露天煤礦截滲減排新技術(shù)

張雁

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054）

露天煤礦截滲減排新技術(shù)

張雁

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054）

采用地下防滲墻方案對地下水補(bǔ)給通道進(jìn)行帷幕截滲是露天煤礦防治水工作的新方法。從建墻條件、建墻技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評價(jià)三方面分析了防滲墻的應(yīng)用條件。以試驗(yàn)工程為例驗(yàn)證了常用建墻工藝的可行性，采用抽水試驗(yàn)檢驗(yàn)了墻體防滲性能。

露天煤礦；截滲減排；地下防滲墻；工程試驗(yàn)

0 引言

露天煤礦在開采過程中需不斷的疏降地下水位以保證采掘工作正常進(jìn)行，截至目前我國露天煤礦均采用抽水井抽水方式進(jìn)行礦坑水位控制或疏降[1-3]。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，工藝簡單，抽水孔布置靈活，短時(shí)間內(nèi)可進(jìn)行疏降水，但也給露天礦及周邊環(huán)境帶來一系列問題[4-6]，主要表現(xiàn)在：①長期疏降水造成大面積地下水位下降，引起周邊居民生活生產(chǎn)用水困難、淺根系植物死亡和土地沙漠化，無法保護(hù)露天礦開采范圍之外的地下水資源；②礦坑水中含有重金屬離子等有毒物質(zhì)，礦坑水的任意排放會(huì)引發(fā)地表水污染；③地下水位大幅下降造成地面沉降，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響；④抽水鉆孔經(jīng)常隨地下水位下降而逐漸報(bào)廢，因疏排水投入的人力物力及疏排水費(fèi)用較大，增加了露天礦生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

為實(shí)現(xiàn)露天煤礦綠色安全高效生產(chǎn)，對地下水補(bǔ)給通道進(jìn)行帷幕截滲[7]是解決上述問題的有效方法之一。該方法已于20世紀(jì)60年代[8]在國外露天煤礦、金屬礦山和國內(nèi)水利水電行業(yè)應(yīng)用，形式多以鉆孔灌注樁[9-10]等樁排式帷幕墻為主，截滲效果明顯，能有效控制地下水下降范圍。由于我國露天煤礦水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件復(fù)雜、工程一次性投入高等原因，樁排式帷幕未得到應(yīng)用。隨著帷幕截滲工藝的發(fā)展，地下防滲墻作為深地層防滲新技術(shù)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，在冶金行業(yè)及金屬礦山有所應(yīng)用，我國也首次將該工藝應(yīng)用到露天煤礦截滲減排工程中。

1 地下防滲墻的應(yīng)用條件

地下防滲墻[11-13]是利用各種挖槽機(jī)械，借助于泥漿的護(hù)壁作用，在地下挖出窄而深的溝槽，放下預(yù)先制作好的鋼構(gòu)架，并在其內(nèi)澆筑適當(dāng)?shù)牟牧隙纬傻囊坏谰哂蟹罎B（水）、擋土和承重功能的連續(xù)的地下墻體。地下防滲墻具有施工工藝成熟、防滲性能好、施工周期短、地層適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于水利水電、鐵路交通、船塢碼頭、地下倉庫等工程領(lǐng)域。地下防滲墻的應(yīng)用條件主要從建墻條件、建墻技術(shù)與經(jīng)濟(jì)評價(jià)3方面進(jìn)行考慮。

1.1 建墻條件

防滲墻建設(shè)目的是進(jìn)行帷幕截流，實(shí)現(xiàn)截滲減排。首先分析露天煤礦是否具備建墻條件及墻體位置選擇問題。從水文地質(zhì)條件入手，研究地下水補(bǔ)徑排方式，明確地下水補(bǔ)給來源，防滲墻應(yīng)建在地下水補(bǔ)給方向從而阻擋地下水向礦坑的入滲。其次，為阻止繞流入滲，墻體兩端及底部需嵌入穩(wěn)定隔水地層，形成閉合隔水墻體方可實(shí)現(xiàn)截滲目的。為保證墻體自身穩(wěn)定，墻體位置應(yīng)避開構(gòu)造發(fā)育區(qū)。

1.2 建墻技術(shù)

具備建墻條件時(shí)，從建墻工藝分析是否具備建墻可行性?？紤]主要因素有地層結(jié)構(gòu)與巖石力學(xué)參數(shù)，墻體寬度，墻體深度，墻體材料、施工工藝、機(jī)械設(shè)備、現(xiàn)場施工條件等。

1.3 經(jīng)濟(jì)評價(jià)

經(jīng)濟(jì)合理性是防滲墻建設(shè)前必須考慮的一個(gè)客觀問題，墻體結(jié)構(gòu)與施工工藝是防滲墻工程造價(jià)中2個(gè)主要影響因素。經(jīng)濟(jì)是否合理需與礦坑疏排水費(fèi)用進(jìn)行對比，對于排水量大、疏排水鉆孔多、排水費(fèi)用高的露天礦，采用防滲墻方式進(jìn)行帷幕截流是礦坑防治水優(yōu)選方案。其次，防滲墻建成后產(chǎn)生的生態(tài)效益與社會(huì)效益也是衡量疏排水方案的重要因素之一。

2 工程試驗(yàn)

經(jīng)水文地質(zhì)條件分析，我國北方某露天煤礦具備建設(shè)地下防滲墻的基本條件，且與礦坑目前疏排水費(fèi)用對比，具有明顯經(jīng)濟(jì)合理性。為對施工工藝可行性與合理性進(jìn)行驗(yàn)證，對比不同工法對地層的適應(yīng)性，在防滲墻墻址中選擇具有代表性的地段開展工程試驗(yàn)。

地下防滲墻建設(shè)工法有數(shù)10種，常用的有抓斗挖槽工法和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工法，代表性成槽設(shè)備有液壓抓斗和液壓雙輪銑。采用SC120型液壓雙輪銑和SG60型液壓抓斗2種成槽設(shè)備進(jìn)行工藝試驗(yàn)，成槽設(shè)備如圖1所示。墻體寬度0.8 m，平均深度47 m，試驗(yàn)工程長度400 m，墻體內(nèi)澆筑塑性混凝土，開挖地層依次為細(xì)砂、礫石、黏土、泥巖、煤層、泥巖，開挖地層與墻體結(jié)構(gòu)如圖2。地表以下5 m細(xì)砂層由液壓抓斗抓取地層開槽，礫石層和黏土、泥巖層可分別由液壓雙輪銑和液壓抓斗單獨(dú)開挖。

試驗(yàn)工程證實(shí)2種工法均能完成墻體建設(shè)，在礫石層中液壓雙輪銑功效高，在粘土泥巖層中液壓抓斗功效高?？紤]工程造價(jià)等因素，最佳施工工法為液壓抓斗成槽工法。

圖1 SC120液壓雙輪銑與SG60液壓抓斗

圖2 開挖地層與墻體結(jié)構(gòu)示意圖

3 墻體防滲效果檢驗(yàn)

防滲墻的防滲性能是墻體效果檢驗(yàn)的主要內(nèi)容，現(xiàn)場主要通過墻體內(nèi)外兩側(cè)鉆孔抽水試驗(yàn)和防滲墻圍井抽水試驗(yàn)2種方法檢驗(yàn)了墻體防滲性能。抽水孔與觀測孔布置平面示意圖如圖3。

圖3 抽水孔與觀測孔布置平面圖

3.1 墻體內(nèi)外兩側(cè)鉆孔抽水試驗(yàn)

墻體外側(cè)即地下水補(bǔ)給方向，抽水孔為W3，外側(cè)抽水孔穩(wěn)定抽水量為162 m3/h，孔內(nèi)水位降深0.502 m，墻體內(nèi)側(cè)觀測孔水位不變，外側(cè)觀測孔最大水位降深0.038 m；墻體內(nèi)側(cè)抽水孔為N3，內(nèi)側(cè)抽水孔穩(wěn)定抽水量為78.74 m3/h，孔內(nèi)水位降深28.50 m，墻體外側(cè)觀測孔水位不變，內(nèi)側(cè)觀測孔最大水位降深0.093 m，抽水試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 墻體內(nèi)外兩側(cè)鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果

采用直線隔水邊界鏡像法計(jì)算含水層滲透系數(shù)，公式如下：

3.2 圍井抽水試驗(yàn)

圍井抽水是指在與地下防滲墻相連接的封閉四邊形內(nèi)進(jìn)行抽水，抽水孔為C1，初始抽水量為47.33 m3/h，穩(wěn)定抽水量為4.44 m3/h，孔內(nèi)水位降深33 m，外側(cè)觀測孔水位保持不變，采用達(dá)西公式進(jìn)行滲透系數(shù)近似求解，公式如下：

式中：△H為水位差，D為墻體厚度，a、b分別為圍井尺寸，參數(shù)單位均為m，Q為穩(wěn)定抽水量，m3/ h。計(jì)算得滲透系數(shù)為K圍井=0.002 96 m/d。

由墻體內(nèi)外兩側(cè)鉆孔抽水試驗(yàn)和圍井抽水試驗(yàn)成果及滲透系數(shù)對比可知，地下防滲墻具有極好的防滲性能，能夠起到截滲減排的作用。

4 結(jié)論

1）從長遠(yuǎn)角度看，我國露天煤礦目前普遍采用的疏排水方案對生態(tài)環(huán)境和地下水資源保護(hù)均不利，采用地下防滲墻方案對補(bǔ)給通道進(jìn)行帷幕截滲是露天煤礦防治水工程的新方法與新思路。

2）露天煤礦應(yīng)結(jié)合自身地質(zhì)與水文地質(zhì)特征，從建墻條件、建墻技術(shù)與經(jīng)濟(jì)評價(jià)3方面分析采用地下防滲墻方案的可行性與合理性。

3）地下防滲墻試驗(yàn)工程證實(shí)常用的液壓抓斗與液壓雙輪銑成槽工藝在開挖深度50 m之內(nèi)的砂泥巖地層中具有可行性，鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果證明墻體本身具有良好的防滲性能，可達(dá)到截滲減排的效果。

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【責(zé)任編輯：陳 毓】

New technology of cutting off seepage channel and reducing water drainage in open-pit coal mine

ZHANG Yan
(China Coal Technology and Engineering Group Xi'an Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710054,China)

A new method to solve the water control problem is cutting off the seepage channel by curtain grouting.From the construction conditions,construction technical and economic evaluation,the article analyzes the application conditions of diaphragm wall.Taking test engineering for example,the mine verifies the feasibility of construction technology,and adopts pumping to test the impervious performance of the wall.

open-pit coal mine;cutoff seepage channel and reduce water drainage;diaphragm wall;engineering test

TD745

B

1671－9816（2017）06－0045－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.06.013

張雁.露天煤礦截滲減排新技術(shù)［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（6）：45-47.

2017-02-08

張 雁（1983—），男，河南鄭州人，副研究員，從事礦井防治水工作。