基于截水帷幕的露天煤礦綠色開采實踐

張 雁，黃選明，靳德武

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077）

近年來，露天煤礦開采產量在煤炭總產量中的比例呈逐漸增加趨勢（約15%）。露天煤礦在剝離、開采過程中，常引發固體、水體、大氣和生態等綜合性災害和污染。例如在露天煤礦區，大面積的土地被占用和破壞，長期疏排水引起地下水位下降、水環境污染、水資源浪費、土地沙化和植被種群改變，煤炭自燃釋放有毒有害氣體，生產環節產生大量粉塵和噪音污染，這些問題將嚴重制約露天煤礦的綠色和可持續發展。煤炭工業“十三五”發展規劃指出，煤炭生產重點是建設安全綠色高效煤礦。因此，開展露天煤礦綠色開采的理論研究和工程實踐具有重要意義和實用價值。

地表水和地下水在露天煤礦開采過程中扮演著重要角色。一方面，礦區生產及周邊植被生長和生態環境維護需要地表和地下水資源，另一方面，為滿足礦坑開采又要大量抽排地下水，尤其在水資源短缺的露天煤礦區，這一矛盾愈加突出[1]。為解決此問題，以呼倫貝爾地區某露天煤礦為例，采用截水帷幕技術對露天煤礦滲流補給通道進行帷幕截流，目的是從根本上減少礦坑疏排水量、保護地下水資源和礦坑外圍生態環境、保障煤礦安全生產。

1 露天煤礦綠色開采研究與實踐現狀

煤礦綠色開采的概念是錢鳴高院士[2]于2003 年首次提出的，隨后其研發團隊相繼發表了一系列旨在建立煤礦綠色開采基礎理論和技術框架的學術論文[3-5]，不斷對煤炭資源綠色開采的內涵進行闡述。近年來，顧大釗[6]、張建民[7]等也對綠色開采進行了更深入的研究。錢院士提出的綠色開采概念包括井工煤礦和露天煤礦，針對露天煤礦而言，綠色開采的基本思路是克服先開采后治理的傳統模式，從源頭控制煤炭開采造成的環境破壞。這與我國露天煤礦發展歷程基本一致。2000 年以來，露天煤礦開始向科學采礦和綠色礦山轉型，生產過程也注重對環境的影響。國內學者在露天煤礦綠色開采理論研究與實踐方面也取得了豐碩成果。遼寧工程技術大學宋子嶺團隊[8-9]和沈陽研究院王建國團隊[10]相繼于2015—2017 年對露天煤礦綠色開采理論進行深入研究，引入“綠色因子”、“綠色度”等概念，建立了綠色開采評價指標和評價體系；王普毅[11]認為生態礦山是露天煤礦發展的新方向，并提出生態礦山建設對策；韓義朝[12]提出露天煤礦綠色開采體系，旨在形成高效率低能耗低污染低排放的露天開采模式；姚勇[13]從法律體系、支持政策、理念宣貫和推廣綠色開采技術等方面提出實現綠色開采的途徑；舒應秋[14]認為開采工藝的革新和綠色開采工藝的應用是實現綠色開采的關鍵環節；林淋[15]歸納了露天煤礦開采對外部環節的6 大擾動因素并分析其負向效應，建議從源頭上加以科學管理和技術改革實現綠色開采；楊俊哲[16]、劉少飛[17]分別介紹了神東礦區和準東露天煤礦的綠色開采實踐。由此可得：我國露天煤礦綠色開采具有一定的理論基礎，目前綠色開采的對策和實踐多為過程管理，并非從源頭管控。

2 截水帷幕在露天煤礦的應用情況

截水帷幕是用以阻隔或減少地下水通過基坑側壁與坑底流入基坑和控制基坑外地下水位下降的幕墻狀豎向截水體。這項技術起源于20 世紀40 年代的歐洲[18]，從20 世紀60 年代開始應用于國外露天礦山[19]，前東德、波蘭和前蘇聯等國家在一些條件復雜的露天煤礦和金屬礦山施工截水帷幕并取得了顯著的截水效果，如前東德在勞爾茲、萊比錫及貝爾多夫等露天煤礦共修筑80 km 長的帷幕，在楊斯瓦爾德露天煤礦為防止尼斯河河水滲入露天礦，修筑了長1 250 m 的帷幕，使疏排水量減少40%；據波蘭經驗，堵水率可達90%以上。

截水帷幕技術于1957 年引入我國，在露天煤礦領域，我國學者也做了大量研究和探索工作。黃文干[20]分析了露天礦目前采用疏干降水方案造成的危害，提出在條件適宜時可采用堵水帷幕方案，并研究了帷幕的應用條件和布置方式，進行了滲透計算；趙毅[21]研究了帷幕堵水工藝在國外露天煤礦的應用并分析了在我國露天煤礦的應用前景；張雁[22-23]提出采用地下防滲墻技術對地下水補給通道進行帷幕截滲是露天煤礦防治水工作的新方法，并研究了露天煤礦防滲墻的構建條件和類型。20 世紀90 年代，煤炭科學研究總院西安分院試圖在元寶山露天礦采用地下混凝土防滲墻技術建造截水帷幕攔截英金河與老哈河河水入滲礦坑，但由于種種原因，項目最終并未實施。

3 露天煤礦截水帷幕的實踐

3.1 截水帷幕的提出與工藝試驗

某露天煤礦自2011 年開采以來，礦坑疏排水量遠大于初步設計中預計水量，目前已施工100 余口疏水井進行抽水以滿足礦坑開采。因疏排水工程投入資金大，已造成煤礦生產成本增加，且長期疏排地下水造成地下水資源浪費、區域地下水位下降，引起周邊草原環境惡化等生態環境問題和邊坡滑動等工程地質問題，將來還會進一步影響煤礦生產接續[24]。

為解決因疏排水產生的一系列問題，該露天礦于2014 年進行科研立項，深入研究了露天礦工程地質和水文地質條件，認為礦坑疏排水量主要來自礦坑北側海拉爾河，河水通過第四系礫石層沿煤層隱伏露頭入滲補給礦坑，動態補給量約占疏排水總量的80%以上，在此基礎上提出采用地下混凝土防滲墻的方案進行帷幕截滲，并于2015 年開展了平面長度為400 m 的試驗工程，目的是檢驗施工工藝的可行性并驗證防滲墻的質量和效果。試驗工程證實在厚度近40 m 的強滲透（滲透系數約120 m/d）礫石層中建造混凝土防滲墻技術可行，經濟合理，混凝土澆筑連續完整，墻體防滲性能達設計要求。

3.2 截水帷幕主體工程實施

截水帷幕主體工程是在試驗工程的基礎上實施的，項目于2017 年立項，2019 年完工。設計帷幕總長度5 815 m（包括400 m 試驗工程），墻體有效厚度大于0.6 m，墻體深度21～56 m 不等（北深南淺）。為確保截水帷幕的有效性，墻體底部進入基巖穩定隔水地層1 m 以上，墻體兩端嵌入不透水地層，要求帷幕墻滲透系數不大于0.001 m/d，截水帷幕剖面示意圖如圖1。

圖1 截水帷幕剖面示意圖

根據礦區水文地質與工程地質條件，結合現場施工條件，截水帷幕共采用了4 種工藝，分別為地下混凝土防滲墻技術、防滲膜垂向隱蔽鋪設與連接技術、高壓旋噴注漿帷幕技術、鉆孔咬合樁帷幕技術。其中防滲膜鋪設帷幕工藝為項目創新工藝，首次將防滲膜應用于大深度（超過50 m）垂向隱蔽鋪設，其它3 種工藝為傳統工藝，但根據施工區地層條件進行了技術創新。項目實施過程中，突破了低強度（8～10 MPa）抗滲（P6 級）混凝土配合比技術、超長槽段開挖與護壁技術、防滲膜疊覆連接技術、粉煤灰-水泥混合漿液注漿充填技術和厚礫石層中高壓旋噴成樁技術等5 項技術難題。

3.3 截水帷幕效果檢驗

在截水帷幕建造過程中和結束后，分別采用了聲波透射法、取心驗證法、抽水試驗法、流場觀測法和水量分析法等5 種方法檢驗和驗證了截水帷幕的質量和防滲效果。

采用聲波透射法檢驗了混凝土防滲墻和防滲膜帷幕墻的墻體澆筑質量，抽檢比例大于10%，檢測結果表明各檢測剖面聲學參數正常，均為Ⅰ類樁，說明墻體材料澆筑密實，膠結完好；針對4 種工藝帷幕墻，選擇20 余處進行鉆孔取心驗證，結果表明槽孔深度合格，巖心完整連續，無分層和空腔；采用圍井抽水試驗開展混凝土防滲墻、防滲膜帷幕墻和高壓旋噴樁帷幕抽水試驗共3 次，墻體平均滲透系數為8.34×10-7cm/s，滲透性達極微透水級；流場觀測法持續觀測了墻體建設過程中的觀測孔水位變化，結果表明墻體內外水位差逐漸增大目前已增加至10 m以上；水量分析法分析了礦坑疏排水量的變化過程，礦坑疏排水量已較帷幕實施之前減少了60%以上。綜合檢驗結果可知，帷幕墻截水效果顯著，達到了設計要求。

4 截水帷幕與綠色開采

4.1 綠色帷幕工藝的應用

防滲膜鋪設帷幕工藝是一種創新性的綠色施工工藝，首先，防滲膜采用厚度1.5 mm、幅寬8.0 m 的HDPE（高密度聚乙烯）膜，該材料具有強度高、抗老化、抗低溫、耐腐蝕、壽命長等性能，是一種環保無毒產品，且造價低廉，防滲性能優異。施工過程中，使用自主研發的鋪設機具可將防滲膜順利下放至目的深度。

其次，在充滿泥漿的槽段內把防滲膜鋪設完成后，需要及時將槽段回填，可實現2 個目的：①回收槽段內護壁泥漿，保證泥漿能夠重復使用；②充填槽段，壓實防滲膜，保證墻體穩定。通過實驗研究，項目創新性的采用了高摻量粉煤灰-水泥混合漿液[25]進行充填，粉煤灰與水泥的質量比為8:2，混合漿液的體積質量約1.532 g/cm3，固結后抗滲等級達P3 級，90 d 抗壓強度約3.0 MPa。

采用高摻量粉煤灰-水泥混合漿液注漿充填具有以下優點：①混合漿液中以粉煤灰為主要材料，充分利用了當地電廠材料，變廢為寶，體現環保理念；②利用漿液體積質量差可以充分置換泥漿；③漿液固結后具有一定防滲性與強度，提高帷幕墻性能；④價格低廉，節約成本。

4.2 截水帷幕生態效益和綜合效益

隨著截水帷幕長度的不斷增加，截水效果逐漸顯現，主要表現在礦坑疏排水量的下降和帷幕墻內外兩側鉆孔水位的變化，外側水位升高，內側水位降低。分別繪制了研究區2018 年9 月（主體工程實施前期）與2020 年3 月（主體工程竣工后）的第四系含水層流場圖。研究區2018 年9 月第四系含水層流場圖如圖2，研究區2020 年3 月第四系含水層流場圖如圖3。

圖2 研究區2018 年9 月第四系含水層流場圖

圖3 研究區2020 年3 月第四系含水層流場圖

對比1 圖可知，截水帷幕形成后，外側水位快速回升，水位標高基本一致且接近外圍補給水位，而內側水位在疏排水的作用下快速下降，兩側水位差不斷加大，內側低水位區的范圍增加。

另外，根據研究區GIS 數據和遙感數據，繪制2018—2019 年間植被覆蓋率空間分布圖，用歸一化植被指數（NDVI）表示。研究區NDVI 指數空間分布（2018—2019）如圖4。

圖4 研究區NDVI 指數空間分布（2018—2019）

由圖4 可知，在截水帷幕效果顯現后，2019 年研究區北部（截水帷幕外圍）植被覆蓋率顯著增加，根據分級標準可劃分為適中植被級別。因此，截水帷幕的生態效益主要表現在促進帷幕外圍地下水位回升，維護帷幕外圍的植被生長條件和生態環境，提高植被多樣化。NDVI 國際分級標準見表1。

表1 NDVI 國際分級標準

截水帷幕實施后，礦坑疏排水量顯著減少，年度疏排水費用可節省千萬元，同時，解放了露天礦北部大量煤炭資源，經濟效益顯著；其次，疏排水量減少可有效保護地表和地下水資源，同時，降低了由疏排水造成的環保風險和壓力。因此，截水帷幕的實施可保證該露天礦在未來開采年限內的安全、綠色和可持續發展，安全效益和社會效益可觀。

5 結語

1）通過建造截水帷幕，切斷地下水徑流通道、攔截補給水源是減小礦坑疏排水量、解決露天煤礦疏排水問題的根本措施。

2）截水帷幕是露天煤礦實現綠色開采的關鍵技術，截水帷幕的實施有效保護了地表和地下水資源，維護了帷幕外圍生態環境，降低了環保風險。

3）截水帷幕技術在該露天煤礦的成功應用具有示范意義，對其他露天煤礦疏排水工作的開展具有推廣和借鑒價值，是從源頭管控的綠色開采技術，是對露天煤礦綠色開采的新探索和新實踐。