內蒙古元寶山露天煤礦地下水資源開發利用問題及對策研究

馮建平　許蕊　盧昕暉

［關鍵詞］地下水；煤礦；開發利用；對策研究

內蒙古自治區元寶山露天煤礦是我國重要的能源基地，礦區開采煤層埋藏淺，充水水源固定，天然條件下，較好的富水條件和補給條件使礦山開采需要進行大規模的疏干排水才能保證安全生產。元寶山露天煤礦多年以來采用聯合疏干方式疏干地下水，即群井疏干為主，坑下明排為輔，基巖疏干巷道為補充[1]，并取得良好效果，也為該地區提供了大量可利用的疏干水資源，但因疏排水量大，露天礦生態閾值低，導致該區域地下水水位下降嚴重，已形成較大范圍的地下水位降落漏斗[2]，含水層結構遭到破壞、地下水循環系統發生改變，對水資源的可持續利用，區內生態環境及居民的生產、生活造成了不良影響。

1 礦區概況

元寶山露天煤礦位于老哈河和英金河匯合前河谷平原地帶，英金河將礦區分為東北、西南兩個采區，老哈河于礦區東南部3 km處通過[3]（圖1）。距中心城區約40 km，行政區劃屬于赤峰市元寶山區元寶山鎮所轄。露天采區面積約為12 km²，目前核定生產能力為1200×10⁴t/a。元寶山區地處中緯度，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，冬季寒冷、夏季炎熱、春秋兩季多風。礦區風向以西南、西北為主，最大風速33.3 m/s。歷史最高氣溫42.5℃，最低氣溫-31.4℃；年最大降雨量為560.8 mm，最小降雨量為208.1 mm；年最大蒸發量為2315.3 mm，最小蒸發量為1311.6 mm；凍結期一般以每年十一月末至翌年四月末，最大凍結深度2.01 m。礦區地形為第三系玄武巖臺地，地表標高為472～490 m。在礦區開發歷史上，區域整體地形地貌未發生變化，僅在露天礦采場區形成局地凹陷，在排土場區形成凸起丘陵。元寶山露天礦區地下水主要在第四系含水層中，以現代沖積洪積及冰水堆積物為主，由圓礫、卵石、粉細砂及泥礫組成，厚度15～85 m，一般55 m，西薄東厚，南薄北厚，分布全區[4]。松散巖類孔隙潛水為礦區主要地下水類型，以上游地下水的徑流補給、英金河河水以及大氣降水的滲入補給為主，周圍基巖裂隙水的側向補給為輔。礦區第四系松散堆積物具有孔隙較多，厚度大，聯通性較好的特點，因此為地下水的賦存及運移提供了良好條件，也為地下水賦存提供了較大空間。

2 礦區水資源開發利用情況

元寶山露天煤礦水文地質條件復雜，地下水含量較豐富。為保證煤礦安全生產，就必須對地下水進行疏干，疏干排水工作也成為元寶山露天煤礦必不可少的一個生產輔助環節。第四系含水層疏干排水始于1990年，疏干排水可分為預先疏干和平行疏干兩個階段。目前，已經形成了完善的“群井疏干為主、坑下明排為輔、基巖疏干巷道為補充”的聯合疏干系統。礦區先后投入疏干井145口，2011年后地下水資源儲存量已基本疏干，目前疏干水量主要受降水量、側向徑流補給量和河道滲漏補給量的影響，整體進入穩定疏干狀態，煤礦早期疏干水量為4.7×105 m³/d左右[5]，目前疏干水量約為1.8×105 m³/d，地下水位最大降深約為49 m，地下水位降幅趨緩。元寶山露天煤礦疏干水資源量主要用于元寶山露天煤礦自用供水、赤峰市資源型城市經濟開發區供水、元寶山電廠供水及英金河生態供水。

3 礦區水資源開發利用存在的問題

3.1 礦區地下水流場及水位動態變化

在露天礦未疏干之前，地下水基本保持自然流場狀態，即由基巖山區以地下潛流的方式流向河谷區，最終排出區外。疏干后，大氣降水、地下徑流、農田回滲及基巖側向補給沒有發生變化。英金河和老哈河滲漏量增加，接受地下水補給段延長[6]。露天礦長時間、大強度疏干以后，地下水流場發生了顯著變化，即以露天采場為中心，周圍地下水向露天采場內匯集。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徑流。這種水循環特點是補給期短，消耗期長，逐步形成以采區為中心的地下水降落漏斗。2006～2015年降落漏斗呈逐年縮小的趨勢，主要是由于在礦區四周逐步采用了排水明溝進行疏干排水，控制了水頭落差，流場坡度變緩，漏斗呈縮小形態。同時，元寶山電廠漏斗消失，也是因為該水源停采所致。2018年漏斗出現向北遷移現象，推測是由于露天采場南側開采到界，開始向北實施開采及英金河河道襯砌減少補給所致。元寶山露天煤礦疏干區外圍布設有地下水監測井，疏干區北部525號井水位長期監測數據顯示，1998至今該地段淺層地下水水位呈現持續下降趨勢，下降幅度為11.21 m，下降速率為0.623 m/a，水位持續下降的原因主要受元寶山露天煤礦疏干排水影響。

3.2 含水層結構破壞及水循環系統改變的問題

露天采礦生產剝離上覆地層，就會造成區域含水層結構破壞和水循環系統的改變，閉坑后的治理工程無法恢復原有狀態，是不可逆的改變。隨之而來的是區域地下水水位下降，地表水體漏失，礦區周邊主要含水層呈現疏干狀態，另外可能出現不透水邊界向透水邊界轉化、排泄區向補給區轉化、地下分水嶺偏移等水循環條件改變等現象。

元寶山露天礦煤層埋藏于第四系地層以下，為了滿足開采需求，常年進行地下水疏干，地下水疏干量國內外罕見。礦區及周邊地下水已被疏干，附近地下水位大面積、大幅度下降。部分礦區分布在河谷平原與山間谷地（溝谷），使當地主要供水目的層受到影響，由于疏干區的水位降落漏斗遠大于其開采面積，致使疏干區范圍內的井泉出水量變小甚至枯竭。該水量在初期較大，然后隨著時間的延長，排水量逐漸趨于相對穩定，它與地形、構造、降水量、煤層埋藏深度及采煤方法等因素有關，該排水量為變量，閉礦后地下水位會逐漸上升，如果礦坑填埋時合理地對含水層進行重新構建，區域水資源可形成新的良好的動態平衡。

3.3 疏干水資源利用過程中存在的問題

粗放地開發利用露天礦疏干水資源，導致大量水質優良的疏干水得不到有效利用，需要進行深度優化。造成這一情況的主要原因，首先是水資源稅費的設定不盡合理，根據《內蒙古自治區水資源稅改革試點實施辦法》（內政發〔2017〕157號）相關水資源稅繳納標準要求，回收利用（含回灌）繳納標準為2元/m³，生態用水繳納標準為5元/ m³。補充規定對水資源回收利用范圍進行了界定，明確了“回收利用（含回灌），僅指疏干排水單位和個人內部回收利用（含回灌）疏干排水的行為”。這一稅費政策會導致企業為避免繳納更高檔次的水資源稅而盡量減少向外輸運疏干水，選擇最大程度的內部消耗使用疏干水資源，這與區域水資源緊缺和高效利用水資源的目標相背離。此外，疏干水供給農業灌溉，因節水意識淡薄、灌溉工程失修，節水灌溉工程落后等原因，存在灌溉利用率不高的現象。

4 礦區水資源合理開發利用的對策研究

4.1 含水層和水循環系統的重新構建

含水層的重新構建需要充分利用現有礦區的土石材料。針對南部采區閉坑回填，按照區域地層巖性以及剝離順序，優選排土場存貯的粗砂、細砂以及卵礫石，將其置于回填區域的中上部，這部分巖土層是未來主要的含（透）水層，可以與周邊建立水力聯系，最上部覆蓋透水性稍差的雜填土，按照這樣的程序進行元寶山露天礦的回填可以重新構建一套區域水循環系統。

4.2 建造礦區截水帷幕

構建元寶山露天礦區截水帷幕，恢復周邊松散層地下水水位，保護水資源。沿礦坑邊坡在所有來水邊界建造全封閉截水帷幕，改變傳統的地下水控制方式，最大限度減少礦坑排水量。建造過程中確保截水帷幕底部進入穩定隔水層，頂部高于歷史水位，因地制宜實現松散層水側向補給礦坑被攔截。

4.3 提升疏排水資源的利用效率

根據赤峰市的水資源開發利用規劃，充分調研用水需求，調整相關產業的供水比例，制定科學節水規劃，改變節水意識淡薄、灌溉工程失修，灌溉水利用率不高的現狀。加大節水灌溉工程建設，大力發展滴灌，提高灌溉用水管理水平。建立蓄水調節池及人工水庫，更好地儲存利用礦坑水。目前礦區礦坑水綜合利用工程已基本完成，建議有關部門加強管理，向各用水工程多方供水，實現礦坑水綜合利用計劃。制定合理的水資源稅費政策，降低外輸水資源稅費，實現煤礦安全生產、水資源供需平衡及生態環境得到保護的均衡目標。

5 結論

元寶山露天煤礦因生產需求常年持續大量疏排地下水，由此引發了區域地下水水位下降，含水層結構破壞、地下水循環系統改變及疏干水資源得不到有效利用等問題?；谏鲜銮闆r，本文提出針對南部采區閉坑回填，重新構建含水層和水循環系統。即按照區域地層巖性以及剝離順序，優選排土場存貯的粗砂、細砂以及卵礫石，將其置于回填區域的中上部，最上部覆蓋透水性稍差的雜填土；沿礦坑邊坡在所有來水邊界建造全封閉截水帷幕，改變傳統的地下水控制方式，最大限度減少礦坑排水量，因地制宜實現松散層水側向補給礦坑被攔截；同時提升疏排水資源的利用效率，即調整相關產業的供水比例，強化節水、蓄水力度，實現礦坑水綜合利用，制定合理的水資源稅費政策等措施，以期為區域水資源可持續利用提供技術參考。