浅述目前露天矿面临的水害问题

浅述目前露天矿面临的水害问题
摘要: 跟随“扬帆煤海•逐梦天山”发展成就观察团参观露天煤矿，露天开
采是我国煤矿开采的两大方式之一。

与地下开采煤矿类似，露天煤矿在开采过程
中同样面临防治水问题，由于我国露天煤矿水害类型相对单一，国内学者鲜有对
露天煤矿的水害特征和防治水技术进行深入研究。

以我国露天煤矿分布范围为出
发点，从充水水源、充水通道、充水强度 3 方面分析露天煤矿水害特征，得出
大气降水、地表水和浅层地下水是主要充水水源；人为开挖形成的直通式通道、
强渗透含水层或透水层、垂向导水钻孔、滑坡形成的地表裂缝等是主要充水通道；季节性变化明显、疏排水周期长、排水量大是露天煤矿疏排水主要水害特征的结论。

关键词：露天煤矿；水害特征；防治技术；疏排水；帷幕截流
露天开采是我国煤矿开采的两大方式之一，自1914年我国第一个露天煤矿
抚顺古城子露天煤矿生产至今，已有百年历史。

在此期间，我国露天煤矿的发展
经历了初步发展(1950—1980 年)、加速发展(1980—2000 年)和创新发展(2000
年后)3 个阶段。

露天煤矿开采产量在煤炭总产量中的比例呈逐年增加趋势，目
前约占总产量的 15%[1-2]。

露天煤矿生产过程中同样面临防治水问题。

然而，
由于我国露天煤矿水害类型相对单一，国内学者鲜有对露天煤矿的水害特征和防
治水技术进行深入研究[3-4]。

露天煤矿在剥离、开采过程中，地表水、大气降
水等主要充水水源易通过各类通道向矿坑中心汇集，为实现煤层安全开采，需要
将采坑地下水位控制在剥采标高以下。

长久以来，我国露天煤矿地下水控制方式
粗犷单一，为通过抽水井或利用集水坑进行排水，这种方式对地表和地下水的资
源及水质造成浪费和破坏，影响煤矿周边生态环境[5-7]。

2010 年以后，露天煤
矿生产开始注重环境影响，疏排的矿坑水也逐渐得到充分利用，露天煤矿开始向
科学采矿和绿色矿山转型。

然而，由于生产规模不断扩大，矿坑疏排水量依然很大，个别露天煤矿单日疏排水量达数十万立方，多个露天煤矿因疏排水量巨大造
成生产成本增加、环保风险加大等问题，尤其近年来国家对生态文明建设提出新
的要求，许多地区要求实现矿坑水零排放，这对露天煤矿生产是个全新挑战。

因此，如何优化、转变露天煤矿地下水控制方式是露天煤矿防治水工作面临的新课题。

论文从分析露天煤矿水害特征入手，归纳总结了目前露天煤矿常用的防治水
技术，从露天煤矿绿色和可持续发展角度出发，提出以拦截露天坑外围动态补给量、减少矿坑疏排水量为目的的帷幕截流技术。

1 我国露天煤矿分布范围
从地域上分析，我国适合于露天开发的煤炭资源主要分布在新疆、内蒙古、
山西、云南、陕西、辽宁、宁夏、青海、黑龙江、吉林、河南、河北、广西等
13 个省(自治区)[8-10]，其中内蒙古、山西、新疆、云南为我国露天煤炭资源
分布的集中区域[2-4]。

从已有普查、预测储量资料中了解，内蒙古准格尔矿区、宝日希勒矿区、伊敏矿区、霍林河矿区、白音华矿区、胜利矿区；山西平朔矿区；新疆大南湖矿区、沙尔湖矿区、五彩湾矿区、大井矿区、西黑山矿区；云南小龙
潭矿区均存在大量适宜于露天开采的煤田。

2 露天煤矿水害特征
借助地下开采煤矿常用的充水 3 要素(充水水源、充水通道和充水强度)概
念分析露天煤矿的水害特征。

2.1 充水水源
采用露采工艺开采的煤矿，煤层埋藏深度普遍在 300 m 以浅，这种本质特
征决定了其充水水源较为固定，即以大气降水和地表水体为主，地下水为辅。

1.大气降水大气降水是主要的充水水源，包括雨季降水和冬季降雪。

露天矿开挖范围
大，接受补给与汇水面积广，且矿坑剥采中心标高最低，因此，接受大气降水(积雪
融水)补给后，快速汇集流向矿坑；其次，煤层上覆第四系松散层渗透系数大，渗透
能力强，也是大气降水快速入渗补给的有利条件。

据内蒙古呼伦贝尔地区多个露天煤
矿的统计数据，雨季与非雨季地下水位的变化幅度为 1.0~1.5 m[11]；降水后地下水位
响应迅速，说明大气降水对露天煤矿充水影响十分显著。

另外，大气降水也是地表水
体和浅层含水层的补给水源。

1.地表水体地表水体主要指河流、湖泊等一些相对稳定的补给水体，这些水体对露天
煤矿的补给方式为侧向渗透补给，尤其在矿坑持续疏排水的影响下，降落漏斗不断扩
大，使地表水体与矿坑之间的水力梯度增大，形成地表水体对矿坑的稳定补给。

侧向
渗透补给强度和地表水体的规模、地表水体与矿坑之间地层的渗透能力、水力梯度等
参数有关。

2.地下水
地下水主要接受大气降水和地表水体补给，在露天煤矿开采过程中，沿露天
矿边坡和围岩渗出并向矿坑汇集，恶化开采环境，但不会对生产造成威胁。

综合
对比来看，大气降水的补给具有季节性，而地表水体补给相对稳定，二者均为露
天煤矿主要充水水源，地下水是次要充水水源。

2.2 充水通道
充水水源很大程度上决定了充水通道。

露天煤矿充水通道主要有人为开挖形成的
直通式通道、强渗透含水层或透水层、垂向导水钻孔、滑坡形成的地表裂缝等。

1.人为开挖通道
露天矿剥离、开采后，巨大的矿坑、边坡、临时开挖的水沟等无疑是大气降
水汇集、径流的有利通道，各类充水水源可通过此类通道直接入渗矿坑。

1.强渗透含水层或透水层一方面，强渗透含水层具有较大的入渗系数，可减少大气降
水的径流时间，使其快速下潜入渗；另一方面，对于侧向补给而言，也有利于地表水
体的侧向补给。

露天煤矿开采过程中，煤层含水的情况并不少见，多数情况是地下水
沿煤层裂隙渗出，说明煤层作为透水层，局部接受含水层补给，尤其在隐伏露头区或
“天窗区”接受补给后可沿煤层渗流。

2.
钻孔导水
露天煤矿在前期勘探阶段施工过数量不等的地质或水文地质钻孔，若这些钻
孔封孔质量不良，则会成为潜在的导水通道，钻孔将导通煤层上覆多个含水层，
导致上部混合水入渗矿坑，且这类导水通道一般难以排查。

1.地表裂缝露天煤矿边坡发生滑动后，在地表形成横纵交错的裂缝，有些裂缝在纵向
延伸很深，是大气降水和地表积水良好的入渗通道。

某露天矿周边地表裂缝如图 2 所
示。

综上所述，露天煤矿导水通道与地下开采煤矿导水通道有明显差异，露天煤矿导
水通道的特点是均在浅部发育，有人为通道、天然通道和开采过程中形成的通道 3 种，而地下开采煤矿中经常提到的导水裂隙带在露天煤矿中不存在。

2.3 充水强度
在地下开采煤矿中，充水强度通常以矿井涌水量来表示，借鉴这一概念，用疏排
水量表示露天煤矿的充水强度。

露天煤矿疏排水量的大小与矿坑所处地理位置、
周边地质与水文地质条件、自然环境等直接相关，并且不同露天煤矿的疏排水量
差别迥异，每天的疏排水量由几万方至十几、几十万方不等。

露天煤矿的充水强
度有以下几个特点。

a. 季节性变化明显受地域分布影响，我国多数露天煤矿分布在我国西北、东北
的干旱或半干旱区域，大气降水对矿坑充水影响较大，一般雨季或丰水期，疏排
水量较大；旱季或枯水期，疏排水量较小。

1.
前期疏排水量较大，后期疏排水量稳定露天煤矿开采前，地下水处于自然平衡状态，露天煤矿开采后，打破了地下水的原始状态，补径排条件随之发生改变。

在前期疏排
水过程中，主要是地层中的静储量，水量丰富，疏排水量大，随着疏排水过程的持续，地层中静储量逐渐减少，动态补给量参与其中，受补给条件限制，疏排水量呈逐渐衰
减状态，在某一阶段会达到基本稳定，即疏水量与静储量和动态补给量之和相当。

2.疏排水持续周期长露天煤矿疏排水工作是一项繁重、重复性的工作，通常情况是排
出的地下水经过一定方式的径流后又重新返回矿坑，因此，疏排水工作持续时间长，
难以快速疏干。

3 结论
大气降水、地表水和浅层地下水是露天煤矿主要的充水水源，人为开挖形成的直
通式通道、强渗透含水层或透水层、垂向导水钻孔、滑坡形成的地表裂缝等是主
要的充水通道。

季节性变化明显、疏排水周期长、排水量大是露天煤矿疏排水的
主要特征。