寶日希勒礦區(qū)水文地質(zhì)條件及地下儲(chǔ)水可行性研究

孫 江，李雁飛，楊 建，張溪彧，劉 基

（1.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭運(yùn)輸部,北京 100010；2.神華寶日希勒能源有限公司, 內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021500；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司, 陜西西安 710054；4.陜西省“四主體一聯(lián)合”黃河流域中段礦區(qū)（煤礦）生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)校企聯(lián)合研究中心，陜西西安 710054）

我國(guó)能源稟賦特征決定了煤炭是我國(guó)未來(lái)長(zhǎng)期穩(wěn)定的主體能源[1-2]，2019 年煤炭占我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量近60%，是全球最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，且我國(guó)煤炭資源生產(chǎn)與需求絕對(duì)量仍處于增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。但是，我國(guó)煤炭資源與水資源呈逆向分布[3-4]，中西部富煤地區(qū)（包括蒙東）多處于干旱和半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)，水資源量?jī)H占全國(guó)的5.7%，且時(shí)空分布不均，可供利用的水資源十分有限，水資源供需矛盾日益尖銳，水資源短缺已成為制約西部地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。蒙東位于我國(guó)二級(jí)階梯，屬于酷寒半干旱氣候，降水稀少（240～380 mm），以草原為主要地貌類(lèi)型（包括草甸草原、典型草原、荒漠草原）；蒙東是我國(guó)14 個(gè)大型煤炭基地之一，2019 年煤炭產(chǎn)量2.84 億t，以露天開(kāi)采為主，煤炭開(kāi)采產(chǎn)生礦井水高達(dá)9.0 億t/a，已經(jīng)造成北電勝利礦區(qū)地下水位下降10～30 m；寶日希勒和伊敏礦區(qū)第四系地下水均已干涸，引起嚴(yán)重的水資源漏失、水環(huán)境污染、生態(tài)退化等問(wèn)題。蒙東地區(qū)水資源相對(duì)豐富，礦井水外排不會(huì)造成區(qū)域水資源明顯增加，但會(huì)引起局部（礦區(qū)）水資源短缺，如何保護(hù)和利用好礦井水資源，是蒙東煤炭基地綠色可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中亟需解決的重要難題。

從20 世紀(jì)后半葉，地下水作為一種基本資源的價(jià)值越來(lái)越高，地下儲(chǔ)水是維持、加強(qiáng)和保護(hù)地下水資源的一種有效方法[3-4]，19 世紀(jì)70 年代，歐洲已建立河岸過(guò)濾系統(tǒng)，1897 年瑞典和1899 年法國(guó)出現(xiàn)了歐洲第1 個(gè)入滲盆地[5]；為了應(yīng)對(duì)水資源短缺及水污染危機(jī)，美國(guó)加州27%再生水注入地下含水層，并利用含水層對(duì)水質(zhì)進(jìn)一步處理提升[6]；以色列建設(shè)了27×105m3/d 的城市污水處理和地下儲(chǔ)存工程[7]；截止2015 年，全世界人工地下儲(chǔ)水規(guī)模達(dá)到100 億m3[8-10]。國(guó)內(nèi)地下儲(chǔ)水以建設(shè)入滲坑、回滲井等淺層入滲為主[11-12]，深層地下含水層的回滲相對(duì)較少；煤炭行業(yè)主要有國(guó)家能源集團(tuán)建設(shè)的煤礦地下水庫(kù)，為神東礦區(qū)提供了95%的用水[13]，該技術(shù)在榆神府礦區(qū)已經(jīng)得到推廣應(yīng)用；冀中能源梧桐莊礦利用相對(duì)獨(dú)立的深循環(huán)水文地質(zhì)單元回灌、存貯高礦化度水。建設(shè)地下儲(chǔ)水工程，必須有合適的地質(zhì)安全保障條件，因此，要將礦井水儲(chǔ)存于地下[14-15]，實(shí)現(xiàn)其有效保護(hù)、調(diào)蓄和利用，有必要對(duì)礦區(qū)地層巖性巖相、含（隔）水層組合結(jié)構(gòu)、斷層構(gòu)造等開(kāi)展系統(tǒng)性研究，從水文地質(zhì)條件、地下儲(chǔ)存場(chǎng)址條件等方面確定礦井水地下儲(chǔ)存適宜單元。

1 研究區(qū)概況

寶日希勒礦區(qū)地理位置圖如圖1。

圖1 寶日希勒礦區(qū)地理位置圖Fig. 1 Geographical location map of Baorixile Mining Area

寶日希勒礦區(qū)位于呼倫貝爾市海拉爾區(qū)北部，地處中緯度地區(qū)，屬中溫帶大陸性半干旱氣候；研究區(qū)年降水量170.7～550.1 mm（平均302.1 mm）；研究區(qū)屬額爾古納河水系，主要有海拉爾、莫勒格爾、伊敏3 條常年流水河流，其中莫勒格爾河、伊敏河是海拉爾河的支流。海拉爾河發(fā)源于大興安嶺西麓，由東向西流經(jīng)研究區(qū)南部，蜿蜒注入額爾古納河，干流長(zhǎng)714.9 km，寬120 m 左右，最寬330 m，流域面積54 537 km2。寶日希勒礦區(qū)位于莫勒格爾河?xùn)|南的楔型地帶，其宏觀地貌顯示為略有起伏的高平原，北部及東北部與低山丘陵相接，地勢(shì)東北高而南西低，東南低且略有起伏并呈緩波狀，海拔高程620～680 m，相對(duì)高差20～80 m，當(dāng)?shù)氐叵滤治g基準(zhǔn)面標(biāo)高為601.00 m。

2 水文地質(zhì)條件

寶日希勒礦區(qū)位于新華夏系第三沉降帶海拉爾沉降區(qū)的中偏北部，區(qū)內(nèi)發(fā)育有古生界、中生界、新生界地層，構(gòu)造有緯向構(gòu)造、華夏構(gòu)造及新華夏構(gòu)造等。主要發(fā)育地層為白堊系下統(tǒng)大磨拐河組和第四系，大磨拐河組地層厚度12.5～162.1 m，與下伏梅勒?qǐng)D組整合接觸，與上覆第四系角度不整合接觸，巖性以灰白色礫巖、砂質(zhì)礫巖、細(xì)砂巖和暗灰色粉砂巖、泥巖為主，含5 個(gè)煤組；第四系廣泛分布于煤系地層之上，厚度在19.35～42.90 m 之間，平均31.13 m，巖性主要由褐黃色黏土、砂質(zhì)黏土、砂礫組成。

寶日希勒礦區(qū)位于完整的水文地質(zhì)單元內(nèi)，第四系普遍發(fā)育黏土、亞黏土及泥礫層，砂礫層不發(fā)育，且第四系底板高于區(qū)域地下水位，致使礦區(qū)大面積第四系不存在含水條件，屬于透水不含水地層。大磨拐河組包括5 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的含水層，各含水層之間水力聯(lián)系不明顯，煤層是其主要含水介質(zhì)。各含水層的穩(wěn)定性受煤層限制，含水介質(zhì)特征及含水層類(lèi)型基本相同，具有相似或相近的水文地質(zhì)條件，其中主要為Ⅰ、Ⅲ號(hào)含水層，寶日希勒礦區(qū)綜合水文地質(zhì)圖如圖2。

圖2 寶日希勒礦區(qū)綜合水文地質(zhì)圖Fig.2 Comprehensive hydrogeological histogram of Baorixile Mining Area

礦區(qū)Ⅰ號(hào)含水層連續(xù)分布，巖性以褐煤（即Ⅰ號(hào)煤）為主，包括部分煤層頂?shù)装逯械纳皫r、粗砂巖及砂礫巖，厚度1.30～59.48 m，平均厚度28.77 m；9 個(gè)抽水試驗(yàn)孔中，單位涌水量為0.092～0.416 L/（s·m）（只有“水4”孔為2.48 L/（s·m）），TDS 濃度在1 000.0 mg/L，為HCO3-Cl·Mg-Ca 和HCO3·SO4-Ca·Mg 型水；整個(gè)礦區(qū)Ⅰ號(hào)含水層由于受構(gòu)造影響，補(bǔ)給來(lái)源有限，水量普遍較小，儲(chǔ)存量有限。Ⅲ號(hào)含水層巖性組合與Ⅰ號(hào)含水層基本相同，厚度2.0～58.0 m，平均24.23 m。地下水水質(zhì)類(lèi)型為HCO3·Cl-Na型，TDS 濃度為1 100.0～1 680.0 mg/L，由東向西TDS 濃度有增高趨勢(shì)。該含水層水位一般低于Ⅰ號(hào)含水層，單位涌水量0.028～0.538 L/（s·m），與Ⅰ號(hào)含水層相比，其富水性和補(bǔ)徑排條件更差。

3 地下儲(chǔ)水條件

3.1 地下儲(chǔ)水構(gòu)造

受地質(zhì)構(gòu)造及古地理環(huán)境控制，寶日希勒礦區(qū)發(fā)育形成1 個(gè)寬緩的向斜蓄水構(gòu)造，由若干個(gè)次一級(jí)的向（背）斜軸蓄水構(gòu)造、斷層（塊）蓄水構(gòu)造及復(fù)合形式組成。

1）南北隔水邊界。寶日希勒露天區(qū)含煤地層，以1 個(gè)軸向近東西向的開(kāi)闊向斜展布，向斜兩翼地層翹起，白堊系裂隙-孔隙含水層組出露地表，隔斷了與外圍（煤層露頭線以外）水力聯(lián)系，致使煤層露頭線兩側(cè)，地下水位標(biāo)高相差數(shù)米，表明在煤層露頭線外側(cè)為隔水邊界。

2）東部弱透水邊界。寶日希勒露天區(qū)東部北北東向斷層束將礦區(qū)分割成若干段塊，切穿了煤系地層，使含水層與隔水層頻頻對(duì)接，水位呈階梯狀，形成斷塊蓄水構(gòu)造，在斷層兩側(cè)水位標(biāo)高和水質(zhì)有明顯差別。

3）西部補(bǔ)給邊界。寶日希勒露天礦煤層賦存規(guī)律為向西傾斜并延伸甚遠(yuǎn)，且露天礦預(yù)疏降已形成區(qū)域性降落漏斗，因此可以認(rèn)為主要來(lái)水方向?yàn)槁┒肺鞑?，勘探區(qū)西部邊界為補(bǔ)給邊界。

寶日希勒露天區(qū)是1 個(gè)相對(duì)封閉的向斜蓄水構(gòu)造，屬于次一級(jí)較完整的水文地質(zhì)單元。

3.2 地下儲(chǔ)水庫(kù)選址

寶日希勒露天礦采區(qū)和構(gòu)造分布圖如圖3。

圖3 寶日希勒露天礦采區(qū)和構(gòu)造分布圖Fig.3 Distribution of mining area and structure in Baorixile Open-pit Mine

寶日希勒露天礦共劃分為5 個(gè)采區(qū)。首采區(qū)在礦區(qū)西側(cè)已有礦坑基礎(chǔ)上，向東沿煤層露頭拉溝，工作線沿煤層走向布置、傾向推進(jìn)，直至推到礦田南部境界；之后開(kāi)采二采區(qū)，利用首采區(qū)東側(cè)留溝，礦坑轉(zhuǎn)向由西向東開(kāi)采，工作線沿煤層傾向布置、沿走向推進(jìn)，目前二采區(qū)已接近回采結(jié)束。根據(jù)煤炭開(kāi)采、剝離物回填等實(shí)際情況，只有在首采區(qū)和二采區(qū)的內(nèi)外排土場(chǎng)，具備建設(shè)地下儲(chǔ)水庫(kù)的條件。首采區(qū)東側(cè)發(fā)育有1 條北北西向正斷層F15，長(zhǎng)度4.4 km，落差60 m，煤層底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖地層，在側(cè)向和底部都形成了隔水性能較好結(jié)構(gòu)，在與二采區(qū)之間存在穩(wěn)定性較好的天然壩體（壩體寬度>200 m），在首采區(qū)的F15斷層西側(cè)建設(shè)地下儲(chǔ)水庫(kù)，在水位不超過(guò)F15斷層梁的條件下，可以保證二采區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)和采坑的安全。因此研究將F15斷層西側(cè)作為地下儲(chǔ)水庫(kù)的首選地址。

3.3 庫(kù)容計(jì)算

所選庫(kù)址內(nèi)煤層底板高程位于+540.0～+580.0 m之間，該區(qū)域排土以砂巖為主，采用等高程分區(qū)分層計(jì)算法，先從庫(kù)區(qū)平面上進(jìn)行水文地質(zhì)分區(qū)，然后考慮不同高程含水層面積的差異進(jìn)行計(jì)算，等高程分區(qū)分層計(jì)算公式如下：

式中：V 為地下儲(chǔ)水庫(kù)庫(kù)容，m3；m為高程分層個(gè)數(shù)；n 為水文地質(zhì)分區(qū)個(gè)數(shù)；A 為水文地質(zhì)分區(qū)面積，m2；h 為地下儲(chǔ)水庫(kù)水文地質(zhì)分區(qū)高度，m；μ 為地下儲(chǔ)水庫(kù)儲(chǔ)水系數(shù)。

根據(jù)煤礦地下水庫(kù)儲(chǔ)水經(jīng)驗(yàn)，確定松散砂巖儲(chǔ)水系數(shù)為0.1 和0.15，砂巖重構(gòu)厚度約25 m，計(jì)算中初步確定地下水庫(kù)儲(chǔ)水高度不超過(guò)15.0 m（即不超過(guò)+560 m 標(biāo)高），得到寶日希勒地下儲(chǔ)水庫(kù)庫(kù)容為79.3×104m3和119.0×104m3。

寶日希勒地下儲(chǔ)水庫(kù)示意圖如圖4。

圖4 寶日希勒地下儲(chǔ)水庫(kù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of Baorixile underground reservoir

該儲(chǔ)水條件下，在水庫(kù)周?chē)?565 m 為界，存在1 個(gè)天然擋水壩（圖4 中黃色區(qū)域），可以保證儲(chǔ)水水庫(kù)和露天采坑的安全。

4 地下儲(chǔ)水量質(zhì)條件

4.1 水量條件

露天礦夏秋季礦坑排水量為6 500～7 000 m3/d，主要用于地面降塵、排土場(chǎng)綠化等，存在一定量的用水短缺；冬春季排水量4 000～4 500 m3/d，基本沒(méi)有回用途徑，排放處置成為礦上迫切解決的問(wèn)題。冬春季按照180 d 考慮，則富余礦坑水量為72×104～81×104m3，利用地下儲(chǔ)水庫(kù)將這部分礦坑水儲(chǔ)存起來(lái)，實(shí)現(xiàn)季節(jié)性調(diào)蓄，用于夏秋季礦區(qū)降塵和綠化，可以解決寶日希勒露天礦用水問(wèn)題。

4.2 水質(zhì)條件

研究采集了寶日希勒露天煤礦的露天采坑積水，依據(jù)生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了水質(zhì)檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)礦坑水中高于飲用水標(biāo)準(zhǔn)限值的指標(biāo)為：耗氧量5.42 mg/L，總大腸菌群17 個(gè)、濁度220 NTU，大腸埃希氏菌108 個(gè)；其中懸浮顆粒主要分布在0.6～0.8 μm 之間，Zeta 電位-23～-25 mV，采用混凝沉淀工藝，30 mg/L PAC+0.5 mg/LPAM，出水濁度達(dá)到10.8 NTU，濁度去除率達(dá)為95.1%[16]，但是出水濁度仍然高于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求（≤3.0 NTU）。濁度隨混凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖5。

圖5 濁度隨混凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.5 Variation curves of turbidity with coagulant concentration

4.3 強(qiáng)化處理工藝

鑒于混凝沉淀預(yù)處理出水中濁度仍然高于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，提出了地表土壤層強(qiáng)化處理+地下儲(chǔ)水工藝，露天礦“強(qiáng)化處理+地下儲(chǔ)水”工藝如圖6。

圖6 露天礦“強(qiáng)化處理+地下儲(chǔ)水”工藝Fig.6 “Enhanced treatment + underground water storage”process in open pit mine

土樣取自寶日希勒露天礦排土場(chǎng)，主要成分包括黑黏土、粉細(xì)沙、砂礫石等，用2.0 mm 網(wǎng)篩進(jìn)行篩分，超純水浸泡24 h，80 ℃烘箱烘干備用，在連續(xù)1 個(gè)月條件下，每隔5 d 取樣檢測(cè)，強(qiáng)化處理出水濁度變化曲線如圖7。

圖7 強(qiáng)化處理出水濁度變化曲線Fig.7 Turbidity curve of enhanced treatment effluent

地表土壤層強(qiáng)化處理過(guò)程中，出水中濁度前期迅速降低，10 d 后基本穩(wěn)定在1.0 NTU 以下，這個(gè)過(guò)程中在表層0～5 cm 位置，介質(zhì)滲透性下降最為明顯；特別是30 h 后，0～5 cm 表層位置水頭壓力出現(xiàn)迅速增大，這是由于回灌過(guò)程的持續(xù)，越來(lái)越多的懸浮物質(zhì)淤積在介質(zhì)表層，發(fā)生物理堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致水體無(wú)法順利流動(dòng)至系統(tǒng)內(nèi)部，在實(shí)際工程中可采用清淤或犁地松土的方法清除堵塞，該處理方式在以色列Dan 回灌場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）寶日希勒礦區(qū)位于完整的陳旗煤田水文地質(zhì)單元內(nèi)，第四系底板高于區(qū)域地下水位，屬于透水不含水地層；大磨拐河組包括5 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的含水層，各含水層之間水力聯(lián)系不明顯，煤層是其主要含水介質(zhì)。

2）受地質(zhì)構(gòu)造及古地理環(huán)境控制，寶日希勒礦區(qū)三面為隔水邊界、西部為補(bǔ)給邊界，發(fā)育形成了1個(gè)寬緩的向斜蓄水構(gòu)造，有利于水資源的地下儲(chǔ)存。

3）首采區(qū)東側(cè)發(fā)育有1 條北北西向正斷層F15，與二采區(qū)之間形成了隔水性能較好天然壩體（壩體寬度>200 m），在首采區(qū)西側(cè)建設(shè)地下儲(chǔ)水庫(kù)，既能保證二采區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)和采坑安全，又可以實(shí)現(xiàn)首采區(qū)西側(cè)有效儲(chǔ)水，0.15 儲(chǔ)水系數(shù)條件下，儲(chǔ)水庫(kù)容可達(dá)119.0×104m3。

4）冬春季富余礦坑水量為72×104～81×104m3，礦坑水經(jīng)混凝沉淀預(yù)處理和土壤表層強(qiáng)化處理，可以將寶日希勒礦坑水中濁度降至水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，保障礦坑水地下儲(chǔ)存的量質(zhì)安全。