馮建平　許蕊　盧昕暉

［關(guān)鍵詞］地下水；煤礦；開發(fā)利用；對策研究

內(nèi)蒙古自治區(qū)元寶山露天煤礦是我國重要的能源基地，礦區(qū)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(bǔ)給條件使礦山開采需要進(jìn)行大規(guī)模的疏干排水才能保證安全生產(chǎn)。元寶山露天煤礦多年以來采用聯(lián)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(bǔ)充[1]，并取得良好效果，也為該地區(qū)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(tài)閾值低，導(dǎo)致該區(qū)域地下水水位下降嚴(yán)重，已形成較大范圍的地下水位降落漏斗[2]，含水層結(jié)構(gòu)遭到破壞、地下水循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生改變，對水資源的可持續(xù)利用，區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境及居民的生產(chǎn)、生活造成了不良影響。

1 礦區(qū)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(qū)分為東北、西南兩個采區(qū)，老哈河于礦區(qū)東南部3 km處通過[3]（圖1）。距中心城區(qū)約40 km，行政區(qū)劃屬于赤峰市元寶山區(qū)元寶山鎮(zhèn)所轄。露天采區(qū)面積約為12 km²，目前核定生產(chǎn)能力為1200×10⁴t/a。元寶山區(qū)地處中緯度，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷、夏季炎熱、春秋兩季多風(fēng)。礦區(qū)風(fēng)向以西南、西北為主，最大風(fēng)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(fā)量為2315.3 mm，最小蒸發(fā)量為1311.6 mm；凍結(jié)期一般以每年十一月末至翌年四月末，最大凍結(jié)深度2.01 m。礦區(qū)地形為第三系玄武巖臺地，地表標(biāo)高為472～490 m。在礦區(qū)開發(fā)歷史上，區(qū)域整體地形地貌未發(fā)生變化，僅在露天礦采場區(qū)形成局地凹陷，在排土場區(qū)形成凸起丘陵。元寶山露天礦區(qū)地下水主要在第四系含水層中，以現(xiàn)代沖積洪積及冰水堆積物為主，由圓礫、卵石、粉細(xì)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(qū)[4]。松散巖類孔隙潛水為礦區(qū)主要地下水類型，以上游地下水的徑流補(bǔ)給、英金河河水以及大氣降水的滲入補(bǔ)給為主，周圍基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給為輔。礦區(qū)第四系松散堆積物具有孔隙較多，厚度大，聯(lián)通性較好的特點(diǎn)，因此為地下水的賦存及運(yùn)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(qū)水資源開發(fā)利用情況

元寶山露天煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水含量較豐富。為保證煤礦安全生產(chǎn)，就必須對地下水進(jìn)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(chǎn)輔助環(huán)節(jié)。第四系含水層疏干排水始于1990年，疏干排水可分為預(yù)先疏干和平行疏干兩個階段。目前，已經(jīng)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(bǔ)充”的聯(lián)合疏干系統(tǒng)。礦區(qū)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(cè)向徑流補(bǔ)給量和河道滲漏補(bǔ)給量的影響，整體進(jìn)入穩(wěn)定疏干狀態(tài)，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(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)供水、元寶山電廠供水及英金河生態(tài)供水。

3 礦區(qū)水資源開發(fā)利用存在的問題

3.1 礦區(qū)地下水流場及水位動態(tài)變化

在露天礦未疏干之前，地下水基本保持自然流場狀態(tài)，即由基巖山區(qū)以地下潛流的方式流向河谷區(qū)，最終排出區(qū)外。疏干后，大氣降水、地下徑流、農(nóng)田回滲及基巖側(cè)向補(bǔ)給沒有發(fā)生變化。英金河和老哈河滲漏量增加，接受地下水補(bǔ)給段延長[6]。露天礦長時間、大強(qiáng)度疏干以后，地下水流場發(fā)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(nèi)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(huán)特點(diǎn)是補(bǔ)給期短，消耗期長，逐步形成以采區(qū)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(qū)四周逐步采用了排水明溝進(jìn)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(tài)。同時，元寶山電廠漏斗消失，也是因?yàn)樵撍赐２伤隆?018年漏斗出現(xiàn)向北遷移現(xiàn)象，推測是由于露天采場南側(cè)開采到界，開始向北實(shí)施開采及英金河河道襯砌減少補(bǔ)給所致。元寶山露天煤礦疏干區(qū)外圍布設(shè)有地下水監(jiān)測井，疏干區(qū)北部525號井水位長期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，1998至今該地段淺層地下水水位呈現(xiàn)持續(xù)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(xù)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(jié)構(gòu)破壞及水循環(huán)系統(tǒng)改變的問題

露天采礦生產(chǎn)剝離上覆地層，就會造成區(qū)域含水層結(jié)構(gòu)破壞和水循環(huán)系統(tǒng)的改變，閉坑后的治理工程無法恢復(fù)原有狀態(tài)，是不可逆的改變。隨之而來的是區(qū)域地下水水位下降，地表水體漏失，礦區(qū)周邊主要含水層呈現(xiàn)疏干狀態(tài)，另外可能出現(xiàn)不透水邊界向透水邊界轉(zhuǎn)化、排泄區(qū)向補(bǔ)給區(qū)轉(zhuǎn)化、地下分水嶺偏移等水循環(huán)條件改變等現(xiàn)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(jìn)行地下水疏干，地下水疏干量國內(nèi)外罕見。礦區(qū)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(qū)分布在河谷平原與山間谷地（溝谷），使當(dāng)?shù)刂饕┧康膶邮艿接绊?，由于疏干區(qū)的水位降落漏斗遠(yuǎn)大于其開采面積，致使疏干區(qū)范圍內(nèi)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(wěn)定，它與地形、構(gòu)造、降水量、煤層埋藏深度及采煤方法等因素有關(guān)，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(jìn)行重新構(gòu)建，區(qū)域水資源可形成新的良好的動態(tài)平衡。

3.3 疏干水資源利用過程中存在的問題

粗放地開發(fā)利用露天礦疏干水資源，導(dǎo)致大量水質(zhì)優(yōu)良的疏干水得不到有效利用，需要進(jìn)行深度優(yōu)化。造成這一情況的主要原因，首先是水資源稅費(fèi)的設(shè)定不盡合理，根據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源稅改革試點(diǎn)實(shí)施辦法》（內(nèi)政發(fā)〔2017〕157號）相關(guān)水資源稅繳納標(biāo)準(zhǔn)要求，回收利用（含回灌）繳納標(biāo)準(zhǔn)為2元/m³，生態(tài)用水繳納標(biāo)準(zhǔn)為5元/ m³。補(bǔ)充規(guī)定對水資源回收利用范圍進(jìn)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(nèi)部回收利用（含回灌）疏干排水的行為”。這一稅費(fèi)政策會導(dǎo)致企業(yè)為避免繳納更高檔次的水資源稅而盡量減少向外輸運(yùn)疏干水，選擇最大程度的內(nèi)部消耗使用疏干水資源，這與區(qū)域水資源緊缺和高效利用水資源的目標(biāo)相背離。此外，疏干水供給農(nóng)業(yè)灌溉，因節(jié)水意識淡薄、灌溉工程失修，節(jié)水灌溉工程落后等原因，存在灌溉利用率不高的現(xiàn)象。

4 礦區(qū)水資源合理開發(fā)利用的對策研究

4.1 含水層和水循環(huán)系統(tǒng)的重新構(gòu)建

含水層的重新構(gòu)建需要充分利用現(xiàn)有礦區(qū)的土石材料。針對南部采區(qū)閉坑回填，按照區(qū)域地層巖性以及剝離順序，優(yōu)選排土場存貯的粗砂、細(xì)砂以及卵礫石，將其置于回填區(qū)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(lián)系，最上部覆蓋透水性稍差的雜填土，按照這樣的程序進(jìn)行元寶山露天礦的回填可以重新構(gòu)建一套區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)。

4.2 建造礦區(qū)截水帷幕

構(gòu)建元寶山露天礦區(qū)截水帷幕，恢復(fù)周邊松散層地下水水位，保護(hù)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(tǒng)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(jìn)入穩(wěn)定隔水層，頂部高于歷史水位，因地制宜實(shí)現(xiàn)松散層水側(cè)向補(bǔ)給礦坑被攔截。

4.3 提升疏排水資源的利用效率

根據(jù)赤峰市的水資源開發(fā)利用規(guī)劃，充分調(diào)研用水需求，調(diào)整相關(guān)產(chǎn)業(yè)的供水比例，制定科學(xué)節(jié)水規(guī)劃，改變節(jié)水意識淡薄、灌溉工程失修，灌溉水利用率不高的現(xiàn)狀。加大節(jié)水灌溉工程建設(shè)，大力發(fā)展滴灌，提高灌溉用水管理水平。建立蓄水調(diào)節(jié)池及人工水庫，更好地儲存利用礦坑水。目前礦區(qū)礦坑水綜合利用工程已基本完成，建議有關(guān)部門加強(qiáng)管理，向各用水工程多方供水，實(shí)現(xiàn)礦坑水綜合利用計(jì)劃。制定合理的水資源稅費(fèi)政策，降低外輸水資源稅費(fèi)，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)、水資源供需平衡及生態(tài)環(huán)境得到保護(hù)的均衡目標(biāo)。

5 結(jié)論

元寶山露天煤礦因生產(chǎn)需求常年持續(xù)大量疏排地下水，由此引發(fā)了區(qū)域地下水水位下降，含水層結(jié)構(gòu)破壞、地下水循環(huán)系統(tǒng)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(qū)閉坑回填，重新構(gòu)建含水層和水循環(huán)系統(tǒng)。即按照區(qū)域地層巖性以及剝離順序，優(yōu)選排土場存貯的粗砂、細(xì)砂以及卵礫石，將其置于回填區(qū)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(tǒng)的地下水控制方式，最大限度減少礦坑排水量，因地制宜實(shí)現(xiàn)松散層水側(cè)向補(bǔ)給礦坑被攔截；同時提升疏排水資源的利用效率，即調(diào)整相關(guān)產(chǎn)業(yè)的供水比例，強(qiáng)化節(jié)水、蓄水力度，實(shí)現(xiàn)礦坑水綜合利用，制定合理的水資源稅費(fèi)政策等措施，以期為區(qū)域水資源可持續(xù)利用提供技術(shù)參考。