢查、維護，檢查防排水設施的完整性和可用性[6]，保證排水系統(tǒng)的正常運行。

2.5.4 采場外部水源防治措施

（1）采場北部防洪堤。結合露天采礦設計，雨季來臨之前在采區(qū)北側（推進方向）距離采場地表境界不小于50m處修建防洪堤，“截”流露天礦采場外部匯水，以防止其發(fā)生洪水時從北部進入采場內。隨著采場不斷向前推進，防排水溝需繼續(xù)北移[7]。

（2）采場東、西部防洪堤。采場東西部外部匯水控制可有效利用現(xiàn)有端幫運輸路線路安全擋墻作為防洪堤，運輸路線（原始地表覆紅土）外加安全擋墻高出原始地表2.5m。在雨季來臨前只需在路口處利用露天礦剝離土巖設置臨時防洪堤攔截[8]，攔“截”東、西部洪水進入采場內。

（3）采場南段防洪堤。南段防洪則沿用排土場自然擋墻作為地表防洪堤，局部低洼地段做加高、修補，保證擋墻的連續(xù)性、完整性，以防止發(fā)生洪水時從南部進入采場內。南部外排土場采用內部消化和縱向導水溝方式將多余的水通過導水溝導入排水溝渠，排出區(qū)外。

3 結語

露天礦防排水工程旨在“防”和“排”，“防”是一項在空間上超前于礦山生產的工程，屬于一種事前預防措施，在礦山采剝工程前，對大氣降水、地下及地表水進行治理，防止其涌入采場；“排”是對已涌入采場水進行的疏導、匯集和抽排的工程，是事后采取的一種措施。現(xiàn)實中，單純的防或者排，均不能完全消除采場水患，所以大部分露天礦防排水工程采用的是防排結合的方式。

綜上所述，針對露天礦山防排水工程的“疏”、“截”、“堵”、“排”措施的綜合運用，可有效治理水患，為露天礦的安全、高效開采提供堅強保障。