呼伦贝尔草原位于保障我国生态安全“两屏三带”的北方防沙带，具有酷寒、半干旱、夏融冬冻[1]、草原土层薄及土壤瘠薄等生态脆弱特征。同时，呼伦贝尔地区是我国规划以露天开采为主的七大煤电基地之一，煤炭产能超过4亿t，发电量2 000万kW[2]。近年来，矿区由于煤电开发长期大量的疏排地下水，引起了水资源浪费、地下水位下降、土壤沙化、植被退化等草原生态问题[3]。据调查，呼伦贝尔陈旗露天矿区、大雁扎尼河露天矿区由于地表松散层分别受莫勒格尔河、海拉尔河地表水补给充分，矿坑疏排水量达20万m3/d，对地表水下游径流量影响较大，加剧了地区资源性缺水与生态环境影响[4]。
针对煤炭开采对地下水资源影响相关研究，目前主要集中在我国生态脆弱的陕北、神东等西部侏罗纪煤田，在井工煤矿开发对近地表风积沙、萨拉乌苏组含水层地下水影响研究等方面取得了丰富的研究成果[5-7]，形成较为成熟的充填、分层、限高等水资源保护性开采技术[8-10]。而针对我国东部草原露天矿区煤炭开采对地下水影响的相关研究，一直集中在煤电基地建设过程中的地质勘察评价[11-12]、植被演化遥感分析等方面[13-14]，尚未对煤炭开采驱动下地下水系统扰动规律与保护技术进行系统研究。笔者以位于呼伦贝尔草原的宝日希勒矿区为研究对象，根据研究区水文地质与露天煤矿开发特征，将露天采矿疏排水与地下水系统仿真研究结合，系统分析露天矿区疏排水对地下水系统的影响规律，并对露天矿帷幕墙减渗保水开采技术进行初步评价，为我国东部草原露天矿区煤-水资源协调开发提供科学依据。
1 研究区概况
1.1 矿区水文地质特征
宝日希勒矿区地处呼伦贝尔高平原的东北边缘地区，陈旗煤田盆地中部。如图1所示，西南部为海拉尔、莫勒格尔河谷冲积平原地形，北部及东北部与低山丘陵相接，总体地形变化不大，水文地质单元相对完整。南部的海拉尔河发源于大兴安岭山区，自东向西注入额尔古纳河，西部的莫勒格尔河自北东向南西流经露天矿区北部注入海拉尔河，受宽缓地形与上游融雪补给影响，两条河流在矿区西南部的冲积平原区形成了面积大、水量补给充沛的季节性或永久性湖泊，如库伦湖等，地下水与地表水交换强烈。
矿区大部分为第四系所覆盖，按照地层岩性组合与含水特征，矿区含、隔水层组划分见表1。
1.2 矿区开发特征
图1 宝日希勒矿区地形地貌概况
Fig.1 Topography and mine distribution of Baorixile mining area
如图2所示，宝日希勒矿区自2000年左右开始进行规模化开发，主要生产矿井包括宝日希勒、东明等露天煤矿，以及天顺、呼盛等井工煤矿。主要开采白垩系下统的大磨拐河组1-2煤层(均厚13 m)与3号煤层(均厚7.5 m)，露天煤矿开采工艺为单斗-汽车工艺。蒙西、顺兴等地方煤矿多处于闭坑、停采或间歇式开采。
露天矿开采涌水疏干系统主要分为采场内强排和外围地面疏干井疏干两部分组成[15]，按照矿区采掘历史与疏排水强度大概可分为3个阶段(表2)。第1阶段排水初期(2000—2006年)，矿区以宝日希勒露天矿首采区生产为主，采区平均排水量2.3×104 m3/d。第2阶段排水剧增期(2007—2010年)，矿区西部莫勒格尔河东侧的东明露天矿与北部的呼盛和天顺井工矿相继开采，东明露天矿通过地面疏干井疏排地下水，其平均排水量达到18.27×104 m3/d，约占矿区总排水量的92%。第3阶段排水稳定期(2011—目前)，宝日希勒露天矿首采区闭坑，2采区相继开采，矿区排水量趋于稳定，约为14.93×104 m3/d。矿区煤化工企业工业用水主要来自东明露天煤矿排水和海拉尔河地表水体，矿山疏排水是研究区地下水主要排泄形式。
表1 矿区主要含、隔水层水文地质特征
Table 1 Hydrogeological characteristics of aquifers in open pit mines
名称水文地质持征第四系孔隙潜水含水层(Q)冲洪积砂砾石层,厚5～20 m,富水性强,冲积平原区水位埋深一般<2 m,受地表水补给充分潜水含水层底部隔水层由黏土、亚黏土及冰碛泥砾组成白垩系孔隙裂隙I号煤层含水层(I)含水层岩性主要为1-2煤层及其顶底板中砂岩、粗砂岩和含砾粗砂岩为主,平均厚度29.23 m,富水性弱-中等 白垩系I号煤层含水层底部隔水层整矿区发育,由泥岩、粉砂岩或细砂岩组成,底板厚度2～21 m白垩系Ⅱ号煤层裂隙承压含水层(II)Ⅱ号含水层岩性为2-3褐煤层及其层间、顶底板中砂岩、粗砂岩和含砾粗砂岩,均厚20.65 m,富水性中等白垩系Ⅲ号煤层裂隙承压含水层顶、底部隔水层整矿区发育,由泥岩、粉砂岩或细砂岩组成,底板厚度5～20 m,顶板厚度2～40 m白垩系Ⅲ号煤层裂隙承压含水层(III)Ⅲ号含水层岩性以3号褐煤为主,包括部分中、粗砂岩和砂砾岩,局部与Ⅱ号含水层连通,矿区内平均厚度24.23 m
图2 宝日希勒矿区矿井分布概况
Fig.2 Mine distribution of Baori Schiller mining area
根据矿区周边地下水水位阶段性观测(2009—2011年)资料分析，如图3所示，在矿井疏排水影响下，由于矿区西南侧第四系松散层接收莫勒格尔河补给，水位下降幅度较小(TB105,TB102)，约为0.5 m/a，白垩系孔隙裂隙含水层水位降幅为1.2 m/a(TB102)。而东明与宝日希勒露天矿之间白垩系孔隙裂隙含水层水位下降幅度达到2.3 m/a。
由于矿区水文地质条件研究基础相对薄弱，笔者根据研究区水文地质与露天煤矿开发特征，将露天采矿疏排水与地下水系统仿真研究结合，系统分析露天矿区疏排水对地下水系统的影响规律。
表2 矿区开发与疏排水概况
Table 2 Mining history and drainage characteristics of the study areas
阶段日期平均排水量/(104 m3·d-1)开发区域(排水量/(104 m3·d-1),占比/%)第1阶段(初期)2000—20062.30宝日希勒露天矿首采区(2.30,100)第2阶段(剧增期)2007—201019.47宝日希勒露天矿首采区(0.90,5)东明露天矿(18.27,92)呼盛和天顺井工矿(0.30,3)第3阶段(稳定期)2011至今14.93宝日希勒露天矿2采区(0.90,6)东明露天矿(13.74,92)呼盛和天顺井工矿(0.29,2)
图3 矿区地下水水位变化
Fig.3 Groundwater level changes in mining area
2 地下水系统数值仿真模型构建
2.1 模型构建
研究区水文地质单元相对独立，西南两侧分别以海拉尔、莫勒格尔河为模拟边界，东部和北部以高平原与低山丘陵接触带为模拟边界(图1)。通过充分收集研究区各类地质水文地质钻孔300余个，在垂向上按含水层岩性将模型剖分为孔隙含水层(Q)、砂岩孔隙裂隙含水层(I,II,III)以及3个相对隔水层共7个模拟分层(图4)，其中顶部孔隙含水层(Q)接受大气降水的补给，为重点研究的主要含水层。
图4 研究区地下水系统仿真模型(X∶Y∶Z=1∶1∶50)
Fig.4 Numerical simulation model of groundwater system
矿坑涌水与外围地面疏干井疏水是煤矿开采影响地下水系统主要因素。模型中根据收集煤矿各时期采掘历史与排水量统计资料，在各时期的采掘范围内以抽水井形式作为地下水排泄项输入模型。大气降水、潜水蒸发等地下水源汇项，按照地区实际观测数据进行输入。
2.2 模型校正
通过非稳定流仿真模拟，利用水位观测资料(2007—2009年)进行模型校正(图5)，反演得出含水层主要水文参数见表3。其中研究区受到季节性冻土层年内隔水效应的控制[16]，校正得出的研究区年均入渗系数α=0.15，低于我国西部地区冲积、风积区降水入渗能力[17-18]。
通过稳定流数值仿真对平水年天然条件下地下水系统进行模拟输出，反演得出无采矿疏排水条件下研究区流场特征(图6(a))。天然条件下，矿区东部的高平原区大气降水入渗与低山丘陵区侧向补给地下水后最终排泄至海拉尔河，矿区西南部的冲积平原区由于地形和河流宽缓，地下水与地表水(海拉尔河与莫勒格尔河)交换剧烈，潜水以蒸发排泄为主。
3 露天煤矿疏排水对地下水系统影响
第1阶段，由于宝日希勒露天煤矿首采区疏排水影响，据统计疏排水强度为2.3×104 m3/d，如图6(b),(c)所示，以首采区为漏斗中心，局部地段松散含水层地下水被疏干，中心水位下降幅度在50 m左右，漏斗至矿区西南部拓展，矿区范围内平均水位降深小于5 m。
图5 实测水位与计算水位拟合曲线
Fig.5 Fitting curves of the measured water level and the calculated water level
表3 模型主要水文地质参数
Table 3 Main hydrogeological parameters of the model
主要参数数值降水入渗系数11—4月(冻结期)α=05—10月(消融期)α=0.3蒸发/(mm·a-1)11—4月(冻结期)05—10月(消融期)900Q含水层渗透系数K=15～120 m/d重力给水度μd=0.3I含水层渗透系数K=1.23～3.79 m/d弹性给水度μs=1×10-6II含水层渗透系数K=1.25～8.33 m/d弹性给水度μs=1×10-9III含水层渗透系数K=0.28～1.71 m/d弹性给水度μs=1×10-7
第2阶段，宝日希勒露天煤矿西侧的东明露天矿与北部的呼盛和天顺井工矿相继开采，由于东明露天矿高强度持续疏排水影响(排水强度达18.27×104 m3/d)，分别以东明露天矿和宝日希勒露天矿首采区为中心，较大范围松散含水层地下水被疏干，东明露天矿中心水位下降幅度在100 m以上，漏斗向矿区外围西南部拓展范围不大，矿区范围内平均水位降深大于10 m。
第3阶段，宝日希勒露天矿首采区闭坑，二采区相继开采，东明露天矿排水量趋于稳定，约为14.93×104 m3/d，水位漏斗较为稳定，矿区范围内平均水位降深大于15 m。
经过模拟分析与计算，反演得出矿区冲积平原区的松散含水层渗透能力极强，渗透系数大于35 m/d，且西部莫勒格尔河对松散层含水层补给充分。见表4，计算得出在东明露天矿西侧河水通过地下渗漏补给松散层地下水的强度为11.02×104 m3/d，约占东明露天矿排水量的80%。
4 帷幕阻水条件下地下水系统分析
4.1 强富水强补给含水层帷幕减渗特征
强补给的含水层是无法实现疏干的，群井疏降排水存在水资源浪费严重、疏排强度大、经济合理性不高等问题。如呼伦贝尔大雁矿区扎尼河露天矿由于近地表富水性好的松散含水层接受海拉尔河补给充分，先后共施工67眼疏干井，矿坑疏排强度一直稳定在16.5×104 m3/d，对海拉尔河地表水径流量影响较大，2018年开始施工6.3 km帷幕阻水墙，分析建成后可减少疏排水量80%以上[19]。淮北朱仙庄井工煤矿煤层顶板富水性好的砂砾岩充水含水层受奥灰岩溶水补给充分，从2016年开始施工4 km帷幕阻水墙，疏排水量减少了80%以上，可见基于地下连续墙的帷幕减渗技术在强富水强补给含水层中的应用适宜性好。
如图7所示，根据达西定律，当矿坑疏排含水层地下水至某水平H2时，帷幕墙单宽渗漏量Qw与矿坑单宽疏排水量Qk分别为
Qw=KsΔh1(H0-H1)/M
(1)
Qk=K0Δh2(H1-H2)/L
(2)
其中,Ks,K0分别为帷幕墙与含水层的渗透系数,m/h;M为帷幕墙厚度,m。在矿坑疏排水条件下，由式(1)可以看出帷幕墙厚度M越大、渗透系数Ks越小，通过帷幕墙渗漏量Qw越小。由式(2)可知矿坑疏排井与帷幕墙体距离L越大(帷幕墙与补给水体的距离越近)，单宽疏排水量Qk越小。因此帷幕墙体渗透能力越弱、厚度越大，与补给水体距离越近矿坑疏排含水层水位至某水平的水量越小。
4.2 地下水帷幕减渗模型构建
东明露天井田富水性好的松散含水层(渗透系数大于35 m/d)接受莫日格勒河地表水体强补给。笔者根据研究区含隔水层分布特征和疏排条件下地下水系统仿真分析结果，考虑到帷幕墙建设工程在井田以外受环保政策、施工条件等原因限制，在露天矿与莫勒格尔河之间的井田边界上依次设计长为2，3，4 km帷幕墙(深度进入松散层底部的低渗透黏土层)。借鉴扎尼河露天矿、朱仙庄井工煤矿帷幕减渗经验，帷幕墙体宽度设置为0.8 m，渗透系数设置为10-7 cm/s。
图6 疏排水条件下地下水流场变化特征
Fig.6 Groundwater flow field under drainage conditions
如图8所示，露天煤矿开采直接剥离揭露含水层，含水层地下水沿剥离界面进入矿坑，在不考虑水跃影响时，由于在剥离界面处的含水层水位下降至含水层底板，在仿真模型中设定为一类水头边界，其水头值约为含水层底板标高[20]，构建成东明露天矿帷幕减渗条件下的地下水系统仿真模型，对帷幕墙对疏排水强度影响程度进行初步探讨。
表4 稳定期东明露天矿疏排水量组成分析
Table 4 Composition analysis of drainage volume in Dongming open pit mine instable period
疏排水组成水量/(104 m3·d-1)占比/%疏排水总量/(104 m3·d-1)地表水渗漏量11.0280.26白垩系孔隙裂隙含水层2.6919.5913.73大气降水0.020.15
图7 帷幕减渗条件下地下水流场示意
Fig.7 Sketch map of groundwater flow field under curtain wall conditions
图8 露天煤矿开采含水层地下水流失示意
Fig.8 Sketch map of groundwater loss in aquifer of open pit coal mining
4.3 地下水帷幕减渗模型分析
计算模拟结果如表5、图9所示。
表5 帷幕墙阻水条件下疏排水量
Table 5 Drainage under curtain wall conditions
帷幕墙长度/km疏排水量/(104 m3·d-1)水量降幅/%013.80 —29.60 30.4337.85 43.1246.65 51.81
图9 4 km帷幕墙建设条件下地下水流场变化特征
Fig.9 Characteristics of groundwater flow field under the condition of 4 km-long curtain wall
可以看出帷幕墙对松散层地下水流场控制明显，水力梯度在墙体周边骤增，4 km帷幕墙阻水条件下疏排水量减少至6.65×104 m3/d，减少幅度约为51.81%。由此可见，帷幕阻水墙建设可大幅减少露天矿开采过程中的疏排水强度，是保护矿区水资源的有效手段。
5 结论与展望
(1)以呼伦贝尔宝日希勒露天矿区为例，系统分析了矿区水、煤、环赋存条件与煤炭资源开发特征，根据矿区疏排水强度，将矿区露天矿开采历史划分为初期、剧增期与稳定期3个阶段。
(2)应用地下水系统数值仿真技术，系统分析了露天矿区煤矿开采疏排水对地下水系统影响规律，计算得出稳定期河水渗漏补给松散层地下水强度约为11.02×104 m3/d，约占露天矿疏排水量的80%。
(3)根据矿区水文地质条件和帷幕减渗条件下地下水流场特征，构建帷幕阻水条件下地下水系统仿真模型，初步评价了帷幕墙对疏排水强度影响程度。结果显示，在4 km帷幕墙阻水条件下疏排水量减少至6.65×104 m3/d，减少幅度约为51.81%。
(4)根据矿区露天矿疏排水存在的水资源浪费严重、疏排强度大，经济合理性不高等问题，总结提出帷幕墙阻水减渗是矿区强富水强补给含水层水资源保护性开采的一种有效手段。
[1] 赵慧颖,宋庆武,孟军.内蒙古呼伦贝尔市地温与冻土对建筑物基础的影响[J].中国地质灾害与防治学报,2007,18(1):85-89.
ZHAO Huiying,SONG Qingwu,MENG Jun.The influence of ground temperature and frozen soil on building foundation in Hulunbeir City,Inner Mongolia[J].Chinese Journal of Geological Disasters and Prevention,2007,18(1):85-89.
[2] 许蕊.呼伦贝尔能源矿产集中开采区矿山地质环境调查与研究[D].北京:中国地质大学(北京),2014:41.
XU Rui.Investigation and research on mine geological environment in xurui hulunbeier energy and mineral concentrated mining area[D].Beijing:China University of Geosciences(Beijing),2014:41.
[3] 马永茂,鞠兴军.呼伦贝尔市矿山地质环境问题及防治措施[J].露天采矿技术,2012(1):85-88.
MA Yongmao,JU Xingjun.Mine geological environment problems and prevention measures in Hulunbuir[J].Open-pit Mining Technology,2012(1):85-88.
[4] 冯海波.内蒙古呼伦贝尔草原露天煤矿区地下水系统演化研究[D].呼和浩特:内蒙古大学,2017:2.
FENG Haibo.Evolution of groundwater system in Hulunbeier grassland open-pit coal mine area of Inner Mongolia[D].Huhhot:Inner Mongolia University,2017:2.
[5] 王双明,黄庆享,范立民,等.生态脆弱矿区含(隔)水层特征及保水开采分区研究[J].煤炭学报,2010,35(1):7-14.
WANG Shuangming,HUANG Qingxiang,FAN Limin,et al.Study on overburden aquclude and water protection mining regionazation in the ecological fragile mining area[J].Journal of China Coal Society,2010,35(1):7-14.
[6] HU Zhengqi,CHEN Chao,XIAO Wu,et al.Surface movement and deformation characteristics due to high-intensive coal mining in the windy and sandy region[J].International Journal of Coal Science & Technology,2016,3(3):339-348.
[7] FAN Limin,MA Xiongde.A review on investigation of water-preserved coal mining in western China[J].International Journal of Coal Science & Technology,2018,5(4):411-416.
[8] 范立民,马雄德,冀瑞君.西部生态脆弱矿区保水采煤研究与实践进展[J].煤炭学报,2015,40(8):1711-1717.
FAN Limin,MA Xiongde,JI Ruijun,et al.Progress in engineering practice of water-preserved coal mining in western eco-environment frangible area[J].Journal of China Coal Society,2015,40(8):1711-1717.
[9] LI Wenping,WANG Qiqing,LIU Shiliang,et al.Study on the creep permeability of mining-cracked N2 laterite as the key aquifuge for preserving water resources in Northwestern China[J].International Journal of Coal Science & Technology,2018,5(3):315-327.
[10] 范立民,向茂西,彭捷,等.西部生态脆弱矿区地下水对高强度采煤的响应[J].煤炭学报,2016,41(11):2672-2678.
FAN Limin,XIANG Maoxi,PENG Jie,et al.Groundwater response to intensive mining in ecologically fragile area[J].Journal of China Coal Society,2016,41(11):2672-2678.
[11] 李全生.东部草原区煤电基地开发生态修复技术研究[J].生态学报,2016,36(22):7049-7053.
LI Quansheng.Research on ecological restoration technology of coal-power base in eastern steppe of China[J].Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7049-7053.
[12] 葛佐,高速.呼伦贝尔市煤矿矿区地质环境保护与综合治理[J].中国地质灾害与防治学报,2008,19(4):50-54.
GE Zuo,GAO Su.Geological environmental protection and comprehensive treatment in hulunbeier coal mine area[J].Chinese Journal of Geological Disaster and Prevention,2008,19(4):50-54.
[13] 包岩,田野,柳彩霞,等.中国东部草原植被绿度时空变化分析及其对煤电基地建设的响应[J].生态学报,2018,38(15):5423-5433.
BAO Yan,TIAN Ye,LIU Caixia,et al.Spatial and temporal variation analysis of vegetation greenness in grassland of eastern China and its response on the construction of coal and electricity base[J].Acta Ecologica Sinica,2018,38(15):5423-5433.
[14] 吴钢,魏东,周政达,等.我国大型煤炭基地建设的生态恢复技术研究综述[J].生态学报,2014,34(11):2812-2820.
WU Gang,WEI Dong,ZHOU Zhengda,et al.A review of ecological restoration techniques for large coal base construction in China[J].Journal of Ecology,2014,34(11):2812-2820.
[15] 祁福利.呼伦贝尔市东明煤矿矿区地下水疏干及信息系统管理研究[D].长春:吉林大学,2012.
DENG Fuli.Study on groundwater drainage and hydrogeology information system management in dongming coal mine hulunbeier city[D].Changchun:Jilin University,2012.
[16] 陆胤昊,叶柏生,李翀.冻土退化对海拉尔河流域水文过程的影响[J].水科学进展,2013,24(3):319-325.
LU Yinhao,YE Bosheng,LI Chong.Degradation of frozen ground in Hailaer River basin and its impact on hydrologic processes[J].Advances in Water Science,2013,24(3):319-325.
[17] 何渊.神东矿区降雨入渗补给强度研究[J].西安科技大学学报,2014,34(4):473-478.
HE Yuan.Research on rainfall infiltration intensity in Shendong mining area[J].Journal of Xi’an University of Science & Technology,2014,34(4):473-478.
[18] 赵贵章.鄂尔多斯盆地风沙滩地区包气带水-地下水转化机理研究[D].西安:长安大学,2011:182.
ZHAO Guizhang.Study on transformation mechanism of vadose zone water-groundwater in the wind-blown sand area of the Ordos Basin[D].Xi’an:Chang’an University,2011:182.
[19] 神华大雁集团公司,中煤科工集团西安研究院有限公司.《扎尼河露天矿强渗透含水层帷幕截渗减排技术研究报告》[R].2017.
[20] 赵春虎,虎维岳,靳德武.西部干旱矿区采煤引起潜水损失量的定量评价方法[J].煤炭学报,2017,42(1):169-174.
ZHAO Chunhu,HU Weiyue,JIN Dewu.Method of quantitative evaluation on amount of groundwater loss from unconfined aquifer caused by mining disturbance in the arid area of Western China[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):169-174.
