元寶山露天煤礦帷幕截水技術(shù)研究

朱宏軍，張 雁，孫 浩，張秋園，牛光亮

(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710076；2.內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)(集團)有限責任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024050)

露天開采是煤炭資源開采的重要方式，由于其煤層厚度大、埋藏淺、資源回收率高、產(chǎn)能大等優(yōu)勢，我國煤炭露天產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比例呈逐年增加的趨勢[1，2]。露天煤礦剝采過程中，煤層上覆含水層地下水向采坑匯集，我國露天煤礦主要采用地面群井、地下明排和基巖巷道聯(lián)合疏干的方式控制地下水，這種長期疏排地下水的方式導(dǎo)致地下水資源浪費，對生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響[3-5]，坑內(nèi)殘余涌水對邊坡及內(nèi)排土場穩(wěn)定性構(gòu)成威脅[6，7]，疏排水水資源稅和防治水安全投入，增加了露天煤礦生產(chǎn)成本。

截水帷幕作為一種基坑防滲技術(shù)，國外從20世紀60年代開始應(yīng)用于露天礦山[8]，國內(nèi)廣泛應(yīng)用于水利水電、鐵路交通、市政建設(shè)等領(lǐng)域[9-11]。在露天煤礦領(lǐng)域，我國學(xué)者也做了研究和探索。黃文干[12]研究了堵水帷幕的應(yīng)用條件、布置方式和滲透計算；趙毅[13]研究了帷幕堵水在我國露天煤礦的應(yīng)用前景；20世紀90年代曾試圖在元寶山露天煤礦建造截水帷幕攔截第四系砂礫石強含水層水，但是受當時的科技水平及施工工藝等限制，帷幕最終未能實施；2015—2020年，截水帷幕技術(shù)成功應(yīng)用于扎尼河露天煤礦，建造了一座平面長度近6km，最大深度超過50m，有效厚度大于0.6m的帷幕墻，有效攔截了第四系砂礫石強滲透含水層的側(cè)向補給[14]。

元寶山露天煤礦是國內(nèi)外少見的水文地質(zhì)條件極復(fù)雜的特大富水型露天煤礦，長期疏排地下水所造成的影響尤為嚴重，以大量疏排地下水維持正常生產(chǎn)的模式不可持續(xù)。本文在系統(tǒng)分析元寶山露天煤礦長期疏排地下水帶來的一系列安全、環(huán)保及經(jīng)濟問題的基礎(chǔ)上，提出建造一座以地下混凝土連續(xù)墻技術(shù)為主，鉆孔注漿帷幕為輔的截水帷幕，截斷地下水向礦坑的補給通道，從地質(zhì)條件、施工工藝、截水效果及經(jīng)濟效益四方面研究了截水帷幕可行性，結(jié)果表明，截水帷幕可以從根本上解決元寶山露天煤礦因長期疏排水產(chǎn)生的諸多問題。

1 元寶山露天煤礦概況

1.1 礦坑開發(fā)情況

元寶山露天煤礦始建于1990年，最初設(shè)計產(chǎn)能500萬t/a，2009年經(jīng)內(nèi)蒙古煤炭工業(yè)局核定生產(chǎn)能力800萬t/a，2019年經(jīng)國家煤礦安全監(jiān)察局核定生產(chǎn)能力1200萬t/a。礦區(qū)走向平均長度4.68km，傾向平均寬度2.56km，面積12km2，地質(zhì)儲量5.43億t，可采儲量3.92億t，平均剝采比3.96m3/t。截至2019年末元寶山露天煤礦剩余可采原煤量2.31億t，剩余服務(wù)年限為19.3a。

1.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

元寶山露天煤礦地層自下而上為太古界前震旦系、古生界奧陶-志留系、二疊系下統(tǒng)額里圖組、中生界白堊系、新近系、第四系地層，并有多期巖漿巖活動，其中煤系地層為白堊系下統(tǒng)九佛堂組和阜新組地層。元寶山露天區(qū)位于英金河河谷平原的下游，河谷兩側(cè)為低山丘陵地段，其間沿河谷兩側(cè)分布有河漫灘與階地，英金河通過露天采區(qū)中部。含煤地層全部被英金河沖、洪積形成的第四系孔隙潛水含水層覆蓋。

第四系含水層根據(jù)沉積條件分為上下兩個富水段。上段為強富水段，主要由沖、洪積作用形成的圓礫夾砂礫及卵石層組成，卵礫石直徑一般為2～40mm，少數(shù)達50～100mm，個別為漂石，厚10～32m，單位涌水量54～143L/(s·m)，滲透系數(shù)234～637m/d。下段為中等富水段，主要由冰積、冰水堆積的泥砂質(zhì)礫(卵)石夾層和砂礫、砂等組成，卵礫石直徑一般為5～60mm，大者近60～150mm，厚10～35m，滲透系數(shù)123～147m/d。

2 疏排水情況及存在問題

2.1 疏排水情況

1990年8月15日礦坑開始預(yù)先疏排降水，初期投入疏干井81眼，疏排水量46.45萬m3/d，高峰時段日投入疏干井增加到101眼，疏排水量達53.92萬m3/d。目前礦井已進入平行疏干階段，疏排水量較大，截至當前，累計疏排水量超過50億m3，基巖疏排水量占礦坑疏排水總量的5%，第四系水占比95%，是礦坑的主要充水水源。

原始狀態(tài)下，第四系沖、洪積孔隙潛水含水層主要受英金河上游河水和大氣降水的滲入補給，地下水徑流方向由河谷上游向下游徑流，如圖1(a)所示。

圖1 研究區(qū)地下水流場

隨著礦坑長期疏排水，加之其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)水位整體下降，形成了以礦坑為中心的水位降落漏斗，中心水位降幅達30m，影響范圍超過130km2，已經(jīng)襲奪了部分下游老哈河水量，對礦坑形成了倒灌補給，如圖1(b)所示。隨著采礦活動的不斷加深，地下水位持續(xù)下降，影響范圍逐步擴大。

2.2 疏排水存在問題分析

近30年來，由于長期大量疏排地下水，引起元寶山礦區(qū)周圍百余平方公里水位下降，造成地下水資源量減少、地下水循環(huán)失衡等問題，對居民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境造成重大影響；部分疏排水未加利用直接排入老哈河，造成水資源嚴重浪費；隨著環(huán)保要求的日益提高，礦坑水排放標準越來越高，現(xiàn)有礦坑水處理廠能力明顯不足，環(huán)保風(fēng)險大。

礦坑疏降殘余涌水較大，通過坡體滲入礦坑，在內(nèi)排排土作業(yè)后，由于排棄廢巖為松散介質(zhì)，水體極易造成廢巖物理力學(xué)性質(zhì)弱化，坡體滲出的地下水降低邊坡及內(nèi)排土場摩擦阻力，對礦坑邊坡和內(nèi)排土場穩(wěn)定性造成較大影響。

維持年度疏排水運營費用約3366萬元/a；水資源稅繳納僅2018、2019年兩年，繳納水資源稅合計3.876億元，占企業(yè)利潤20.9%，隨著礦井向北推采，第四系含水層厚度增加、富水性增強，預(yù)測疏排水量將進一步增加，相應(yīng)的疏排水費用也會增加，噸煤生產(chǎn)成本顯著增加。

3 帷幕建造方案

3.1 截水帷幕平面布置

根據(jù)礦坑疏排水量構(gòu)成分析，第四系砂礫層水為礦坑主要充水水源，對該含水層進行帷幕截流可從根本上解決元寶山露天礦的疏排水難題，設(shè)計建造除礦坑西南角(河谷外砂礫層缺失的弱給水邊界)的礦坑邊界全封閉帷幕墻，對所有來水邊界進行截水，最大程度減少礦坑疏排水量。帷幕平面長度13.408km，采用地下混凝土連續(xù)墻技術(shù)為主，鉆孔注漿帷幕技術(shù)為輔的工藝建造截水帷幕，礦坑?xùn)|北部由于有玄武巖噴出覆蓋于第四系砂礫層中部，采用鉆孔帷幕注漿工藝，長度2.843km，其他區(qū)域使用地下混凝土連續(xù)墻工藝，長度10.565km，如圖2所示。

圖2 截水帷幕平面布置

3.2 帷幕建造技術(shù)

3.2.1 地下混凝土連續(xù)墻技術(shù)

主要施工工藝為采用液壓抓斗或液壓雙輪銑輔助沖擊鉆成槽，利用抗?jié)B混凝土充填槽段，最終形成連續(xù)截水帷幕。根據(jù)礦區(qū)砂礫層底界埋藏深度，帷幕深度最大75m，根據(jù)國內(nèi)扎尼河露天煤礦和騰龍露天鐵礦類似條件富水砂礫石層截水帷幕成功經(jīng)驗[8，15]，主要技術(shù)參數(shù)要求如下：①墻體充填抗?jié)B混凝土，抗?jié)B等級P6，塌落度180～220mm，墻體滲透系數(shù)小于1×10-3m/d；②墻體底部進入完整基巖隔水層3m；③墻體厚度不小于0.8m，單幅槽段長度不小于7m，槽段垂直度不大于0.6%；④路面與導(dǎo)墻混凝土標號為C25；⑤為了保證槽底的防滲性能，澆筑前進行清底，控制槽底沉渣厚度小于10cm。具體施工工序如圖3所示。

圖3 截水帷幕施工工序

3.2.2 鉆孔注漿帷幕技術(shù)

帷幕注漿鉆孔自地面開孔，鉆探終孔進入完整基巖隔水層3m，設(shè)計帷幕采用三排孔，注漿壓力1MPa，漿液擴散半徑大于5m，鉆孔按照孔距10m，排距3m的梅花形布置，如圖4所示。先施工外側(cè)排，然后施工內(nèi)側(cè)排，最后施工中間排，兩側(cè)排孔分兩序施工，中間排分三序施工，中間排注漿前先進行注水試驗，根據(jù)注水試驗情況進行補充注漿，注漿采用下行式分段靜壓式注漿方法。

圖4 注漿帷幕設(shè)計方案

4 截水帷幕可行性論證

4.1 地質(zhì)條件可行性

元寶山露天煤礦自勘探建設(shè)以來，積累了豐富的地質(zhì)、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)資料，主要從含隔水層特征，地質(zhì)構(gòu)造及截滲目標層位埋藏深度、礫徑及強度方面論證[12，16]。

第四系砂礫層含水層水是礦坑主要充水水源，占礦坑疏排水量的95%，第四系砂礫層含水層水主要來源為大氣降水和英金河滲漏補給，流域匯水面積達10598km2，補給水源充沛且靜儲量大，將截水帷幕布置在第四系砂礫層含水層中，可有效減少地下水向礦坑的動態(tài)補給。第四系砂礫巖層底部為厚度穩(wěn)定的白堊系泥巖層，該地層滲透系數(shù)僅為0.08m/d，與上覆第四系強富水含水層相比滲透系數(shù)相差巨大，為相對隔水層，是較為理想的帷幕基底。

從構(gòu)造發(fā)育情況分析，元寶山露天煤礦構(gòu)造發(fā)育較為簡單，且砂礫石層和基巖隔水層較為穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育情況對截水帷幕的穩(wěn)定性影響小。從礫石層結(jié)構(gòu)特征分析，礫石層厚度0～70m，帷幕深度中等，槽段搭接難度不大，礫石礫徑大部分小于150mm，個別漂石礫徑較大需要沖擊破碎，絕大部分地層適宜帷幕成槽設(shè)備沖抓及旋銑。從工程地質(zhì)特征分析，地層的單軸抗壓強度均在10MPa以下，有利于地層開挖，且效率較高，局部存在的玄武巖強度較大，在該區(qū)域使用鉆機進行鉆進施工。

4.2 工藝可行性

4.2.1 地下混凝土連續(xù)墻工藝可行性

地下連續(xù)墻作為一種常用的地下水截流防滲技術(shù)，具有抗?jié)B效果好、抗變形能力強、施工工藝成熟、地層適應(yīng)性強、墻體可控性好等優(yōu)點，目前國內(nèi)連續(xù)墻最大開挖深度已達186m，墻體厚度可達1.2m[9]，墻體滲透系數(shù)可小于3×10-5m/d[17]，設(shè)計建造的元寶山露天煤礦帷幕墻最大深度75m，厚度小于1m，類似條件富水砂礫層地下連續(xù)墻截水帷幕已在扎尼河露天煤礦[14，18]、騰龍露天鐵礦[15]等成功應(yīng)用，元寶山露天煤礦地下連續(xù)墻帷幕適宜選擇厚度0.8～1.0m成熟的連續(xù)墻帷幕工藝，建造效率高。

1)槽段成槽技術(shù)。單幅槽段的開挖長度一般不超過8m，成槽機械通過3次開挖即可完成，成槽過程中，為了保證槽段穩(wěn)定，泥漿護壁作用尤為重要，主要采取以下措施：①優(yōu)化調(diào)整泥漿的配合比，結(jié)合地層和地下水特征，對構(gòu)成泥漿的膨潤土、CMC、水等原材料的配合比進行優(yōu)化和調(diào)整，使其具有更好的穩(wěn)定性和攜砂能力；②定期測量泥漿的主要參數(shù)，按照要求測量泥漿的粘度、比重、含砂率等主要參數(shù)，確保泥漿參數(shù)在要求范圍之內(nèi)；③及時補充新鮮泥漿，泥漿在使用過程中有大量消耗，應(yīng)根據(jù)使用情況及時補充新鮮泥漿，其次對于不符合要求的廢泥漿進行處理。

2)槽段澆筑質(zhì)量控制。主要從混凝土原材料、混凝土成品及澆筑過程等方面控制。①對原材料進行質(zhì)檢，確保原材料滿足要求；②嚴格控制混凝土塌落度，及時采取混凝土試塊，檢驗其強度指標和抗?jié)B性能；③嚴格控制導(dǎo)管下置深度和拔管高度，確保墻體進入隔水層深度，防止墻體斷樁。

3)槽段連接質(zhì)量控制。在槽段連接處下入防滲墻專用接頭箱，增加槽段連接處接縫密實度，減少接縫處滲漏，增強截水帷幕的有機整體性，同時，在部分槽段澆筑過程中放置聲測管用于檢測接頭質(zhì)量，檢驗墻體澆筑密實度。

4)環(huán)境可行性。連續(xù)墻體采用普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、骨料等材料，符合相關(guān)國家標準，槽段護壁所用黏土及添加劑均對環(huán)境無害，不會對地下水造成人為污染。

4.2.2 鉆孔注漿帷幕工藝可行性

鉆孔注漿帷幕工藝可行性的主要影響因素為受注層可注性，評價松散顆粒層的可注性能常用下面3個指標考察，即可灌比、小于0.1mm顆粒含量百分數(shù)及滲透系數(shù)，可注性說明見表1。

表1 松散層可注性指標

區(qū)內(nèi)第四系砂礫石層可灌比M均大于10，除了粉細砂層透鏡體外，0.1mm顆粒含量百分數(shù)P一般在0.1～3.6，均小于5，含水層滲透系數(shù)K在123～637m/d，綜合上述三個指標，元寶山露天煤礦第四系砂礫石層可注性非常好，且需要根據(jù)實際情況采取添加骨料或速凝劑進行控制注漿。

4.2.3 截水帷幕效果檢驗方法

截水帷幕墻體質(zhì)量檢驗與效果檢測的方法既有定性方法，也有定量方法，此次設(shè)計基于定性與定量多種檢測手段，建立效果檢驗與驗證方法體系檢驗截水帷幕效果如圖5所示。

圖5 截水帷幕效果檢驗與驗證方法體系

4.3 帷幕效果分析

4.3.1 截水效果分析

為了研究帷幕截水效果，采用三維有限差分模型進行了數(shù)值模擬，計算了建墻后20年時間墻體外水位以及礦坑涌水量的變化情況如圖6所示。

圖6 水位及礦坑涌水量變化曲線

模擬結(jié)果顯示，隨著時間的延續(xù)，墻外水位呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，帷幕建成后20年，西側(cè)上游水位恢復(fù)至+472m，東側(cè)下游水位恢復(fù)至+460m，避免地下水資源進一步破壞，最高水位仍在地面以下10～20m，不會發(fā)生沼澤化現(xiàn)象。

礦坑涌水量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，300d涌水量約4.3萬m3/d，與礦坑預(yù)測的第四系疏排水量相比減少81.1%，隨著時間的延續(xù)，墻外地下水位持續(xù)上升，墻內(nèi)外水頭差逐步變大，通過帷幕墻進入礦坑的涌水量呈現(xiàn)增加趨勢，20年后增加至4.6萬m3/d，減少79.8%。帷幕工程實施后，礦坑涌水明顯減少，殘余水量可供煤礦日常生產(chǎn)生活用水有效利用，不會造成水資源浪費，礦坑無外排水量降低了環(huán)保風(fēng)險，另外，礦坑殘余涌水量的減小，地下滲流水壓力減小，可以有效降低礦坑邊坡和內(nèi)排場邊坡安全風(fēng)險。

4.3.2 帷幕穩(wěn)定性分析

截水帷幕自身的力學(xué)強度和抗變形能力有限，露天煤礦剝采至接近截水帷幕區(qū)時，形成的邊坡若發(fā)生變形失穩(wěn)，則會引起帷幕墻的結(jié)構(gòu)破壞，造成截水帷幕失效。因此，必須確保截水帷幕區(qū)邊坡穩(wěn)定，保證防滲結(jié)構(gòu)正常運行。采用極限平衡法和有限單元法計算評價帷幕和邊坡穩(wěn)定性，選取帷幕墻典型工程地質(zhì)剖面，作為帷幕截水區(qū)邊坡穩(wěn)定性計算的代表性剖面。使用極限平衡法，得出在未實施截水帷幕工程條件下，邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.474，帷幕建成后邊坡穩(wěn)定系數(shù)1.480，顯示邊坡穩(wěn)定性均大于1.25，且帷幕建成后較帷幕建成前邊坡穩(wěn)定性增強。使用有限元法帷幕墻外水位達到+460m時計算帷幕區(qū)邊坡穩(wěn)定性，計算結(jié)果顯示帷幕墻建成后墻體附近剪應(yīng)力減小，邊坡穩(wěn)定性增強，如圖7所示。綜上，地下連續(xù)墻不僅發(fā)揮了止水的作用，同時還有加固邊坡的作用，邊坡的穩(wěn)定保證了帷幕墻體的穩(wěn)定。

圖7 邊坡最大剪應(yīng)力

4.4 經(jīng)濟可行性

根據(jù)現(xiàn)行合理的工、材、機等價格預(yù)算，帷幕工程總投資約16.10億元，帷幕截水后，年繳納水資源稅0.31億元，相較疏排水量，減繳3.08億元/a，降低疏干運行成本0.12億元/a，年生產(chǎn)成本合計降低3.20億元，投資回收時間5.04a。相較于煤礦19.3a的剩余服務(wù)年限，帷幕墻投資回收時間較短，可大幅降低煤礦生產(chǎn)成本，帷幕墻建設(shè)在經(jīng)濟上是可行的。

5 結(jié) 論

1)元寶山露天煤礦第四系砂礫層含水層疏排水量大，長期疏排水會造成水資源嚴重浪費，存在水環(huán)境環(huán)保風(fēng)險和礦坑、內(nèi)排土場邊坡安全隱患，高額水資源稅和防治水安全費用投入大幅增加煤礦生產(chǎn)成本。

2)元寶山露天煤礦第四系砂礫石含水層埋藏淺，富水性強，透水性好，補給來源和補給通道明確，底部發(fā)育有穩(wěn)定隔水層，地下連續(xù)墻和鉆孔注漿帷幕施工工藝可行且不會造成人為地下水污染，帷幕墻可以攔截79.8%第四系含水層補給水量，殘余水量可供日常生產(chǎn)生活有效利用，帷幕墻投資回收時間較短，可大幅降低煤礦生產(chǎn)成本，截水帷幕具有可行性。

3)截水帷幕施工可以從根本上解決元寶山露天煤礦由長期疏排水而造成的安全、環(huán)保及經(jīng)濟負擔問題，研究成果有很強的應(yīng)用價值。