我國大水礦山側(cè)向帷幕截水技術(shù)及水資源保護(hù)效果研究

王 海 ，董書寧 ，孫亞軍 ，王 皓

（1.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司, 陜西 西安 710077；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116）

0 引 言

大水礦山是指水文地質(zhì)條件復(fù)雜，每天礦坑疏排水量數(shù)萬立方米以上的礦山，我國廣泛分布這類礦山[1]。大水礦床充水來源均較為多樣化，大多是幾種水源共同補(bǔ)給地下釆坑，主要包括地表水系、大氣降水、孔隙水、裂隙水、巖溶水。也有部分礦床在非雨季以巖溶水為最主要充水來源，在雨季則以大氣降水、地表水等為主要充水來源?？傮w來說，可以將大水礦床分為以孔隙水為主要充水來源的礦床和以巖溶水為主要充水來源的礦床[2]。由于此類礦山的含水層厚、涌水量較大，通常難以疏干，同時排水量大、排水費(fèi)用高、還引起地面塌陷，給礦山的安全開采帶來極大的威脅[1]。

我國礦山資源的開采強(qiáng)度和開采規(guī)模高于國外發(fā)達(dá)國家，產(chǎn)生的礦井水量較大，我國煤礦平均富水系數(shù)約為1.87，2018 年我國煤炭產(chǎn)量36.8 億t，礦井水產(chǎn)生量約為68.8 億m3，煤礦礦井水平均利用率約為 35%，礦井水的外排、滲漏造成嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)[3]。

國外安格連斯克煤礦、斯托林鐵礦、羅希亞煤礦等在砂層、煤層和卵石層中構(gòu)筑礦山截水帷幕，取得了良好的效果[4]。我國礦山防治水工作者在多年從事礦井注漿堵水工作所積累的豐富經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，借鑒水電部門壩基灌漿防滲技術(shù)，提出利用鉆孔注漿建造帷幕，堵截礦區(qū)地下水流的方法[5]。自20 世紀(jì)60 年代以來，側(cè)向帷幕截水技術(shù)先后在煤炭、冶金、有色金屬、化工等系統(tǒng)的大水礦山相繼應(yīng)用，取得可喜的成功，效益顯著[5]。目前，大水礦山防治水技術(shù)主要包括以下3 個部分：地表疏干、地下疏干、控制疏干，地面帷幕注漿，井下帷幕注漿[2]。疏干排水會引發(fā)地下水位下降、水資源枯竭、巖溶塌陷和地面沉降、地表水污染、地下水環(huán)境惡化、海水倒灌等問題。通過探明礦山水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，厘清礦坑水的補(bǔ)給源和補(bǔ)給通道，根據(jù)礦山水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，確定適宜的側(cè)向截水帷幕路線、頂?shù)孜恢?，確保帷幕底部進(jìn)入穩(wěn)定隔水層、頂部高于歷史水位，構(gòu)筑連續(xù)的帷幕墻體攔截礦山外圍含水層側(cè)向補(bǔ)給，從根本上解決礦山面臨的水資源和生態(tài)保護(hù)難題，變被動治理為主動保水[6]。

《煤礦防治水細(xì)則》規(guī)定“煤礦防治水工作應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采的原則，根據(jù)不同水文地質(zhì)條件，采取探、防、堵、疏、排、截、監(jiān)等綜合防治措施”[7]。其中“防、堵、截”的治理措施可從源頭上減少礦山涌水量、避免水害事故的發(fā)生。同時，《煤礦防治水細(xì)則》明確提出“推進(jìn)防治水工作由過程治理向源頭預(yù)防、局部治理向區(qū)域治理、井下治理向井上下結(jié)合治理、措施防范向工程治理、治水為主向治保結(jié)合的轉(zhuǎn)變”[7]。近年來，我國在煤炭、有色金屬、冶金、化工等行業(yè)大水礦山施工了80 多個截水帷幕工程，減少了礦坑疏排水量、保障了礦山安全開采、保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，取得了良好的應(yīng)用效果。將我國大水礦山現(xiàn)狀、側(cè)向帷幕截水技術(shù)及其應(yīng)用效果進(jìn)行分析，為礦山企業(yè)水資源和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 我國大水礦山現(xiàn)狀

我國礦產(chǎn)資源開采方式主要有露天開采和地下開采2 種。礦山露天開采首先將表層巖土剝離，然后進(jìn)行煤炭和礦石的開采，具有資源采出率高、勞動效率高、機(jī)械化程度高、安全條件好、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)。地下開采通過開鑿豎井或斜井到達(dá)煤層或礦層之后，再開鑿出煤巷或巖巷以及采煤或采礦工作面，然后開采煤炭或礦石，運(yùn)出地面。無論是露天開采還是地下開采均會改變原有的地層條件和地下水環(huán)境，我國礦山大多受地下水影響，礦井疏排水量巨大，單個礦井日排水量可達(dá)數(shù)十萬立方米。

我國部分大水礦山涌水量見表1，每天礦井涌水量數(shù)萬立方米到數(shù)十萬立方米。大水煤礦主要補(bǔ)給源是相鄰礦井、灰?guī)r裂隙水、溶隙水、地表水、砂巖風(fēng)化裂隙水、巖溶水、老空水和第四松散層水。而有色金屬、冶金礦山主要補(bǔ)給源是第四系松散層水、灰?guī)r溶隙裂隙水和巖溶水。

表1 我國部分大水礦山涌水量統(tǒng)計(jì)[5-40]Table 1 Water inflow statistics of some of the water abundant mines in China[5-40]

如表1 所示，礦山疏排水量巨大，礦山防排水問題解決不好不僅增加礦山排水費(fèi)用、降低礦山經(jīng)濟(jì)效益，還可能引發(fā)事故、災(zāi)害，造成生命、財產(chǎn)損失，影響生態(tài)環(huán)境，致使泉水?dāng)嗔?、水井干涸、地面塌陷?/p>

2 大水礦山側(cè)向帷幕截水技術(shù)

為破解礦山疏干排水引起的水資源和生態(tài)環(huán)境問題，針對我國礦山水文地質(zhì)條件和現(xiàn)場實(shí)際需求，在水利水電帷幕灌漿、混凝土防滲墻、黏土截水槽和高壓噴射灌漿等[41]垂向防滲方式的基礎(chǔ)上發(fā)展了多種大水礦山側(cè)向帷幕截水技術(shù)。

2.1 我國現(xiàn)有大水礦山帷幕截水技術(shù)

自20 世紀(jì)60 年代以來，我國相繼在煤礦、冶金礦山、有色礦山等實(shí)施了80 余項(xiàng)截水帷幕工程，礦山涌水的補(bǔ)給源包括相鄰被淹礦井、地表河流、第四系松散層、巖溶裂隙、燒變巖、斷層破碎帶等，帷幕技術(shù)包括地面直鉆孔注漿、井下直鉆孔注漿、地面水平定向鉆孔注漿、井下水平鉆孔注漿、旋噴注漿、混凝土地連墻、咬合樁、超高壓角域射流注漿、防滲膜帷幕等。側(cè)向帷幕構(gòu)筑機(jī)械有地面鉆機(jī)、地面定向鉆機(jī)、井下鉆機(jī)、旋噴鉆機(jī)、MJS、雙輪銑、液壓抓斗成槽機(jī)等。側(cè)向帷幕構(gòu)筑材料有水泥漿液、水泥粉煤灰漿液、水泥黏土漿液、黏土漿液、水泥水玻璃漿液、水泥粉煤灰水玻璃漿、水泥尾砂漿、水泥尾砂黏土漿、混凝土、水泥尾礦砂漿、HDPE 膜（表2）。

表2 我國礦山帷幕截水技術(shù)及工程統(tǒng)計(jì)[5-39,42-77]Table 2 Statistics of curtain interception technologies and engineering of mines in China[5-39,42-77]

1964—1965 年，青山泉煤礦為切斷2 號井與3號井之間含水灰?guī)r的水力聯(lián)系，解除生產(chǎn)礦井受相鄰被淹井的威脅，保證3 號井的安全生產(chǎn)。在灰?guī)r中進(jìn)行帷幕注漿，成功建成我國第一個礦區(qū)帷幕，封堵了流向礦井的地下水[5]。青山泉煤礦灰?guī)r巖溶率20%～30%，地下水流速30～538 m/h，礦坑最大涌水量1 320 m3/h，采用地面直鉆孔注漿，鉆孔間距3.5～10 m，帷幕墻長度565 m，深度10～150 m，帷幕墻厚10 m，采用水泥黏土漿、水玻璃注漿材料。帷幕截水率13.6%，帷幕內(nèi)外水位差27 m，水量減少228.3 m3/h，消減了洪峰，解除了淹井威脅。

1970—1986 年，水口山鉛鋅礦灰?guī)r溶隙的滲透系數(shù)35.32 m/d，地下水流速44 m/h，涌水量71 520 m3/d，為減少礦坑涌水量，防止疏干引起的地表塌陷，采用“地面直鉆孔+定向鉆孔”注漿，孔間距10 m，灌注水泥、尾砂，是我國在厚層灰?guī)r中建造的第一個注漿截水帷幕。水口山鉛鋅礦厚層灰?guī)r懸掛式注漿帷幕長560 m，深度200～652 m，平均深450 m，墻厚10 m，截水率55.00%，水量減少到32 184 m3/d，堵截洪峰，保障了礦山安全。

1978—1983 年，滏嶺莊煤礦為截斷深部大青灰?guī)r含水層側(cè)向補(bǔ)給，減少礦井涌水量，采用地面直鉆孔注漿帷幕，鉆孔間距7～10 m，水泥粉煤灰漿液。我國礦山系統(tǒng)第一個在深部薄層灰?guī)r中建造注漿帷幕截流工程，帷幕長度630 m，深度273 m，內(nèi)外水位差20 m，節(jié)省排水費(fèi)60 萬元/a。

目前，礦山截水帷幕從垂向上是否進(jìn)入隔水層分為①落底式帷幕：帷幕底端穿透含水層并進(jìn)入下部隔水層一定深度的截水帷幕，如扎尼河露天礦帷幕、硫磺溝煤礦帷幕、張家峁煤礦帷幕、朱仙莊煤礦帷幕、黑旺鐵礦（露天）帷幕、后江橋鐵錳礦帷幕等；②懸掛式帷幕：帷幕底端置于含水層中的截水帷幕，如水口鉛鋅礦帷幕、銅錄山銅礦（露井聯(lián)合）帷幕、大紅山礦帷幕等。

而礦山截水帷幕從平面上是否閉合分為①全封閉式帷幕：將工作面、采區(qū)或礦區(qū)圈閉在帷幕范圍內(nèi)，在平面上形成連續(xù)的閉合圈層。如中關(guān)鐵礦帷幕、谷家臺鐵礦帷幕、劉樓鐵礦帷幕；②半封閉式帷幕：未將工作面、采區(qū)或礦區(qū)完全圈閉在帷幕范圍內(nèi)，在平面上未形成連續(xù)的閉合圈層。如青山泉煤礦帷幕、扎尼河露天礦帷幕、硫磺溝煤礦帷幕、張家峁煤礦帷幕、朱仙莊煤礦帷幕等。

礦山截水帷幕按施工場地空間位置又分為①地面注漿帷幕：造漿、壓漿和注漿孔鉆進(jìn)均在地面進(jìn)行，便于用大型鉆機(jī)和大型設(shè)備，效率高，質(zhì)量好，但相對鉆孔有效進(jìn)尺較低，特別是在含水層較薄時；②井下注漿帷幕：造漿、壓漿和注漿孔鉆進(jìn)均在井下巷道硐室中進(jìn)行，適用于含水層埋藏深度大，有可利用的井下巷道或具備開拓注漿巷道的條件。需增加井巷開拓投資，鉆進(jìn)、注漿不能用大型設(shè)備；③地面?井下聯(lián)合注漿帷幕：造漿、壓漿在地面通過輸漿孔向井下鉆進(jìn)的注漿孔注漿，可利用大型設(shè)備，效率高，節(jié)約工作量，鉆孔針對性強(qiáng)[61]。

2.2 大水礦山帷幕截水技術(shù)對比

落底式礦山截水帷幕深入含水層底板的隔水層不小于5 m，適用于含水層厚度不大，透水性相對均一的情況；該類型帷幕對含水層頂?shù)装彘g全面封閉，解決了深部繞流，一般堵水率較高，但帷幕工程量較大。懸掛式礦山截水帷幕置于強(qiáng)含水層中或僅穿透強(qiáng)含水帶進(jìn)入弱透水帶，適用于含水層厚度大，截水率要求不高的情況；該類型帷幕工程量較小，在設(shè)計(jì)堵水率的范圍內(nèi)，可縮短工期，降低造價，但存在一定的深部繞流問題。

目前截水帷幕構(gòu)筑工藝主要有鉆孔注漿、旋噴、地連墻、咬合樁、防滲膜等（表3）。鉆孔注漿帷幕包括地面直鉆孔注漿、地面定向水平孔注漿、井下水平孔注漿、井上下聯(lián)合鉆孔注漿等；通過施工鉆孔，在鉆孔中分段注漿，漿液通過鉆孔進(jìn)入地層，在地層中擴(kuò)散、凝結(jié)形成連續(xù)的帷幕墻體；適應(yīng)巖溶、溶隙、裂隙地層；具有施工方便、工藝流程簡單、截水率較高的優(yōu)勢，同時鉆孔注漿漿液擴(kuò)散范圍大、注漿量不可控，在松散層擴(kuò)散范圍小、不易形成連續(xù)帷幕墻體。

表3 截水帷幕技術(shù)對比Table 3 Comparison of interception curtain technology

旋噴帷幕包括單管旋噴、雙重管旋噴、三重管旋噴、多重管旋噴，利用鉆機(jī)將旋噴注漿管及噴頭鉆置于帷幕底設(shè)計(jì)高程，將預(yù)先配制好的漿液通過高壓發(fā)生裝置使液流獲得巨大能量后，從注漿管邊的噴嘴中高速噴射出來，形成一股能量高度集中的液流，直接破壞土體，噴射過程中，鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊提升，使?jié){液與土體充分?jǐn)嚢杌旌?，在土中形成一定直徑的柱狀固結(jié)體，從而使土體得到加固、阻水。適宜淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土、沙土、人工填土和碎石土地層；具有效果好、原位處置、截水率高的優(yōu)勢，同時造價高、施工速度慢、效率低、廢漿污染環(huán)境。

地連墻是在地面上采用一種雙輪銑、液壓抓斗成槽機(jī)械，沿著帷幕軸線，在泥漿護(hù)壁條件下，開挖出一條狹長的深槽，清槽后，用導(dǎo)管法灌筑水下混凝土筑成一個單元槽段，如此逐段進(jìn)行，在地下筑成一道連續(xù)的混凝土墻，作為截水、防滲、擋水結(jié)構(gòu)。適宜松散層、巖層，可施工150 m 深度；具有工效高、工期短、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)效益高的優(yōu)勢，同時造價較高、施工深度受限。

樁排式帷幕是通過大直徑鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)施工垂向鉆孔至帷幕設(shè)計(jì)深度，在鉆孔內(nèi)灌注素混凝土或漿液，使相鄰排樁間部分圓周相嵌，形成具有良好防滲作用的整體連續(xù)阻水結(jié)構(gòu)。適應(yīng)于松散層及風(fēng)化基巖地層，具有截水效果較好、機(jī)械占地空間小、地面施工方便的優(yōu)勢，同時接頭多、質(zhì)量難控制、造價較高、工期較長。

防滲膜帷幕是近年研發(fā)并成功應(yīng)用的截水帷幕形式，成槽方式與地連墻一致，在地面上采用一種雙輪銑、液壓抓斗挖槽機(jī)械，沿著帷幕軸線，在泥漿護(hù)壁條件下，開挖出一條狹長的深槽，清槽后，在槽段內(nèi)垂向隱蔽鋪設(shè)HDPE 防滲膜，如此逐段進(jìn)行，在地下筑成一道連續(xù)的防滲膜帷幕墻，作為截水、防滲結(jié)構(gòu)。適宜松散層、巖層，可施工150 m 深度；造價低、施工效率高、耐用、效果好，同時防滲膜橫向連接困難、整體性較弱、施工深度受限。

礦山截水帷幕常用防滲材料見表4，天然黏土無化學(xué)污染物、環(huán)境影響小、成本低，但滲透系數(shù)大、防滲能力弱、取土破壞耕地。膨潤土滲透系數(shù)小、防滲性好、適應(yīng)不均勻沉降，但是施工條件苛刻、失水易干燥、遇水會膨脹。防滲膜延伸性好，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性好，防滲性能好，使用量少，易于運(yùn)輸；缺點(diǎn)是對鋪設(shè)技術(shù)和條件要求較高，容易被刺破，沒有自動愈合修復(fù)能力?？?jié)B混凝土具有來源廣泛、施工簡便，兼有防滲和承重2 種功能等優(yōu)點(diǎn)，但防滲性能不及防滲膜好，而且混凝土屬于不均勻的脆性材料，易產(chǎn)生沉降和裂縫[74]。水泥粉煤灰漿液材料來源廣泛、施工簡便、擴(kuò)散性好、防滲性較好，由于粉煤灰火山灰活性反應(yīng)慢、漿液凝結(jié)慢、抗沖刷弱、擴(kuò)散范圍不可控，材料用量大。水泥水玻璃雙液漿凝膠快、抗沖刷性好、擴(kuò)散范圍小、防滲性較好，但耐久性弱、脆性大、成本高。

表4 防滲材料基本特點(diǎn)對比Table 4 Comparison of basic characteristics of impermeable materials

3 大水礦山側(cè)向截水帷幕典型案例分析

在我國已施工的80 多個礦山截水帷幕工程中篩選中關(guān)鐵礦、硫磺溝煤礦、朱仙莊煤礦和扎尼河露天礦4 個典型案例進(jìn)行截水帷幕技術(shù)對比分析。

3.1 中關(guān)鐵礦全封閉注漿帷幕

中關(guān)鐵礦位于河北省沙河市，礦床位于邯邢鐵礦田，是一個儲量近億噸、品位超過46%的優(yōu)質(zhì)礦山，屬于埋藏較深的隱伏礦體，礦床頂板為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r，裂隙巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)，典型的矽卡巖型復(fù)雜富水礦床[23,75]。同時該礦位于百泉泉域地下水強(qiáng)徑流帶，開采?230 m 中段時，礦坑涌水量可達(dá)15×104m3/d。為了解決礦山開采、安全運(yùn)營以及采礦與地下水資源保護(hù)等方面的矛盾問題，需系統(tǒng)性解決地下水問題，開展了“礦體側(cè)向大型注漿截水帷幕”礦山防治水與礦區(qū)地下水生態(tài)環(huán)境綜合治理工程[23]。

在礦區(qū)南端礦量集中區(qū)實(shí)施環(huán)形單排全封閉注漿帷幕3 393 m，單排注漿孔，鉆孔間距12 m，鉆孔平均深510 m、最深830 m，帷幕厚10 m，帷幕主體工程注漿孔314 個，檢查孔 38 個，特殊地段的加密孔41 個，平均孔深519.50 m，注漿段單孔平均長度381.04 m。鉆探總進(jìn)尺204 163.50 m，注漿段總長135 269.20 m。注漿壓力為靜水頭壓力的1.5～2.0倍，注漿方式采用下行式注漿。注漿材料以單一水泥漿為主，遇特殊地段適當(dāng)加入摻合料如砂、黏性土、粉煤灰和水玻璃等[75]。中關(guān)鐵礦是我國首個對礦山先進(jìn)行治水，然后再建井的例子。

3.2 硫磺溝煤礦落底式基巖注漿帷幕

硫磺溝煤礦第四系松散含水層厚5～17 m，滲透系數(shù)大，與頭屯河水力聯(lián)系密切。第四系松散含水層在河床與4-5 煤、9-15 煤露頭直接接觸，存在一定的水力聯(lián)系。受礦區(qū)周邊老空區(qū)地面塌陷影響，老空區(qū)涌水量增大至14 756 m3/d。但礦區(qū)滲流通道、滲流路徑及滲流邊界不清，老空水的補(bǔ)給通道主要為頭屯河河床塌陷形成的通道，頭屯河水直接補(bǔ)給老空水。

如圖1 所示，根據(jù)物探探測出的電阻異常區(qū)域采用鉆探探查驗(yàn)證，K2 線探出3 處采空區(qū)、1 條巷道，K3 線揭露1 處采空區(qū)、2 條巷道。在K2、K3 線探測出采空區(qū)、巷道的位置分別加密1～2 排鉆孔進(jìn)一步探測，排間距2 m，鉆孔梅花狀布置，鉆孔間距4 m。

圖1 硫磺溝煤礦帷幕鉆孔平面布置Fig.1 Layout of curtain drilling in Liuhuanggou Coal Mine

在揭露的采空區(qū)和廢棄巷道澆筑C30 混凝土，通過鉆孔灌注至采空區(qū)或廢棄巷道，充填、加固河床下部采空區(qū)和廢棄巷道，共灌注C30 商砼2 500 m3左右。采空區(qū)和巷道上部采用純水泥漿注漿加固地層裂隙和細(xì)微空洞，揭露煤巖體的鉆孔采用純水泥漿封堵鉆孔，避免形成垂向?qū)ǖ馈Ｍㄟ^灌注混凝土和純水泥漿液，在礦區(qū)東側(cè)形成1 道長約160 m、寬30 m 的地下截水帷幕墻體，隔斷了礦區(qū)老空區(qū)與外側(cè)頭屯河河床之間的水力聯(lián)系。

3.3 朱仙莊煤礦定向水平孔注漿帷幕

如圖2 所示，朱仙莊煤礦井田北部 “五含”地層大面積壓覆于 8 煤層、10 煤層等含煤地層、“太灰”及“奧灰”含水層之上，呈角度不整合接觸關(guān)系。

圖2 朱仙莊煤礦帷幕平面示意Fig.2 Curtain plan of Zhuxianzhuang Coal Mine

“五含”與“四含”、“太灰”和“奧灰”之間均存在明顯水力聯(lián)系，垂向和側(cè)向補(bǔ)給條件良好，威脅礦井北部8 煤層安全開采[47]。通過在朱仙莊煤礦8 煤層分布區(qū)外側(cè)約120 m 位置建造一條長約3 130m、有效寬度約40 m、高約60 m 的帷幕墻。采用地面直孔和水平孔2 種鉆孔方式，地面直孔94 個，水平孔20 個，總鉆探進(jìn)尺約73 000 m。注漿材料以水泥為主，摻注粉煤灰，特殊情況下灌注黃沙等骨料[47]。朱仙莊煤礦截水帷幕是國內(nèi)首次實(shí)施“大規(guī)模長距離”松散層、巖溶地層混合地下截水帷幕工程。

3.4 扎尼河露天煤礦防滲膜落底式截水帷幕

扎尼河露天煤礦砂卵石層粒徑1～5 cm，次圓狀，分選好，含少量細(xì)砂，滲透性好，滲透系數(shù)達(dá)80～180 m/d[76]。受礦坑疏排水影響，地下水徑流方向變?yōu)橄驏|北、北向疏降中心徑流，疏降中心形成疏降漏斗。礦坑疏排水量主要由露天煤礦北側(cè)海拉爾河河水通過第四系強(qiáng)滲透砂卵石層沿煤層隱伏露頭動態(tài)補(bǔ)給組成，動態(tài)補(bǔ)給量約占疏排水總量的82%以上[77]。

礦坑疏排降水破壞周邊草原生態(tài)環(huán)境、造成水資源浪費(fèi)，為減少露天煤礦礦坑疏排水量、保護(hù)草原水資源和生態(tài)環(huán)境，采用截水帷幕替代傳統(tǒng)的露天煤礦疏排降水方案[76-77]。如圖3 所示，扎尼河截水帷幕分別應(yīng)用了防滲膜帷幕、抗?jié)B混凝土地連墻、超高壓角域射流注漿、咬合樁帷幕，形成了“頂不越、底不漏、兩端不繞、接頭不滲”的5 815 m 地下截水帷幕墻，其中防滲膜帷幕長3 100 m。帷幕墻厚0.6～0.8 m，深度21～56 m，進(jìn)入底部相對隔水層泥巖2 m。

圖3 扎尼河露天礦截水帷幕平面示意Fig.3 Schematic plan of water cut-off curtain at Zani River open pit mine

如圖4 所示，防滲膜帷幕采用液壓抓斗、雙輪銑等成槽機(jī)在帷幕線位置開挖出寬0.6～0.8 m、深21～56 m 的溝槽，每幅槽段長度根據(jù)地層條件分為8 、15 、22 m，開挖過程中采用泥漿保證槽壁穩(wěn)定。由防滲膜鋪膜機(jī)從槽口向槽底垂向隱蔽鋪設(shè)HDPE 防滲膜，每幅防滲膜之間采用接頭箱連接，形成連續(xù)的防滲膜帷幕。帷幕槽段內(nèi)注入粉煤灰摻量80%的水泥粉煤灰混合漿液，漿液置換出槽段內(nèi)泥漿重復(fù)利用，混合漿液與防滲膜形成復(fù)合防滲墻體，既提高了防滲墻的防滲性能，又實(shí)現(xiàn)了帷幕墻體可變形[6,76]。

圖4 扎尼河露天礦防滲膜帷幕示意Fig.4 Schematic of impermeable membrane curtain for Zani River open pit mine

4 側(cè)向截水帷幕水資源保護(hù)效果

中關(guān)鐵礦截水帷幕構(gòu)筑完成后，帷幕內(nèi)外40 m水力坡度明顯高于礦區(qū)天然水力坡度和帷幕內(nèi)水力坡度，井筒施工少量排水及礦區(qū)水位季節(jié)性變化即可引起水力流場的明顯變化，帷幕注漿工程有效隔斷了地下巖溶裂隙水貫通，發(fā)揮了明顯的阻水作用。礦坑疏排水量由150 300 m3/d 減少到30 000 m3/d，截水率在80%以上，取得了非常好的效果，保護(hù)了地下水資源與水文地質(zhì)環(huán)境，改善了采礦作業(yè)條件，提高了井下作業(yè)的安全程度，降低排水費(fèi)用[23,75]。

由圖5 可知，2018 年8 月，硫磺溝煤礦老空區(qū)涌水量增大至9 022 m3/d，對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。2019 年4 月，開始實(shí)施礦區(qū)與頭屯河之間的K2、K3 線截水帷幕工程，施工過程中的老空區(qū)涌水量逐漸下降。2019 年6 月，截水帷幕施工完成，老空區(qū)涌水量降至251 m3/d，并維持穩(wěn)定涌水量，較2018 年最大涌水量減少了97.2%。截水帷幕工程經(jīng)歷了2019年6—8 月頭屯河徑流的檢驗(yàn)，效果良好，老空區(qū)涌水量未出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。每年減少1 650 713 m3老空區(qū)涌水量，保護(hù)了地表水資源。

圖5 硫磺溝截水帷幕實(shí)施前后老空區(qū)水量變化Fig.5 Changes of water quantity in goaf area before and after the implementation of water interception curtain

朱仙莊煤礦帷幕建成后帷幕內(nèi)“五含”初始水位基本在?70 m，帷幕外“五含”初始水位為?11.7～?21.1 m，平均約?17 m，墻內(nèi)外水位差50 m，帷幕截流作用明顯。放水試驗(yàn)?zāi)┢?，帷幕?nèi)“五含”水位降至?230 m，累計(jì)降深160 m 左右，帷幕外“五含”水位平均降至?25 m，累計(jì)降深約11 m，帷幕內(nèi)外水位差約為 200 m。“五含”水位疏降至?230 m 時，地下水由帷幕外向帷幕的殘余滲水量約為50 m3/ h，當(dāng)疏降至?350 m 時，地下水由帷幕外向帷幕內(nèi)的殘余水量約為 91 m3/h，截流率達(dá)到95.26%[47]。

如圖6 所示，自扎尼河露天煤礦截水帷幕施工以來，礦坑疏排水量開始逐漸減少，至2020 年9 月，露天煤礦疏排水量已減少75.02%，動態(tài)補(bǔ)給量已減少89%，礦區(qū)水資源保護(hù)效果顯著。截水帷幕外側(cè)水位較之前明顯抬升，帷幕位置水位由之前的埋深12 m 左右抬升至6.5 m，地下水水位逐漸恢復(fù)至原始水位，地下水位達(dá)到了植被正常生長的閾值地下水位埋深[6]。

圖6 扎尼河露天煤礦礦坑疏排水減少情況Fig.6 Reduction of drainage in open pit coal mine

由上述4 個典型案例可知，礦山側(cè)向截水帷幕技術(shù)從源頭上解決礦區(qū)水害威脅、水資源浪費(fèi)問題，可有效減小礦山開采對地下水和生態(tài)環(huán)境造成的損傷，實(shí)現(xiàn)礦山真正意義上的保水、保生態(tài)、減損、綠色開采。

5 大水礦山側(cè)向截水帷幕技術(shù)發(fā)展趨勢

我國大水礦山側(cè)向帷幕截水技術(shù)已由地面直鉆孔注漿帷幕發(fā)展為井上下聯(lián)合定向水平鉆孔注漿、地連墻、防滲膜等多種帷幕截水技術(shù)，并在80 余座礦山應(yīng)用，取得非常好的應(yīng)用效果。但仍存在如下問題：

1）截水帷幕墻體連續(xù)性弱、注漿帷幕截水率低、造價高、垂向隱蔽鋪設(shè)防滲膜連接難度大、膜與膜之間有機(jī)連接工效低。

2）基巖注漿帷幕的漿液沿孔隙、裂隙擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍廣、方向不可控、漿液灌注量大、成本高。

3）基層側(cè)向帷幕大多采用直鉆孔或水平定向孔灌注漿液構(gòu)筑，通過填充貫通的裂隙、空洞形成連續(xù)的帷幕體，而相對完整的低滲巖層中帷幕墻體成墻困難，尚無有效的低滲巖層注漿技術(shù)。

針對礦山側(cè)向帷幕截水技術(shù)存在的問題，下一步礦山帷幕截水技術(shù)發(fā)展趨勢為：

1）松散層側(cè)向無接頭連續(xù)帷幕截水，實(shí)現(xiàn)截水帷幕連續(xù)、有機(jī)一體，提高帷幕連接質(zhì)量、施工效率和整體防滲效果。

2）基巖側(cè)向帷幕截水定向擴(kuò)散注漿材料，擴(kuò)散范圍和流動方向可控，力學(xué)性能好，密度小，體積穩(wěn)定，強(qiáng)度提高快，韌性好，能夠與周圍巖體協(xié)調(diào)變形，固化后形成閉孔連胞結(jié)構(gòu)，不透水。

3）低滲厚巖層側(cè)向帷幕截水構(gòu)筑技術(shù)，厚巖巖定向水平孔水力壓裂注漿、二氧化碳爆破注漿、孔間割縫注漿等，構(gòu)筑水平向帷幕體，形成連續(xù)的圈閉式側(cè)向截水帷幕，保護(hù)頂板含水層水資源。

6 結(jié) 語

1）我國礦山種類多、數(shù)量多，部分大水礦山每天礦井涌水量數(shù)萬立方米到數(shù)十萬立方米，疏干排水引發(fā)地下水位下降、水資源枯竭、巖溶塌陷和地面沉降、地表水污染、地下水環(huán)境惡化、海水倒灌等問題。

2）截水帷幕通過探明礦山水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，厘清礦山水的補(bǔ)給源和補(bǔ)給通道，設(shè)計(jì)適宜的截水帷幕軸線、頂?shù)孜恢茫捎玫孛驺@孔注漿、地面定向鉆孔注漿、井下鉆孔注漿、井上下聯(lián)合鉆孔注漿、樁排、地連墻等技術(shù)構(gòu)筑連續(xù)的截水帷幕墻體攔截含水層側(cè)向補(bǔ)給礦山。

3）我國礦山帷幕截水技術(shù)經(jīng)過近60 a 的發(fā)展，由單一的地面直鉆孔注漿發(fā)展為井上下定向鉆孔注漿、地連墻、防滲膜等多種帷幕截水技術(shù)，在80 余座礦山成功應(yīng)用，并取得非常好的應(yīng)用效果，保護(hù)了礦山水資源和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

4）下一步礦山帷幕截水技術(shù)將朝著松散層側(cè)向無接頭連續(xù)截水帷幕、基巖側(cè)向帷幕截水定向擴(kuò)散注漿、低滲厚巖層側(cè)向帷幕截水構(gòu)筑技術(shù)等方向發(fā)展，進(jìn)一步踐行綠水青山就是金山銀山理念，保障礦山地下水資源，實(shí)現(xiàn)礦山保水、保生態(tài)、減損、綠色開采。