一种露天矿水资源立体式保护利用方法与流程

1.本发明涉及露天开采水资源综合保护与利用技术领域，具体涉及一种露天矿水资源立体式保护利用方法。


背景技术：

2.大型露天矿矿坑水保护技术是实现煤矿生产与生态协调发展的有效保障，露天矿地下水库建设是保障东部草原大型煤电基地水资源保护的有效途径。众所周知，矿坑水回收利用是废水治理发展的必然趋势，传统的矿井水保护主要以水处理技术为主，主要包括：沉淀、悬凝沉淀、气浮等，无论是膜分离技术或者离子交换法，面临的主要问题均是处理工序复杂、成本高且处理能力有限。
3.矿区近自然地形重塑中，水文沟道与流域作为与周边自然地貌的衔接口，是区域间能量流动与物质交换的重要通道。相较于传统矿区地貌，现有近自然重塑地貌以台阶形态为主要重塑对象，宏观上仍将原有微起伏的地貌景观多转变为平台与斜坡相间的规则状人工堆垫景观，使原有地表要素和水系网不复存在，造成明显的矿区内外景观破碎化问题。尽管复垦的待修复区布设了输水管网以满足复垦植被生长需要，但是整体上无法实现与上下游地貌景观的水力连接，在夏季集中降雨的条件下，容易发生边坡侵蚀。并且，露天矿修复区不均匀沉降也使得复垦地貌积水区分布散乱，在矿坑疏干水内排下，积水得不到集中处理，使土壤盐渍化加剧，继而引发复垦土地退化等问题。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明公开的一种露天矿水资源立体式保护利用方法，通过创建露天矿内排区地表水系优化—地面水库—近地表含水层再造—地下水库的立体储水技术体系，实现了煤炭开发与水资源综合保护的协调发展。
5.根据本发明的目的提出的一种露天矿水资源立体式保护利用方法，包括以下步骤：
6.步骤一：采用渗、导、蓄、净、用、排的工程技术措施，在露天矿排土场顶部平台及边坡上设置地表人工湿地。
7.步骤二：以采
‑
排
‑
筑
‑
复一体化为指导思想，在露天矿排土场建设一个近地表水库。
8.步骤三：进行近地表含水层再造。
9.步骤四：综合采用采
‑
排
‑
筑
‑
复的工程技术措施建设露天矿地下水库。
10.优选的，步骤一中地表人工湿地的设置方法，包括以下步骤：
11.s1、利用无人机低空摄影测量获取露天矿排土场整体厘米级地形数据。
12.s2、利用水文分析工具提取露天矿排土场顶部平台及边坡精细水文网及汇水区。
13.s3、结合统计的露天矿排土场所在地区降雨数据，计算汇水区潜在储水/持水能力及所在微流域面积。
14.s4、在露天矿排土场顶部平台内部汇水区布置储水植物塘，在露天矿排土场顶部平台外围汇水区和边坡平台汇水区布置保水潜流湿地，储水植物塘与保水潜流湿地由导水植物沟相连通。
15.s5、分别在储水植物塘、保水潜流湿地和导水植物沟内种植适生植物。
16.优选的，所述储水植物塘中心深度为2.2m，边坡比小于等于1：3；储水植物塘与边坡底部使用粘土或土工布做防渗层，防渗层上覆盖0.5m厚腐殖土；保水潜流湿地深度为1.5m，边坡比小于等于1：3；保水潜流湿地与边坡底部使用粘土或土工布做防渗层，底部防渗层往上依次填充细沙或粉煤灰垫层0.2m、粒径32～64mm的粗砾石或煤矸石0.4m、粒径16～32mm的中砾石或煤矸石0.2m、粒径5～16mm的细砾石或煤矸石0.2m、腐殖土0.4～0.5m；保水潜流湿地最终标高与周围持平或略低；排土场顶部外围保水潜流湿地与顶部边缘线之间设置安全距离，长度为50～80米。
17.优选的，所述导水植物沟布置于已有水文网的位置，可随着重力流进行导水；导水植物沟剖面呈倒梯形，深度为1.5m，其沟底与边坡底部使用粘土或土工布做防渗层，底部防渗层往上依次填充细沙或粉煤灰垫层0.2m、粒径32～64mm的粗砾石或煤矸石0.4m、粒径16～32mm的中砾石或煤矸石0.2m、粒径5～16mm的细砾石或煤矸石0.2m、腐殖土0.4～0.5m。
18.优选的，步骤二中近地表水库建设方法，包括以下步骤：
19.s1、借助井田含水层分布地势，选取低凹地势区域作为地下水汇聚区，基于煤层上部含水层高程变化差异、露天煤矿采排复工艺设计同时在保证排土场边坡安全的基础上确定近地表水库位置。
20.s2、建设近地表水库，其建设区的地貌景观与周边排土场和草原融为一体，并通过抽注系统和监测系统维持库体安全平稳运行。
21.s3、在露天煤矿非工作帮以排弃至接近最终标高的排土场上，采用露天开采过程中剥离的粘土构筑坝体，坝体整体呈“回”字型。
22.s4、在建成的坝体范围内填充储水体，储水体采用露天开采过程中剥离的砂砾岩，回填后库体高度低于坝体高度。
23.s5、在近地表水库内储水体上部铺设一定厚的黄土作为隔离层，以防止腐殖土中细颗粒随大气降水渗入库体；同时在水库储水区设立对照区，检验隔离层的隔水效果。
24.优选的，在坝体围成的空间范围内，沿坝体构筑若干个净化过滤区，其对应区域铺设储水体时铺设厚度约0.3m的净化过滤物料；净化过滤区紧邻水库坝体进出水口位置，其尺寸与水库进出口尺寸一致，采用包括石英砂、活性炭、空心砖在内的三种物料作为初级净化过滤物料。
25.优选的，s3中，坝体构筑完成后，于其外侧排弃与坝体等高、宽度大于等于30m的剥离物，以支撑坝体，确保近地表小型试验库的坝体安全。
26.优选的，步骤三中，近地表含水层再造包括以下步骤：
27.s1、依据排土场和未开采岩层的工程地质条件确定地下含水层层位。
28.s2、基于原生地层的层序结构对露天矿排土场进行地层重构。
29.s3、开展包括岩土的持水能力测试、田间持水量测定试验、岩土的渗透性实验在内的基础岩土性质试验分析，确定隔水层和再造含水层所用材料和基本参数，形成再造含水层基本设计方案。
30.s4、在完成再造含水层基本设计方案的基础上，统筹规划排土场排弃方案，使近地表含水层与原生地层含水层贯通，实现地下含水层在一定程度上能够保持地表生态用水。
31.优选的，步骤四中露天矿地下水库建设方法，包括以下步骤：
32.s1、基于煤层底板高程变化差异性，将露天矿地下水库选址位于重构含水层地势低凹地带，通过首采区毛石沟槽形成的储水通道进行注水和抽水，形成采区地下水库。
33.s2、采用心墙堆石挡水坝结构型式，坝体结构由心墙和堆石组合而成，为典型的强弱组合体结构。
34.s3、利用矿山矸石、建筑或塑料废弃物碾制铺设地下水库库底，满足库底防渗的工程要求。
35.s4、将预制管涵作为露天矿地下水库的储水体堆叠于地下水库内，预制管涵之间的堆叠间隙充填碎石以分级净化水质。
36.与现有技术相比，本发明公开的一种露天矿水资源立体式保护利用方法的优点是：
37.本发明提出适用于大型露天矿水资源保护的立体储水模式，解决露天矿内排区地表水、地下水、采场涌水的存储与利用问题，实现煤炭开发与水资源综合保护协调发展。该储水模式包括地表储水池模式、近地表生态型地下水库模式、煤层原位储水模式。其中，地表储水池模式可以解决大气降水汇聚和矿坑水洁净处理后的临时储存问题。近地表生态型地下水库模式可以利用排土场在近地表人工重构储水介质和调节系统，解决大气降水汇聚和矿坑水洁净处理后的长期储存问题，同时有助于地表植被的吸收和利用。煤层原位储水模式是利用原位含水层的岩石作为储水介质，或者人工构造管涵之类的储水体，解决了矿坑水洁净处理后的长期储存问题。
附图说明
38.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
39.图1为矿水资源立体式保护整体示意图。
40.图2为地表人工湿地整体平面示意图。
41.图3为储水植物塘剖面示意图。
42.图4为保水潜流湿地剖面示意图。
43.图5为净化过滤区位置示意图。
44.图6为净化过滤区剖面图。
45.图7为露天矿地下水库储水介质的部分预制管涵堆叠的剖面图。
46.图8为宝日希勒地下水库示意图。
47.图中：1
‑
近地表水库；2
‑
近地表含水层；3
‑
露天矿地下水库；4
‑
管涵；5
‑
储水植物塘；6
‑
保水潜流湿地；7
‑
导水植物沟；8
‑
微流域；9
‑
防渗层；10
‑
腐殖土；11
‑
垫层；12
‑
粗砾石；13
‑
中砾石；14
‑
细砾石；15
‑
净化过滤区；16
‑
碎石。
具体实施方式
48.下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
49.图1
‑
图8示出了本发明较佳的实施例，对其进行了详细的剖析。
50.本发明公开的一种露天矿水资源立体式保护利用方法，包括以下步骤：
51.步骤一：如图2所示，采用渗、导、蓄、净、用、排的工程技术措施，在露天矿排土场顶部平台及边坡上设置地表人工湿地。具体的，首先，利用无人机低空摄影测量获取露天矿排土场整体厘米级地形数据。然后，利用水文分析工具提取露天矿排土场顶部平台及边坡精细水文网及汇水区。接着，结合统计的露天矿排土场所在地区降雨数据，计算汇水区潜在储水/持水能力及所在微流域8面积。再接着，在露天矿排土场顶部平台内部汇水区布置储水植物塘5，在露天矿排土场顶部平台外围汇水区和边坡平台汇水区布置保水潜流湿地6，储水植物塘5与保水潜流湿地6由导水植物沟7相连通。最后，分别在储水植物塘5、保水潜流湿地6和导水植物沟7内种植适生植物。
52.如图3所示，储水植物塘5中心深度为2.2m，边坡比小于等于1：3；储水植物塘5与边坡底部使用粘土或土工布做防渗层9，防渗层9上覆盖0.5m厚腐殖土10。保水潜流湿地6深度为1.5m，边坡比小于等于1：3；保水潜流湿地6与边坡底部使用粘土或土工布做防渗层9，底部防渗层9往上依次填充细沙或粉煤灰垫层110.2m、粒径32～64mm的粗砾石12或煤矸石0.4m、粒径16～32mm的13中砾石或煤矸石0.2m、粒径5～16mm的细砾石14或煤矸石0.2m、腐殖土100.4～0.5m。保水潜流湿地6最终标高与周围持平或略低；排土场顶部外围保水潜流湿地6与顶部边缘线之间设置安全距离，长度为50～80米。
53.如图4所示，导水植物沟7布置于已有水文网的位置，可随着重力流进行导水。导水植物沟7剖面呈倒梯形，深度为1.5m，其沟底与边坡底部使用粘土或土工布做防渗层9，底部防渗层9往上依次填充细沙或粉煤灰垫层110.2m、粒径32～64mm的粗砾石12或煤矸石0.4m、粒径16～32mm的中砾石13或煤矸石0.2m、粒径5～16mm的细砾石14或煤矸石0.2m、腐殖土100.4～0.5m。
54.本发明利用已有微地貌及水流特征，在北方露天煤矿排土场顶部平台设置分布式储水植物塘5、保水潜流湿地6等若干个蓄水单元，再通过导水植物沟7将微流域8内降雨导入蓄水单元，合理控制、分配降雨资源，有效防止降雨形成侵蚀性坡面径流、地下渗流、暗涌等，在确保排土场边坡稳定性与减少水土流失的同时，更加高效的利用有限的水资源，起到排土场水土物质流控制作用，同时可有效存储短时过多疏干水，供缺水时使用。
55.步骤二：以采
‑
排
‑
筑
‑
复一体化为指导思想，在露天矿排土场建设一个近地表水库1。具体的，首先，借助井田含水层分布地势，选取低凹地势区域作为地下水汇聚区，基于煤层上部含水层高程变化差异、露天煤矿采排复工艺设计同时在保证排土场边坡安全的基础上确定近地表水库1位置。然后，建设近地表水库1，其建设区的地貌景观与周边排土场和草原融为一体，并通过抽注系统和监测系统维持库体安全平稳运行。接着，在露天煤矿非工作帮以排弃至接近最终标高的排土场上，采用露天开采过程中剥离的粘土构筑坝体，坝体整体呈“回”字型。坝体构筑完成后，于其外侧排弃与坝体等高、宽度大于等于30m的剥离物，以支撑坝体，确保近地表小型试验库的坝体安全。再接着，在建成的坝体范围内填充储水体，
储水体采用露天开采过程中剥离的砂砾岩，回填后库体高度低于坝体高度。最后，在近地表水库1内储水体上部铺设一定厚的黄土作为隔离层，以防止腐殖土中细颗粒随大气降水渗入库体；同时在水库储水区设立对照区，检验隔离层的隔水效果。如图5、6所示，在坝体围成的空间范围内，沿坝体构筑若干个净化过滤区15，其对应区域铺设储水体时铺设厚度约0.3m的净化过滤物料；净化过滤区15紧邻水库坝体进出水口位置，其尺寸与水库进出口尺寸一致，采用包括石英砂、活性炭、空心砖在内的三种物料作为初级净化过滤物料。
56.步骤三：由于露天矿的开发伴随着大量的上覆岩层的剥离，致使原始地层和土壤结构被破坏，这些岩土经剥离后无序堆存形成排土场，使得排土场内部存在很多孔隙甚至裂隙，水分入渗时会沿优先流路径快速下渗，极少留存在土壤内，故在进行排土场土壤复垦时因其持水能力通常较自然土壤差，难以达到预期的复垦效果，因此需进行近地表含水层2再造。具体的，首先，依据排土场和未开采岩层的工程地质条件确定地下含水层层位。然后，基于原生地层的层序结构对露天矿排土场进行地层重构。接着，开展包括岩土的持水能力测试、田间持水量测定试验、岩土的渗透性实验在内的基础岩土性质试验分析，确定隔水层和再造含水层所用材料和基本参数，形成再造含水层基本设计方案。最后，在完成再造含水层基本设计方案的基础上，统筹规划排土场排弃方案，使近地表含水层2与原生地层含水层贯通，实现地下含水层在一定程度上能够保持地表生态用水。
57.步骤四：综合采用采
‑
排
‑
筑
‑
复的工程技术措施建设露天矿地下水库3。具体的，首先，基于煤层底板高程变化差异性，将露天矿地下水库3选址位于重构含水层地势低凹地带，通过首采区毛石沟槽形成的储水通道进行注水和抽水，形成采区地下水库。水库选址不仅要满足上层煤水库选址准则，还要保障上层煤水库安全，必须研究掌握下层煤建库时覆岩应力场和裂隙场变化规律，据此确定下层煤水库与上层煤水库之间的安全距离。然后，采用心墙堆石挡水坝结构型式，坝体结构由心墙和堆石组合而成，为典型的强弱组合体结构。散体堆石具有吸能削波作用，因此具有十分稳定的结构抗震性能。接着，利用矿山矸石、建筑或塑料废弃物碾制铺设地下水库库底，满足库底防渗的工程要求。坝坡设计反滤层，一般由1～3层级配均匀，由耐风化的砂砾或碎石构成，每层粒径随渗流方向增大，反滤层应设计有足够的尺寸，以适应可能发生的不均匀变形，同时避免与周围粘土层混掺。防渗性能要求：防渗土料需要足够的不透水性和塑性，要求防渗体材料的渗透系数比坝体渗透系数小103，并且具有足够的塑性。防渗体能适应坝基和坝体的沉陷和不均匀变形，不致断裂。粘粒含量为15％～30％、塑性指数为10～17的黑粘土或者相关指数更高的粘土体材料，都是填筑防渗体的优选土料模拟分析水库库底变形和渗漏变化情况，提出地下防渗区域及分布式水库空间布局优化方法。最后，将预制管涵4作为露天矿地下水库3的储水体堆叠于地下水库内。如图7所示，预制管涵4之间的堆叠间隙充填碎石16以分级净化水质。
58.以宝日希勒露天矿地下水库为例：
59.如图8所示，利用“采
‑
排
‑
筑
‑
复”一体化技术建设地下水库的思路如下：首先要考虑地下水库的选址，图中a处所示的区域中间低周边高，且煤层底板隔水，可以用来作为地下水库的合理选址位置，为了保障库底的隔水性，可以在库底排弃一层隔水性较好的黑黏土并压实到预期程度作为隔水库底。图中b处为储水盆地的缺口，因此在建设地下水库时要特殊处理，可以考虑在排土过程中在此处排弃强度高且隔水性好的材料形成挡水坝体，当此处坝体水压力较大时甚至可以考虑采用土石坝、混凝土坝等方式构筑地下水库挡水坝。
60.在完成储水盆地选址和坝体构筑后，采用正常的排土工艺向a处排弃储水材料，储水材料要求有较大的孔隙性可以用来储存更多的水体，同时要求储水材料有足够的强度在承受上部载荷的同时能保证足够的孔隙率。“采
‑
排
‑
筑
‑
复”一体化地下水库建设技术在实施过程上同传统开采工艺相同，只是在排土过程中通过人为干预排弃物料特性完成地下水库筑坝过程，因此符合绿色、安全、高效的开采理念。
61.筑坝物料的开采工艺与设备选择：由宝日希勒露天煤矿的综合柱状图、地质模型及现场揭露情况可知，粘土层在距离地表10
‑
40m的地方，近乎全区分布，但厚度变化较大。一方面，从物料赋存角度考虑看，粘土位于露天矿剥离台阶的上部，而地下水库设计的拦水坝位于坑底，因此存在明显的下运(约50m)，在采运排设备选择和装载量控制等方面需要充分考虑重车下坡可能存在的安全隐患。另一方面，由于宝日希勒露天煤矿的季节性作业特点显著，且上部剥离作业以外委方式为主，因此采运排设备和作业时间选择需要充分考虑宝日希勒露天煤矿的现有生产条件。
62.筑坝方式选择：以筑坝物料的小台阶边缘排弃和分层碾压为基本方式，结合防水材料的铺设和监测设备的安装完成拦水坝的构筑。
①
根据坝体设计宽度，在卡车卸载后由推土机推弃至台阶边缘，并进行整平；
②
前一车物料排弃后，后续运输卡车自然完成前期排弃物料的压实作业，分层厚度根据车辆的有效压实厚度确定；
③
根据设计需要，在坝体内侧沿坡面铺设防水材料(如土工布等)和安装水位、水压、水质监测设备。
④
为了保证筑坝作业设备安全提高坝体的稳定性，随着坝体高度的升高在内侧(地下水库侧)填筑储水材料、在外侧排弃剥离物形成正常的排土平盘。
63.初始工作线构筑：一方面，为了提高拦水坝的整体抗滑性能，需要对煤层底板进行一定的处理，例如开挖破底板沟或者进行毛糙化处理等；另一方面，随着排弃分层的到界，新排弃分层初始工作面必须与矿山运输系统有效衔接，因此初始工作面选择在运输系统一侧。宝日希勒露天煤矿主要运输系统有四套，一是1#煤层顶板以上的北帮运输内排运输通道；二是1#煤层顶板以上的南帮运输内排运输通道；三是中间桥的运煤卡车和自营剥离卡车运输通道；四是位于3#煤层采场内的剥离物内排运输通道。
64.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。