元寶山露天煤礦疏排水現(xiàn)狀與帷幕截水實施效果

王晨光，高 勝，牛光亮

(1.內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司 元寶山露天煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024050；2.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710054)

露天采煤是我國煤炭資源開采的重要方式之一，為實現(xiàn)煤炭資源安全開采，露天煤礦需要對地下水進行預(yù)防和控制[1]。一直以來，我國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、集水坑等方式進行排水，這種方式不僅對地下水資源造成極大浪費，同時也破壞了礦坑周邊生態(tài)環(huán)境[2-4]。近年來，國家對地下水資源的保護利用制度不斷完善，礦井水“零”排放已成為行業(yè)趨勢，因此，露天煤礦開采必須采取有效措施保護好地下水資源，降低疏排水量。

截水帷幕技術(shù)作為露天開采領(lǐng)域一種新興的綠色開采、保水開采技術(shù)，主要通過建造地下帷幕狀墻體來阻隔或減少地下水流入露天采場[5]。該項技術(shù)自2015年首次在扎尼河露天礦應(yīng)用以來[6]，眾多學(xué)者進行了大量研究，初步形成了完善的技術(shù)體系和方法，帷幕截水技術(shù)也成為了煤炭行業(yè)保水采煤的研究熱點。董書寧等[7]根據(jù)工程實踐，提出構(gòu)筑連續(xù)的地下帷幕墻體可有效攔截潛水含水層側(cè)向補給；張雁等[8]以連續(xù)墻截水帷幕工法為例，系統(tǒng)總結(jié)了質(zhì)量控制措施和效果檢驗方法；李文嵩等[9]研發(fā)了一種防滲膜垂向鋪設(shè)工藝，大幅提高了墻體的防滲性；趙春虎等[10]總結(jié)了帷幕側(cè)向控水原理，并利用數(shù)值模擬分析了帷幕截水效果。

元寶山露天煤礦含煤地層全部被英金河沖積、洪積形成的強富水性第四系卵礫石層覆蓋，礦坑疏排水量常年居高不下(其中第四系水占95%)，建礦以來一直采用疏干排水的方式控制地下水，且疏排水量巨大[11，12]。為響應(yīng)我國綠色發(fā)展理念，實現(xiàn)保水采煤，元寶山露天煤礦轉(zhuǎn)變治水思路，轉(zhuǎn)“疏”為“截”，提出采用截水帷幕技術(shù)取代傳統(tǒng)疏排降水技術(shù)，并于2021—2022年在礦坑?xùn)|南側(cè)建造了一座平面長度約3600 m、寬0.8 m的截水帷幕，有效攔截了東南幫第四系涌水，保護了周邊地下水資源，同時解決了元寶山露天煤礦生態(tài)環(huán)保和經(jīng)濟安全等方面的難題。

1 露天煤礦概況

元寶山露天煤礦位于內(nèi)蒙古赤峰市元寶山區(qū)，地處燕山山脈的延伸部分，以低山丘陵為主，屬大陸季風(fēng)型氣候。礦區(qū)水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地表水系有英金河和老哈河兩條季節(jié)性河流，英金河從礦區(qū)中部穿過，整個露天區(qū)內(nèi)含煤地層全部被英金河沖積、洪積形成的富水性極強的第四系含水層覆蓋；老哈河位于礦區(qū)東南側(cè)，距離約3500 m。經(jīng)過多年的疏干排水，礦區(qū)周邊地下水位大幅下降，形成了以礦坑為中心的地下水降落漏斗，出現(xiàn)了老哈河河水向礦坑“倒灌”的現(xiàn)象。區(qū)域水文地質(zhì)如圖1所示。

圖1 元寶山露天煤礦區(qū)域水文地質(zhì)

礦區(qū)含水層主要為第四系孔隙潛水含水層和基巖承壓含水層。第四系潛水含水層主要由卵礫石、砂礫和細砂組成，厚度約38～75 m，平均厚度70 m，該含水層單位涌水量q為24～143 L/(s·m)，滲透系數(shù)K約為123～710 m/d，透水性強?；鶐r含水層主要是白堊系孔隙裂隙承壓水，由砂巖、砂礫巖、粉砂巖及煤層組成，富水性很弱，單位涌水量q為0.088 L/(s·m)，滲透系數(shù)約0.083 m/d。

2 疏排水現(xiàn)狀及問題

2.1 疏排水系統(tǒng)

元寶山露天煤礦自1990年建礦以來，經(jīng)過30多年的探索研究和實際運行，形成了“以群井疏干為主，明排疏干為輔，基巖巷道疏干為補充，精準疏導(dǎo)殘余水為保障”的聯(lián)合疏干排水系統(tǒng)。

1)群井疏干系統(tǒng)的目的在于超前采掘，預(yù)先降低地下水位，為露天礦采剝生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。元寶山露天煤礦采用環(huán)型加線型的方式布設(shè)疏干井群，有效將第四系潛水控制在安全范圍內(nèi)[13]。

2)明排疏干系統(tǒng)主要包括集水坑和排水溝，集水坑相當于一個大口徑的集中疏干井，并以排水溝作為擴大疏水影響范圍的一種手段。其位置處于采掘場含水層底部，既可解決大氣降水、坑內(nèi)滲出的明水，同時又起到平行降水疏干作用。

3)基巖巷道疏干系統(tǒng)是在采場煤層揭露處沿煤層施工巷道下山，并在巷道內(nèi)布設(shè)水平放水孔、巷道上方布設(shè)垂直放水孔的方式進行疏干放水，不僅解決了基巖水影響生產(chǎn)(陷車、陷鎬等)的難題，也滿足了安全生產(chǎn)及開拓延伸需要[11]。

4)殘余水精準疏導(dǎo)主要是利用相互連通的導(dǎo)水管溝和導(dǎo)水盲溝將殘余水引流至集水坑內(nèi)集中疏排，解決其他疏排水方式或礦井生產(chǎn)殘余水影響問題[14]。

2.2 疏排水量構(gòu)成

截水帷幕實施前，元寶山露天煤礦處于平行疏干階段，礦坑疏排水量已基本穩(wěn)定，約維持在16.4萬m3/d。疏排水量構(gòu)成見表1。從疏排水方式來看，疏干井排水量約7.2萬m3/d，眀排水量約9.2萬m3/d；從匯水方向來看，東南側(cè)邊坡明排涌水與疏干井排水量合計達到9.2萬m3/d，占整個礦坑疏排水總量的50%以上，西北側(cè)水量相對較小，為7.2萬m3/d；從充水水源來看，除基巖裂隙水占1.0萬m3/d以外，其余均為第四系涌水，占疏排水總量的近95%，是礦坑的主要充水水源。因此，東南側(cè)的第四系涌水是首要防治對象。

表1 元寶山露天煤礦疏排水量構(gòu)成 萬m3/d

2.3 疏排水問題

元寶山露天煤礦的聯(lián)合疏干排水系統(tǒng)雖然保證了礦坑的正常生產(chǎn)，但生態(tài)環(huán)保和經(jīng)濟安全兩大方面的問題仍十分突出。一方面，長期大量疏排地下水，造成礦區(qū)周邊地下水位下降，形成了地下水超采區(qū)，企業(yè)面臨的環(huán)保問題與地下水資源管理難度逐漸加大；另一方面，每年大量疏排水，造成疏排水費投入和水資源稅繳納數(shù)額巨大，增加了生產(chǎn)成本，而且礦坑?xùn)|南幫將實現(xiàn)內(nèi)排，第四系涌水制約內(nèi)排土場的形成，不利于礦坑邊坡穩(wěn)定，對安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅[15，16]。此外，隨著露天煤礦繼續(xù)向北推采，將跨越英金河沖洪積富水條帶，屆時疏排水量將達到23.8 萬m3/d，環(huán)保問題和疏排水費用將會進一步增加。因此，必須采取措施對第四系地下水進行治理。

3 帷幕截水技術(shù)研究

3.1 帷幕截水技術(shù)提出

帷幕截水施工技術(shù)至今已有50多年的歷史[17]，時至今日，根據(jù)成墻方式、墻的用途、墻體材料、開挖情況等不同的分類標準，被劃分為不同的類型，且廣泛應(yīng)用于水利水電、市政地鐵等基坑防滲工程領(lǐng)域，該技術(shù)具有施工效率高、截水效果好、地層適應(yīng)性強等優(yōu)點[5，18，19]。

根據(jù)元寶山露天煤礦疏排水現(xiàn)狀，分析其疏排水量構(gòu)成，其中第四系水占比95%，是礦坑的主要充水水源，為此，采用截水帷幕技術(shù)可有效封堵和攔截第四系水。由于東南側(cè)為第四系水主要來水方向，老哈河與英金河交匯河段地下水倒流為主要補給來源，在礦坑?xùn)|南側(cè)優(yōu)先實施截水帷幕可以起到立竿見影的截滲減排效果。

3.2 實施過程

根據(jù)整體布局，分步實施的原則，元寶山露天煤礦首先實施位于礦坑?xùn)|南側(cè)的截水帷幕一期工程，重點解決東南側(cè)涌水問題，防止老哈河河水倒灌，工程布置如圖2所示。為驗證帷幕工藝在元寶山露天煤礦的可行性，2021年在礦坑?xùn)|南側(cè)+452 m平盤開展工藝試驗，建造了一座平面長度1369 m、厚度0.8 m、深度16～43 m、墻體底部嵌入隔水層3 m的落底式截水帷幕，截水效果顯著。試驗工程攻克了多項技術(shù)難題，突破了防滲膜磁吸式水下隱蔽連接關(guān)鍵技術(shù)，形成了適用于元寶山露天煤礦的截水帷幕成套關(guān)鍵技術(shù)體系，為后續(xù)工程的實施奠定了基礎(chǔ)。在工藝試驗基礎(chǔ)上，2022年7月至11月完成了截水帷幕一期工程整體實施，累計平面長度近3600 m，墻體有效厚度0.8 m，墻體最大深度超過40 m，底部嵌入基巖隔水層3 m，保證了截水效果。

圖2 截水帷幕一期工程布置

圖3 截水帷幕剖面

3.3 工藝技術(shù)

元寶山露天煤礦采用的帷幕工藝是防滲膜垂向隱蔽鋪設(shè)與抗?jié)B混凝土澆筑充填的二元防滲工藝，將防滲、承重、抗變形等性能有效綜合，防滲效果更優(yōu)[20]，二元防滲結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。該技術(shù)的主要工藝流程為：槽段分幅開挖、防滲膜鋪設(shè)、澆筑成墻和墻體連接等四大步驟。

3.3.1 槽段分幅開挖

由于施工工藝限制，帷幕墻由單幅槽段拼接而成，墻體接縫對帷幕整體防滲效果至關(guān)重要，增加單幅槽段長度可減少接頭數(shù)量，增強防滲性能。槽段分幅一般分為首開幅(8 m)、閉合幅(7 m)和連接幅(6 m)三種類型。經(jīng)工程地質(zhì)條件分析及試驗研究，本次帷幕施工過程中優(yōu)化了分幅參數(shù)，將單幅槽段劃分為首開幅15 m、連接幅14 m和閉合幅13 m，提高了施工效率，減少了接頭數(shù)量，增強了帷幕墻整體連續(xù)性。

分幅完成后，采用成槽機或雙輪銑進行開挖，開挖過程中利用泥漿進行護壁，防止塌孔，同時需利用設(shè)備導(dǎo)向裝置控制槽段垂直度，達到設(shè)計深度后完成單幅槽段開挖。

3.3.2 防滲膜鋪設(shè)

防滲膜作為截水帷幕二元防滲工藝的關(guān)鍵防滲材料，具有良好的防滲性和延展性，采用寬8 m，厚1.5 mm的HDPE土工膜。防滲膜鋪設(shè)時需將膜卷至專用的鋪膜機具上，其次，借助配重將防滲膜緊貼外側(cè)槽壁垂直下放至槽段底部，固定后完成單幅防滲膜的鋪設(shè)。

為使防滲膜形成一道有機連續(xù)的帷幕體，提高帷幕墻的整體抗?jié)B性能，提出采用接頭箱技術(shù)將膜與膜之間進行連接，連接寬度為1 m，即一續(xù)防滲膜鋪設(shè)完成后，利用接頭箱自身體積占據(jù)1 m的連接空間，待相鄰槽段開完后，下放二續(xù)防滲膜，實現(xiàn)膜與膜之間的有效搭接。防滲膜連接如圖4所示。

圖4 防滲膜連接

3.3.3 注漿成墻

防滲膜鋪設(shè)完成后進行槽孔注漿，采用注漿導(dǎo)管泥漿下、導(dǎo)管升的技術(shù)進行澆筑，注漿材料為P6級抗?jié)B混凝土。根據(jù)槽段長度，配置兩套(槽長6～8 m)或四套導(dǎo)管(13～15 m)，根據(jù)槽孔深度，借助打灰架將每套導(dǎo)管連接后下放至槽底，澆筑前用直徑略大于導(dǎo)管管徑的橡皮球塞堵管口，避免澆筑時混凝土與泥漿混合。澆筑過程中每套導(dǎo)管澆筑速率均勻，通過適時提升和拆卸導(dǎo)管，保證導(dǎo)管底端在混凝土面以下2～6 m，達到設(shè)計標高后形成單幅混凝土墻體。

3.3.4 墻體連接

相鄰槽段間的墻體連接是整個帷幕墻形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，墻體之間的接縫對帷幕整體抗?jié)B性能有至關(guān)重要的影響。該工程墻體連接采用較為成熟的“接頭管”連接方式，將光滑的方管放置在槽段兩端，用來擋住澆筑材料并形成平整的墻面，接著施工相鄰槽段，從而完成墻體的連接，有效提高防滲截水效果。該方法應(yīng)控制好拔管時間，避免影響接頭質(zhì)量，一般在混凝土開始澆筑后的6 h后上下活動接頭管，10～14 h后可緩慢拔出。

4 帷幕截水實施效果

4.1 實體開挖與取芯驗證

實體開挖檢驗是截水帷幕墻體質(zhì)量檢測中最直觀、最有效的一種方法，在帷幕墻施工完成后，通過對墻體內(nèi)側(cè)土體進行開挖，觀察墻體澆筑質(zhì)量是否存在缺陷。該方法在市政基坑中較為常用，工程挖方量較大。由于本項目存在跨越平盤施工帷幕墻的特殊性(從+452 m平盤上升至+480 m地表)，為實現(xiàn)墻體的有效連接，需開挖邊坡露出部分墻體，同時可直觀檢驗墻體質(zhì)量，墻體開挖實景如圖5(a)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，帷幕墻鉛直、厚度均勻，混凝土澆筑連續(xù)、密實，未發(fā)現(xiàn)孔洞、夾層，防滲膜鋪設(shè)完好、平展，防滲膜與混凝土墻密貼良好。

圖5 墻體開挖實景與巖心樣

鉆孔取芯驗證與實體開挖類似，主要通過觀察墻體巖芯來判斷混凝土澆筑質(zhì)量，同時可檢驗底部沉渣厚度和墻體深度是否達到設(shè)計要求[5]，另一方面，在防滲膜垂向鋪設(shè)與混凝土充填雙重防滲工藝中，通過觀察巖芯樣之間是否夾膜來判斷防滲膜鋪設(shè)有無浮膜現(xiàn)象的發(fā)生。采用該方法時，要求混凝土澆筑28 d后進行，所取巖芯要按次序擺放整齊。元寶山露天煤礦帷幕墻巖芯取樣如圖5(b)所示，可以看出，巖芯密實、連續(xù)，無夾膜、孔洞等現(xiàn)象。

4.2 墻體聲波透射

聲波透射法是通過聲波在非連續(xù)或非均勻介質(zhì)中表現(xiàn)出波速、波長和頻率等參數(shù)變化來反映帷幕墻樁與樁之間的連續(xù)性與完整性[21，22]。其原理是在墻體澆筑過程中成對埋設(shè)一定數(shù)量的聲測管(間距1～1.5 m)，利用聲波發(fā)射和接收裝置探測墻體介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)，聲波透射探測如圖6所示。該方法是有效檢測帷幕墻接縫是否存在夾泥、透水孔等質(zhì)量缺陷的常用方法，要求在混凝土澆筑28 d后測試，測試時要保持發(fā)射探頭和接收探頭同步下放和提升。

圖6 聲波透射探測

元寶山帷幕實施過程中共檢測聲測管46對，其中聲學(xué)參數(shù)無異常，無聲速低于低線異常值的I類樁42對，個別測點聲學(xué)異常，輕微缺陷的II類樁4對，表明帷幕墻連接緊密，整體性強。

4.3 水位變化

水位變化觀測是一種分析和研究帷幕截水效果的動態(tài)觀測方法，同時能反映帷幕墻對地下水流場變化的控制作用，定性判斷截流防滲效果[8]。觀測孔需沿帷幕墻兩側(cè)成對、均勻進行布置，并進入目標含水層，數(shù)據(jù)監(jiān)測采用實時觀測的方式，以準確反映帷幕墻截水效果和顯現(xiàn)規(guī)律。

元寶山露天煤礦截水帷幕一期實施過程中共布設(shè)內(nèi)外觀測孔9對，采用遙測儀實時監(jiān)測水位變化，典型的2對觀測孔水位變化曲線如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)，隨著帷幕工程施工，帷幕墻內(nèi)外兩側(cè)觀測孔水位差逐漸增大，至施工結(jié)束，最大水位差已達26.17 m，其中，墻外水位上升17.85 m，墻內(nèi)水位下降8.32 m，有效攔截了采場東南幫第四系涌水，帷幕截水效果顯著。

圖7 帷幕墻兩側(cè)觀測孔水位變化曲線

4.4 疏排水量對比

疏干排水是露天煤礦生產(chǎn)過程普遍采用的一種控水方式，而截水帷幕是通過攔截地下水進入礦坑，達到截滲減排的目的。疏排水量的變化最能直接、有效地反映帷幕截水效果，是定量判斷帷幕截水效果的關(guān)鍵指標。截水帷幕實施前后，可從日、月、年等不同時間尺度分析疏排水量變化規(guī)律。

項目實施過程中礦坑疏排水量呈逐年減小趨勢，由2020年帷幕實施前的16.4萬m3/d減少至實施后的9.5萬m3/d，減少了6.9萬m3/d，減少比例達42%，達到了截滲減排與地下水資源保護的雙重目的，帷幕截水效果顯著。

5 結(jié) 論

1)在綠色開采與保水開采理念驅(qū)動下，元寶山露天煤礦打破現(xiàn)有的聯(lián)合疏干排水系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變治水思路，提出采用截水帷幕技術(shù)取代疏排降水技術(shù)，解決元寶山露天煤礦生態(tài)環(huán)保和經(jīng)濟安全面臨的難題。

2)結(jié)合元寶山露天煤礦第四系涌水占疏排水量95%的現(xiàn)狀，采用防滲膜與抗?jié)B混凝土充填的帷幕截水技術(shù)治理第四系水，經(jīng)帷幕施工工藝優(yōu)化，槽段長度調(diào)整，防滲膜有效搭接，提高了截水帷幕整體防滲性能。通過帷幕墻實體開挖、鉆孔取芯、超聲波檢測、水位變化和水量對比等檢驗方法，證實元寶山露天煤礦截水帷幕一期工程墻體質(zhì)量良好，截水效果顯著。

3)元寶山露天煤礦一期帷幕工程的實施，解決了礦坑?xùn)|南側(cè)第四系地下水入滲問題，減少了礦坑疏排水量，緩解了生態(tài)環(huán)保與經(jīng)濟安全兩大難題。進一步驗證了帷幕截水技術(shù)在露天煤礦截滲減排中的可行性，對于存在類似問題的露天煤礦及其他礦山，具有重要的示范和推廣意義。