我國(guó)露天煤礦截水帷幕關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

黃選明，張 雁，王明星，滕慶山，李國(guó)志

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024050)

露天開采和地下開采是我國(guó)煤礦開采的2 種方式，與地下開采煤礦相似，露天煤礦在開采過程中同樣面臨地下水控制問題。長(zhǎng)久以來，我國(guó)露天煤礦地下水控制方式粗獷單一，主要通過抽水井或利用截水巷、集水坑等方式進(jìn)行排水，這種方式對(duì)水資源造成極大破壞，嚴(yán)重影響煤礦周邊的生態(tài)環(huán)境[1-3]。近年來，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，“綠水青山就是金山銀山”環(huán)保理念日益深入人心。我國(guó)露天煤礦生產(chǎn)也越來越注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)，開始向科學(xué)采礦和綠色礦山轉(zhuǎn)型[4-7]。然而，由于露天礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，加之生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，剝采深度不斷延伸，礦坑疏排水量依然很大，露天煤礦因疏排水量巨大造成生產(chǎn)成本增加、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)加大等問題。自2007 年我國(guó)十七大首次提出生態(tài)文明建設(shè)以來，十八大、十九大都對(duì)生態(tài)文明建設(shè)提出了更高要求。2015 年，《關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡(jiǎn)稱“水十條”)等政策相繼出臺(tái)，許多地區(qū)要求實(shí)現(xiàn)礦坑水零排放，這對(duì)露天煤礦生產(chǎn)是一項(xiàng)全新挑戰(zhàn)。因此，如何優(yōu)化、轉(zhuǎn)變露天煤礦地下水控制方式，減少礦坑疏排水量是露天煤礦防治水工作普遍面臨的嶄新課題[8]。

采用截水帷幕技術(shù)取代疏排降水技術(shù)，轉(zhuǎn)變露天煤礦防治水技術(shù)思路，由被動(dòng)疏水變?yōu)橹鲃?dòng)截水，是解決因疏排水帶來諸多問題的根本措施[9]。2015-2019 年，內(nèi)蒙古扎尼河露天煤礦采用截水帷幕技術(shù)攔截礦坑北側(cè)海拉爾河入滲補(bǔ)給并取得成功，開創(chuàng)了我國(guó)露天煤礦利用帷幕技術(shù)進(jìn)行地下水控制的先河；2020-2021 年，內(nèi)蒙古元寶山露天煤礦在礦坑?xùn)|南側(cè)沿+452 m 平盤開展了攔截第四系松散層水入滲補(bǔ)給的截水帷幕試驗(yàn)工程，效果顯著，是露天煤礦截水帷幕技術(shù)的首次推廣應(yīng)用；可能還將在陜西榆林西灣露天煤礦、黑龍江朝陽露天煤礦等繼續(xù)推廣，表明我國(guó)露天煤礦截水帷幕技術(shù)的成熟與進(jìn)步。筆者對(duì)我國(guó)露天煤礦截水帷幕技術(shù)進(jìn)行了梳理與總結(jié)，介紹了在實(shí)踐過程中突破的關(guān)鍵技術(shù)，以期為露天煤礦地下水控制及安全綠色開采提供新思路、新技術(shù)與新工藝。

1 露天煤礦發(fā)展與疏排水問題

露天煤礦是我國(guó)煤炭行業(yè)的重要組成部分，我國(guó)露天煤礦發(fā)展已有百余年歷史，先后經(jīng)歷了1950-1980 年的初步發(fā)展、1980-2000 年的快速發(fā)展和2000 年后的創(chuàng)新發(fā)展3 個(gè)階段[10-11]，露天開采取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。截至2018 年底，我國(guó)露天煤礦有300 余座，主要分布在內(nèi)蒙古、山西、新疆、云南等省和自治區(qū)(圖1)，其中內(nèi)蒙古最多，數(shù)量有160 余座。

圖1 我國(guó)露天煤礦區(qū)域分布Fig.1 Distribution of open-pit coal mines in China

露天煤礦開采產(chǎn)量在煤炭總產(chǎn)量中的占比也逐漸增加，目前我國(guó)露天煤礦總產(chǎn)量占煤炭總產(chǎn)量的比例接近20%(表1)，低于世界主要產(chǎn)煤國(guó)家40%以上的水平，但露天煤礦總產(chǎn)量已居世界第二，成為露天采礦的大國(guó)和強(qiáng)國(guó)。

表1 2003—2020 年來我國(guó)露天煤礦產(chǎn)量與占比統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of output and proportion of open-pit coal mines in China (2003-2020)

露天煤礦在生產(chǎn)過程中需要對(duì)地下涌水進(jìn)行預(yù)防和控制，國(guó)內(nèi)外目前普遍采用疏排降水的方式[12]，我國(guó)采用疏排水的具體方式有疏干井、泄水巷、截水溝等[13-16]。露天煤礦在疏排水過程中，普遍面臨疏排水量大、影響范圍廣等問題，我國(guó)部分露天煤礦日排水量可達(dá)十幾萬立方米。露天煤礦在疏排降水的同時(shí)，也在以下方面造成影響[17-18]：(1) 浪費(fèi)地下水資源[19]。個(gè)別露天煤礦每年因疏排地下水造成的水資源浪費(fèi)達(dá)上千萬立方米(圖2a)。(2) 破壞生態(tài)環(huán)境。疏排水引起周邊草原、濕地水位下降[20-22]，植被多樣性降低，農(nóng)業(yè)和生活用水緊張(圖2b)，如元寶山露天煤礦疏降水影響范圍達(dá)數(shù)十平方千米，扎尼河露天煤礦周邊大于5 km 范圍地下水位不同程度下降，伊敏露天煤礦受開采影響地下水位降深最大約112 m，東明露天煤礦地下水位平均降深大于10 m。露天煤礦現(xiàn)有疏排水方式與國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的理念相違背。(3) 影響安全生產(chǎn)。疏排水位難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求造成生產(chǎn)接續(xù)緊張，同時(shí)影響邊坡穩(wěn)定。(4) 加重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。2006 年2 月21 日，國(guó)務(wù)院公布了《取水許可和水資源費(fèi)征收管理?xiàng)l例》，明確規(guī)定了礦產(chǎn)、石油開采排水，需按1.0 元/m3的標(biāo)準(zhǔn)繳納水資源費(fèi)；2017 年11 月24 日，財(cái)政部、稅務(wù)總局、水利部下發(fā)《關(guān)于印發(fā)＜擴(kuò)大水資源稅改革試點(diǎn)實(shí)施辦法＞的通知》，疏干排水單位和個(gè)人取水后直接排放的需繳納水資源稅，收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為5.0 元/m3，巨額疏排水費(fèi)用和水資源費(fèi)(稅)，加重了露天礦的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

圖2 露天煤礦疏排水引發(fā)的環(huán)境問題Fig.2 Environmental problems caused by drainage in open-pit coal mines

面對(duì)因疏排水引發(fā)的一系列問題，需要轉(zhuǎn)變露天煤礦治水思路，改變地下水控制方式。因此，轉(zhuǎn)疏為截的截水帷幕技術(shù)成為解決這一問題的根本措施[23-24]。

2 截水帷幕技術(shù)在煤炭領(lǐng)域的應(yīng)用

截水帷幕技術(shù)并非新生事物，早在20 世紀(jì)40 年代就已出現(xiàn)，且工藝與形式一直隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展[25]。

截水帷幕技術(shù)從20 世紀(jì)60 年代開始應(yīng)用于國(guó)外露天礦山，東德、波蘭和蘇聯(lián)等國(guó)家率先研究了帷幕堵水工藝并在一些條件復(fù)雜的露天煤礦和金屬礦山進(jìn)行應(yīng)用，取得了顯著的帷幕截水效果[26]。如東德在勞爾茲、萊比錫及貝爾多夫等露天煤礦共修筑80 km長(zhǎng)的帷幕；為防止尼斯河河水滲入楊斯瓦爾德露天煤礦，修筑了長(zhǎng)1 250 m 的帷幕，使疏排水量減少40%；波蘭在20 世紀(jì)70 年代修筑了5 個(gè)截水帷幕，其中2 個(gè)用于露天煤礦；蘇聯(lián)有61%煤礦可采用截水帷幕進(jìn)行堵水。隨著截水帷幕技術(shù)的推廣，越來越多的國(guó)家開始重視帷幕工藝在露天煤礦的應(yīng)用。但此階段的截水帷幕工藝簡(jiǎn)單，僅通過挖槽后在槽內(nèi)灌注混凝土或黏土等不透水材料形成，帷幕深度不超過20 m。

帷幕工藝在我國(guó)煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用分地下開采煤礦與露天煤礦2 個(gè)方面。在地下開采煤礦領(lǐng)域，在借鑒水電部門壩基灌漿防滲技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了利用鉆孔注漿建造帷幕、堵截礦區(qū)地下水的帷幕注漿技術(shù)，開辟了礦山水害防治新途徑，打破多年來依靠單一疏排降水方法解決受地下水威脅煤炭資源開發(fā)的局面，并逐漸成為一種常用的防治水技術(shù)方法。由于漿液擴(kuò)散半徑不均，注漿形成的帷幕難以直觀描述其形態(tài)，這種帷幕是用漿液和周圍不透水地層共同組成的隔水介質(zhì)[27]。1960 年以來，我國(guó)先后在徐州青山泉煤礦、焦作演馬莊煤礦、棗莊郭東煤礦和一些金屬礦山開展了注漿帷幕實(shí)踐，效果良好。近年來，淮北朱仙莊煤礦[28-29]和陜北張家峁煤礦[30]開展的大型灰?guī)r和燒變巖注漿帷幕工程標(biāo)志著我國(guó)地下開采煤礦帷幕注漿技術(shù)的成熟。

露天煤礦開展的截水帷幕是利用各類挖槽機(jī)械，在泥漿護(hù)壁作用下挖出窄而深的溝槽，并在溝槽內(nèi)澆筑合適的防滲材料而形成的一道具有防滲功能的地下連續(xù)墻體，雖屬于隱蔽結(jié)構(gòu)，但其形態(tài)可以直觀描述，防滲材料僅存在于開挖槽段內(nèi)，基本不會(huì)向外圍擴(kuò)散。相對(duì)于鉆孔咬合樁、高壓旋噴樁等樁排式帷幕和鉆孔注漿帷幕，這種形式的帷幕具有施工效率高、形態(tài)可控、材料浪費(fèi)少的優(yōu)點(diǎn)，截水效果也是最優(yōu)的。扎尼河露天煤礦首次應(yīng)用露天煤礦截水帷幕技術(shù)，截水帷幕平面長(zhǎng)度5 815 m，項(xiàng)目實(shí)施后，礦坑動(dòng)態(tài)補(bǔ)給水量減少89%；20 世紀(jì)90 年代，煤炭科學(xué)研究總院西安分院嘗試在元寶山露天礦建造截水帷幕，攔截英金河與老哈河河水入滲礦坑，但由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)原因，項(xiàng)目最終未能實(shí)施，隨著帷幕技術(shù)的進(jìn)步，元寶山露天煤礦于2021 年開展了截水帷幕試驗(yàn)工程并達(dá)到預(yù)期效果；西灣露天煤礦計(jì)劃在首采區(qū)燒變巖中建造截水帷幕，目前已完成工程設(shè)計(jì)。截水帷幕在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用情況見表2。

表2 截水帷幕在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用情況Table 2 Application of water cutoff curtain in coal mines

3 露天煤礦截水帷幕技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 帷幕設(shè)計(jì)理念

露天煤礦建造截水帷幕受多種條件的制約[8,31]，設(shè)計(jì)過程需要運(yùn)用水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、流體力學(xué)、地下水動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。帷幕的目的是防滲，攔截礦坑外圍動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量，因此，在設(shè)計(jì)前需掌握礦坑與周邊區(qū)域水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)特征、含(隔)水層性質(zhì)與參數(shù)、地下水流場(chǎng)變化特征等情況。

圍繞帷幕截水目的，帷幕設(shè)計(jì)需要考慮以下內(nèi)容：

(1) 截水帷幕自身滲透系數(shù)要足夠小。截水帷幕作為主要防滲隔水介質(zhì)，材料抗?jié)B性能決定了墻體防滲性能。根據(jù)筆者研究[32]，當(dāng)截水帷幕自身滲透系數(shù)小于1×10-3m/d 時(shí)，即可滿足防滲要求，繼續(xù)減小滲透系數(shù)時(shí)，對(duì)防滲效果的提升并不大。在成槽過程中，槽段內(nèi)充填的泥漿經(jīng)水力滲透作用附著在槽孔壁上形成的內(nèi)外過濾層具有較強(qiáng)的穩(wěn)定、隔水作用。

(2) 截水帷幕接頭要做好防滲處理。根據(jù)目前常用的施工工藝，截水帷幕分幅施工，一幅一幅連接起來后形成連續(xù)截水帷幕，因此，幅與幅連接處的接頭位置成為容易滲水的薄弱環(huán)節(jié)，需要采用高效的連接方式保證接頭處不滲水。

(3) 截水帷幕底部要進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定隔水地層。按照截水帷幕底部是否進(jìn)入隔水地層為標(biāo)準(zhǔn)，截水帷幕形式可劃分為懸掛式和落底式[27]，露天煤礦截水帷幕必須是落底式，即帷幕墻底部必須進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定隔水地層，確保不發(fā)生底部繞流。常見的隔水地層有泥巖、細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等，當(dāng)?shù)谒南档[石層等截滲目標(biāo)層與隔水地層之間有破碎帶等不穩(wěn)定巖層時(shí)，需要穿過不穩(wěn)定巖層，確保最終進(jìn)入穩(wěn)定隔水地層1～3 m。

(4) 截水帷幕頂部要確保不發(fā)生越流。帷幕墻形成以后，受帷幕墻的隔水作用影響，帷幕墻外側(cè)(來水方向)地下水位上升，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮水位上升后的穩(wěn)定水位，避免地下水越過帷幕墻頂部入滲礦坑。例如，當(dāng)外側(cè)地下水受河流補(bǔ)給時(shí)，要考慮河流的歷史最高洪水位，以此作為帷幕墻頂面高程設(shè)計(jì)依據(jù)。

(5) 截水帷幕兩端要確保不發(fā)生繞流。當(dāng)其他因素不變時(shí)，帷幕截水效果隨著帷幕長(zhǎng)度的增加而增加，當(dāng)帷幕兩端未嵌入隔水地層時(shí)，兩端會(huì)發(fā)生繞流。繞流量的大小與周邊地層特征、含水層滲透性、水力梯度等參數(shù)相關(guān)，要合理設(shè)計(jì)端頭位置，避免繞流的發(fā)生。例如，扎尼河露天煤礦截水帷幕是弧線形，目的是攔截第四系礫石層水滲入礦坑，西端頭嵌入礫石層缺失區(qū)的相對(duì)隔水地層，杜絕了繞流發(fā)生的可能性，東端頭為第四系礫石含水層的歷史最高洪水位，即使水位上漲，也無法越過該水位線，避免了繞流的發(fā)生。

除此之外，還要考慮截水帷幕建成之后與煤層開采及邊坡穩(wěn)定之間的關(guān)系，確保在帷幕運(yùn)行期內(nèi)不受采礦影響。

因此，截水帷幕設(shè)計(jì)理念可以概括為“頂不越、底不漏、兩端不繞、接頭不滲、經(jīng)濟(jì)合理、安全有效”。

3.2 帷幕施工工藝

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，截水帷幕施工工藝已形成以地下連續(xù)墻式帷幕為主、樁排式帷幕為輔的趨勢(shì)。連續(xù)墻式帷幕的施工工法也在不斷完善，但實(shí)施過程基本都經(jīng)過成槽、澆筑和連接三道主要工序，本節(jié)主要介紹成槽和連接工藝，截水帷幕詳細(xì)施工流程如圖3 所示。

圖3 截水帷幕施工流程Fig.3 Schematic diagram of the water cutoff curtain construction process

3.2.1 成槽工藝

成槽就是利用成槽機(jī)械，在地下挖出窄而深的溝槽，為后續(xù)帷幕墻的施工做準(zhǔn)備。隨著基礎(chǔ)工程施工技術(shù)的不斷提高和科學(xué)水平的不斷進(jìn)步，成槽設(shè)備也在優(yōu)化發(fā)展，最早使用的是沖擊鉆進(jìn)工法，后來發(fā)展了抓斗成槽工法、垂直回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工法、水平多軸回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工法等[27]，在選擇不同的工法和設(shè)備時(shí)，主要考慮地層特性、開挖深度、墻體厚度和強(qiáng)度、施工條件和機(jī)械設(shè)備的特性等因素，選擇施工效率高、成槽質(zhì)量好的設(shè)備。目前最常用的工法是抓斗成槽工法和水平多軸回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工法。

抓斗成槽工法中常用的設(shè)備是液壓抓斗，其工作原理是利用高壓膠管(耐壓大于30 MPa)把液壓傳送到幾十米深處的抓斗斗體，通過抓斗的開啟和關(guān)閉抓取土體，隨后提升至槽口后土體外運(yùn)，如此往復(fù)直至開挖至設(shè)計(jì)深度。一般來說，液壓導(dǎo)板抓斗成槽厚度在0.6～1.2 m，斗體開啟后的寬度為2.8 m。液壓抓斗由于其操作方便、移動(dòng)靈活、施工成本低等優(yōu)勢(shì)而被廣泛使用。

水平多軸回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工法常用的設(shè)備是液壓雙輪銑，其工作原理是用液壓驅(qū)使安裝在機(jī)架上的兩個(gè)鼓輪向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，鼓輪上的切刀將地層旋銑、切割、擠碎，松動(dòng)后的土、砂、卵石等碎塊通過鼓輪上方的高壓泵抽吸至地面。與液壓抓斗不同的是，液壓雙輪銑不需要往復(fù)提升斗體，可一次切銑至設(shè)計(jì)深度后再提出銑輪。液壓雙輪銑的優(yōu)勢(shì)是對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng)，可切銑強(qiáng)度較大的地層，能直接切割混凝土，并且成槽質(zhì)量?jī)?yōu)于液壓抓斗，但其服務(wù)后臺(tái)較多，移動(dòng)不靈活，施工成本偏高。

通常情況下，液壓抓斗和液壓雙輪銑配合成槽，不同設(shè)備在不同地層條件下的成槽效率不同，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，選擇效率較高的成槽設(shè)備組合施工。

3.2.2 槽段連接工藝

帷幕墻是一幅一幅分段施工，其施工工藝決定了墻體之間存在接頭，接頭部位是整個(gè)墻體的薄弱環(huán)節(jié)，接頭處理質(zhì)量關(guān)系著整個(gè)帷幕的截水質(zhì)量。

接頭的連接方式有多種[27]，如鉆鑿式接頭、接頭管、接頭箱、軟接頭、隔板接頭、預(yù)制接頭等，實(shí)際工程中用得較多的是鉆鑿接頭、接頭管或接頭箱。

鉆鑿接頭是把已經(jīng)澆筑完成的槽段墻體的端頭鑿去一部分以后形成后續(xù)槽段的端頭，形式以平接接頭為主，也叫套銑接頭，即用液壓雙輪銑把之前已完成槽段的端頭銑去10～20 cm，露出新鮮槽段界面，與后續(xù)槽段連接，也是連接質(zhì)量最好的接頭形式。

接頭管是應(yīng)用最多的一種接頭方式，它是把光滑的圓鋼管，放到槽段的兩端或一端，用來擋住澆筑材料并形成半圓形的弧形墻面，有時(shí)也叫鎖口管接頭。接頭箱與接頭管的原理一致，只是形狀不同，接頭箱一般以方形為主。

3.2.3 特殊條件下的施工工藝

當(dāng)連續(xù)墻式帷幕施工遇到無法挪移的障礙物時(shí)，如高壓線、地埋管線等，需要采用其他施工工藝進(jìn)行配合，如以往的樁排式帷幕、高壓旋噴注漿、鉆孔咬合樁等形式，需要注意的是不同工藝之間端頭的連接問題。露天煤礦截水帷幕的特點(diǎn)一般是平面長(zhǎng)度較大，施工條件受限，完全滿足采用連續(xù)墻帷幕的條件有限，因此，采用多種帷幕工藝組合施工是完全可行的。

3.3 截水帷幕材料

帷幕技術(shù)首先在意大利發(fā)展起來，不管是用來承重還是防滲，初期使用的材料均是高強(qiáng)度的混凝土或鋼筋混凝土。后來，隨著施工技術(shù)和材料研究水平的不斷提高，帷幕技術(shù)和材料向2 個(gè)方向發(fā)展，一是承受各種垂直或水平載荷的剛性墻，材料以高強(qiáng)度混凝土為主；二是用來防滲的柔(塑)性防滲墻，材料以柔性抗?jié)B材料為主，露天煤礦截水帷幕類型屬于后者，選擇此類柔性材料的另外一個(gè)原因，還在于能夠抵抗由于露天礦剝采引起的一定程度的邊坡滑動(dòng)變形。目前來說，我國(guó)露天煤礦截水帷幕工程中用到的防滲材料有以下幾種。

3.3.1 混凝土

露天煤礦帷幕施工所用混凝土一般有2 種，一是抗?jié)B混凝土[33]，二是塑性混凝土。抗?jié)B混凝土一般要求抗?jié)B等級(jí)大于等于P6，塑性混凝土是由水、水泥、膨潤(rùn)土、粗骨料、細(xì)骨料及外加劑配制而成，水泥用量較少，具有較好防滲性能和較大極限變形，要求28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)1.0～5.0 MPa，滲透系數(shù)為10-6～10-8cm/s。

3.3.2 HDPE 防滲膜

HDPE 防滲膜是近年來出現(xiàn)的新型柔性防滲材料，主要成分是高密度聚乙烯，材料厚度0.5～2.0 mm，防滲系數(shù)可達(dá)1.0×10-11cm/s，具有很強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，適應(yīng)地質(zhì)不均勻沉降、變形的能力強(qiáng)。最初多用于邊坡斜鋪或平面鋪設(shè)，目前已成功應(yīng)用于垂向隱蔽鋪設(shè)。防滲膜主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 HDPE 防滲膜主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of the HDPE geomembrane

3.3.3 粉煤灰-水泥混合漿

粉煤灰水泥混合漿液[34]是利用粉煤灰和水泥2 種材料制作的混合漿液，其中粉煤灰的占比較大，根據(jù)不同的地材特性，一般要求水固比0.7∶1；其次根據(jù)不同的比重要求和防滲性能要求，水泥與粉煤灰的質(zhì)量比在2∶8 和4∶6 之間。這種材料是一種很好的充填材料，既可以充分置換槽段內(nèi)泥漿，又能夠充填槽段，且具有良好的防滲性能。在我國(guó)許多地區(qū)，粉煤灰是一種較難處理的工業(yè)廢棄物，該材料將粉煤灰變廢為寶，既產(chǎn)生了環(huán)保效益，又降低了成本。

4 露天煤礦截水帷幕關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

我國(guó)露天煤礦截水帷幕實(shí)施始于2015 年，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)研究了截滲減排影響機(jī)制，在施工工藝、防滲材料、效果檢驗(yàn)方法體系等方面進(jìn)行了創(chuàng)新，突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，成果豐碩。

4.1 防滲膜大深度垂向隱蔽鋪設(shè)與連接技術(shù)

防滲膜多用于平面或斜面鋪設(shè)，垂向鋪設(shè)深度不超過20 m，在扎尼河露天煤礦實(shí)施的截水帷幕項(xiàng)目中，通過自主研制的防滲膜供膜、鋪設(shè)裝置和鋪設(shè)方法[35]，實(shí)現(xiàn)防滲膜垂向隱蔽鋪設(shè)深度突破56 m。其次，利用接頭箱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了同一槽段內(nèi)和不同槽段間的防滲膜疊覆連接(圖4)，優(yōu)點(diǎn)是施工效率高，效果好。接頭箱工藝有效解決了不同槽段間防滲膜搭接的難題，使單幅防滲膜帷幕墻連接成整體，鋪設(shè)效率高、易控制。

圖4 防滲膜的不同連接方式Fig.4 Different connection modes of the impervious membranes

在元寶山露天煤礦截水帷幕實(shí)施過程中，實(shí)現(xiàn)了防滲膜的磁吸式水下連接，主要是通過在防滲膜兩端添加磁條(圖5)，使防滲膜下放完成后實(shí)現(xiàn)自吸。磁吸式連接進(jìn)一步提升了防滲膜連接的質(zhì)量，防滲效果更優(yōu)。

圖5 防滲膜磁吸式連接技術(shù)Fig.5 Magnetic suction complete connection of the impervious membrane

4.2 超長(zhǎng)槽段連續(xù)開挖澆筑與減接頭技術(shù)

通常情況下，將帷幕墻施工槽段劃分為一期槽和二期槽，一期槽段長(zhǎng)度7.0 m，二期槽段長(zhǎng)度2.8 m(圖6)。槽段連接處是容易滲水的薄弱環(huán)節(jié)，增加槽段長(zhǎng)度，可以減少接頭數(shù)量，提高施工效率，增強(qiáng)墻體防滲性能，但同時(shí)，槽段長(zhǎng)度增加，成槽時(shí)間延長(zhǎng)，坍塌風(fēng)險(xiǎn)增加，泥漿、充填材料供求壓力增加。在扎尼河露天煤礦開展的帷幕工程實(shí)施中，依據(jù)地層穩(wěn)定性分析，通過優(yōu)化護(hù)壁泥漿工藝參數(shù)和開展大量的槽段穩(wěn)定性試驗(yàn)，槽段穩(wěn)定時(shí)間提升至50 h 以上，單幅槽段開挖長(zhǎng)度突破常規(guī)的7 m，實(shí)現(xiàn)了單幅槽段22 m 的連續(xù)開挖，接頭數(shù)量減少了2/3，提升了帷幕墻的整體性。

圖6 槽段劃分Fig.6 Groove section division

4.3 粉煤灰-水泥混合漿液與HDPE 防滲膜復(fù)合帷幕技術(shù)

HDPE 防滲膜作為主要防滲材料，在疊覆連接或磁吸連接的基礎(chǔ)上，防滲性能完全滿足要求。粉煤灰-水泥混合漿液作為充填材料，一是實(shí)現(xiàn)了槽段充填，壓緊防滲膜；二是該材料本身具有一定的防滲性能，形成雙重防滲介質(zhì)，防滲效果再次得到提升(圖7)；三是降低了材料成本；四是防滲膜作為一種柔性材料，也提高了帷幕整體抗變形性能。

圖7 復(fù)合帷幕材料Fig.7 Composite curtain materials

4.4 帷幕質(zhì)量與截水效果綜合檢驗(yàn)體系構(gòu)建

露天煤礦截水帷幕建造周期較長(zhǎng)，截水效果并非立即見效而是逐漸顯現(xiàn)，因此，除了在施工過程中對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量把控外，還需采用一定的方法進(jìn)行截水效果檢驗(yàn)。

在我國(guó)露天煤礦截水帷幕工程實(shí)踐中，逐漸形成了定性和定量2 種類型、帷幕實(shí)施過程中和結(jié)束后2個(gè)階段的多種檢測(cè)檢驗(yàn)方法[36-37]，如聲波透射法、取心驗(yàn)證法、抽水試驗(yàn)法、流場(chǎng)分析法、水量對(duì)比法和綜合物探法等6 種方法，形成了檢驗(yàn)帷幕墻澆筑質(zhì)量、防滲性能和生態(tài)效益的“六位一體”綜合檢驗(yàn)體系。

5 展 望

(1) 截水帷幕能否在露天煤礦應(yīng)用取決于露天煤礦自身的水文地質(zhì)條件和面臨的水文地質(zhì)問題，針對(duì)不同的條件和問題做出準(zhǔn)確合理的設(shè)計(jì)是截水帷幕技術(shù)在露天煤礦推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

(2) 截水帷幕的截水效果是逐步顯現(xiàn)的，預(yù)測(cè)不同實(shí)施階段的截水效果是有必要的。對(duì)不同階段、不同區(qū)域截水效果精準(zhǔn)預(yù)測(cè)需要借助水文地質(zhì)學(xué)、水力學(xué)、流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)模擬等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，目前是截水帷幕研究與應(yīng)用中的技術(shù)難題。

(3) 截水帷幕槽段之間的連接部位依然是施工中的薄弱環(huán)節(jié)，是容易引起滲水的部位，接頭連接工藝的優(yōu)化、改進(jìn)和補(bǔ)救措施是未來研究的重點(diǎn)。

(4) 露天煤礦截水帷幕應(yīng)具有抗變形性能以適應(yīng)邊坡的滑動(dòng)變形，柔性防滲材料的研發(fā)以及防滲膜磁吸式連接的工程應(yīng)用是今后研究的方向。

6 結(jié)論

a.截水帷幕技術(shù)是解決露天煤礦因疏排水產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境破壞、地下水資源浪費(fèi)等問題的根本措施，可實(shí)現(xiàn)露天煤礦綠色安全高效開采。該技術(shù)在我國(guó)內(nèi)蒙古扎尼河、元寶山等露天煤礦得到了積極應(yīng)用和快速推廣。

b.地下連續(xù)墻截水帷幕是我國(guó)露天煤礦目前采用的主要帷幕形式，在設(shè)計(jì)理念、施工工藝、防滲材料、效果檢測(cè)體系等方面日趨完善，在實(shí)踐過程中，超長(zhǎng)槽段開挖大幅減少接頭數(shù)量、防滲膜磁吸式連接使連續(xù)墻抗?jié)B性能有了質(zhì)的提升。

c.截水帷幕技術(shù)在我國(guó)露天煤礦的成功應(yīng)用，豐富了露天煤礦防治水與水資源保護(hù)技術(shù)理論，促進(jìn)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，為露天煤礦地下水控制及安全綠色開采提供了新思路、新技術(shù)、新工藝，對(duì)我國(guó)露天煤礦開發(fā)中的生態(tài)環(huán)境與水資源保護(hù)和水害預(yù)防與控制有重要的示范意義，對(duì)其他非煤礦山及水利水電、交通等更高防滲等級(jí)要求的工程具有重要借鑒意義。

d.準(zhǔn)確合理的設(shè)計(jì)、截水效果的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、接頭工藝的優(yōu)化和柔性防滲材料的研發(fā)及工程應(yīng)用是截水帷幕今后研究的重點(diǎn)和方向。