張 雁，黃選明，靳德武

（1.中煤科工集團(tuán)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(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077）

近年來(lái)，露天煤礦開(kāi)采產(chǎn)量在煤炭總產(chǎn)量中的比例呈逐漸增加趨勢(shì)（約15%）。露天煤礦在剝離、開(kāi)采過(guò)程中，常引發(fā)固體、水體、大氣和生態(tài)等綜合性災(zāi)害和污染。例如在露天煤礦區(qū)，大面積的土地被占用和破壞，長(zhǎng)期疏排水引起地下水位下降、水環(huán)境污染、水資源浪費(fèi)、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(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量粉塵和噪音污染，這些問(wèn)題將嚴(yán)重制約露天煤礦的綠色和可持續(xù)發(fā)展。煤炭工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃指出，煤炭生產(chǎn)重點(diǎn)是建設(shè)安全綠色高效煤礦。因此，開(kāi)展露天煤礦綠色開(kāi)采的理論研究和工程實(shí)踐具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。

地表水和地下水在露天煤礦開(kāi)采過(guò)程中扮演著重要角色。一方面，礦區(qū)生產(chǎn)及周邊植被生長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境維護(hù)需要地表和地下水資源，另一方面，為滿足礦坑開(kāi)采又要大量抽排地下水，尤其在水資源短缺的露天煤礦區(qū)，這一矛盾愈加突出[1]。為解決此問(wèn)題，以呼倫貝爾地區(qū)某露天煤礦為例，采用截水帷幕技術(shù)對(duì)露天煤礦滲流補(bǔ)給通道進(jìn)行帷幕截流，目的是從根本上減少礦坑疏排水量、保護(hù)地下水資源和礦坑外圍生態(tài)環(huán)境、保障煤礦安全生產(chǎn)。

1 露天煤礦綠色開(kāi)采研究與實(shí)踐現(xiàn)狀

煤礦綠色開(kāi)采的概念是錢(qián)鳴高院士[2]于2003 年首次提出的，隨后其研發(fā)團(tuán)隊(duì)相繼發(fā)表了一系列旨在建立煤礦綠色開(kāi)采基礎(chǔ)理論和技術(shù)框架的學(xué)術(shù)論文[3-5]，不斷對(duì)煤炭資源綠色開(kāi)采的內(nèi)涵進(jìn)行闡述。近年來(lái)，顧大釗[6]、張建民[7]等也對(duì)綠色開(kāi)采進(jìn)行了更深入的研究。錢(qián)院士提出的綠色開(kāi)采概念包括井工煤礦和露天煤礦，針對(duì)露天煤礦而言，綠色開(kāi)采的基本思路是克服先開(kāi)采后治理的傳統(tǒng)模式，從源頭控制煤炭開(kāi)采造成的環(huán)境破壞。這與我國(guó)露天煤礦發(fā)展歷程基本一致。2000 年以來(lái)，露天煤礦開(kāi)始向科學(xué)采礦和綠色礦山轉(zhuǎn)型，生產(chǎn)過(guò)程也注重對(duì)環(huán)境的影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者在露天煤礦綠色開(kāi)采理論研究與實(shí)踐方面也取得了豐碩成果。遼寧工程技術(shù)大學(xué)宋子嶺團(tuán)隊(duì)[8-9]和沈陽(yáng)研究院王建國(guó)團(tuán)隊(duì)[10]相繼于2015—2017 年對(duì)露天煤礦綠色開(kāi)采理論進(jìn)行深入研究，引入“綠色因子”、“綠色度”等概念，建立了綠色開(kāi)采評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系；王普毅[11]認(rèn)為生態(tài)礦山是露天煤礦發(fā)展的新方向，并提出生態(tài)礦山建設(shè)對(duì)策；韓義朝[12]提出露天煤礦綠色開(kāi)采體系，旨在形成高效率低能耗低污染低排放的露天開(kāi)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(kāi)采技術(shù)等方面提出實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采的途徑；舒應(yīng)秋[14]認(rèn)為開(kāi)采工藝的革新和綠色開(kāi)采工藝的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；林淋[15]歸納了露天煤礦開(kāi)采對(duì)外部環(huán)節(jié)的6 大擾動(dòng)因素并分析其負(fù)向效應(yīng)，建議從源頭上加以科學(xué)管理和技術(shù)改革實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采；楊俊哲[16]、劉少飛[17]分別介紹了神東礦區(qū)和準(zhǔn)東露天煤礦的綠色開(kāi)采實(shí)踐。由此可得：我國(guó)露天煤礦綠色開(kāi)采具有一定的理論基礎(chǔ)，目前綠色開(kāi)采的對(duì)策和實(shí)踐多為過(guò)程管理，并非從源頭管控。

2 截水帷幕在露天煤礦的應(yīng)用情況

截水帷幕是用以阻隔或減少地下水通過(guò)基坑側(cè)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(xiàng)技術(shù)起源于20 世紀(jì)40 年代的歐洲[18]，從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始應(yīng)用于國(guó)外露天礦山[19]，前東德、波蘭和前蘇聯(lián)等國(guó)家在一些條件復(fù)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(zhǎng)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(zhǎng)1 250 m 的帷幕，使疏排水量減少40%；據(jù)波蘭經(jīng)驗(yàn)，堵水率可達(dá)90%以上。

截水帷幕技術(shù)于1957 年引入我國(guó)，在露天煤礦領(lǐng)域，我國(guó)學(xué)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(shí)可采用堵水帷幕方案，并研究了帷幕的應(yīng)用條件和布置方式，進(jìn)行了滲透計(jì)算；趙毅[21]研究了帷幕堵水工藝在國(guó)外露天煤礦的應(yīng)用并分析了在我國(guó)露天煤礦的應(yīng)用前景；張雁[22-23]提出采用地下防滲墻技術(shù)對(duì)地下水補(bǔ)給通道進(jìn)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(gòu)建條件和類(lèi)型。20 世紀(jì)90 年代，煤炭科學(xué)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(shù)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(xiàng)目最終并未實(shí)施。

3 露天煤礦截水帷幕的實(shí)踐

3.1 截水帷幕的提出與工藝試驗(yàn)

某露天煤礦自2011 年開(kāi)采以來(lái)，礦坑疏排水量遠(yuǎn)大于初步設(shè)計(jì)中預(yù)計(jì)水量，目前已施工100 余口疏水井進(jìn)行抽水以滿足礦坑開(kāi)采。因疏排水工程投入資金大，已造成煤礦生產(chǎn)成本增加，且長(zhǎng)期疏排地下水造成地下水資源浪費(fèi)、區(qū)域地下水位下降，引起周邊草原環(huán)境惡化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題和邊坡滑動(dòng)等工程地質(zhì)問(wèn)題，將來(lái)還會(huì)進(jìn)一步影響煤礦生產(chǎn)接續(xù)[24]。

為解決因疏排水產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，該露天礦于2014 年進(jìn)行科研立項(xiàng)，深入研究了露天礦工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，認(rèn)為礦坑疏排水量主要來(lái)自礦坑北側(cè)海拉爾河，河水通過(guò)第四系礫石層沿煤層隱伏露頭入滲補(bǔ)給礦坑，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量約占疏排水總量的80%以上，在此基礎(chǔ)上提出采用地下混凝土防滲墻的方案進(jìn)行帷幕截滲，并于2015 年開(kāi)展了平面長(zhǎng)度為400 m 的試驗(yàn)工程，目的是檢驗(yàn)施工工藝的可行性并驗(yàn)證防滲墻的質(zhì)量和效果。試驗(yàn)工程證實(shí)在厚度近40 m 的強(qiáng)滲透（滲透系數(shù)約120 m/d）礫石層中建造混凝土防滲墻技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，混凝土澆筑連續(xù)完整，墻體防滲性能達(dá)設(shè)計(jì)要求。

3.2 截水帷幕主體工程實(shí)施

截水帷幕主體工程是在試驗(yàn)工程的基礎(chǔ)上實(shí)施的，項(xiàng)目于2017 年立項(xiàng)，2019 年完工。設(shè)計(jì)帷幕總長(zhǎng)度5 815 m（包括400 m 試驗(yàn)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(jìn)入基巖穩(wěn)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(shù)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(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(shù)、防滲膜垂向隱蔽鋪設(shè)與連接技術(shù)、高壓旋噴注漿帷幕技術(shù)、鉆孔咬合樁帷幕技術(shù)。其中防滲膜鋪設(shè)帷幕工藝為項(xiàng)目創(chuàng)新工藝，首次將防滲膜應(yīng)用于大深度（超過(guò)50 m）垂向隱蔽鋪設(shè)，其它3 種工藝為傳統(tǒng)工藝，但根據(jù)施工區(qū)地層條件進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，突破了低強(qiáng)度（8～10 MPa）抗?jié)B（P6 級(jí)）混凝土配合比技術(shù)、超長(zhǎng)槽段開(kāi)挖與護(hù)壁技術(shù)、防滲膜疊覆連接技術(shù)、粉煤灰-水泥混合漿液注漿充填技術(shù)和厚礫石層中高壓旋噴成樁技術(shù)等5 項(xiàng)技術(shù)難題。

3.3 截水帷幕效果檢驗(yàn)

在截水帷幕建造過(guò)程中和結(jié)束后，分別采用了聲波透射法、取心驗(yàn)證法、抽水試驗(yàn)法、流場(chǎng)觀測(cè)法和水量分析法等5 種方法檢驗(yàn)和驗(yàn)證了截水帷幕的質(zhì)量和防滲效果。

采用聲波透射法檢驗(yàn)了混凝土防滲墻和防滲膜帷幕墻的墻體澆筑質(zhì)量，抽檢比例大于10%，檢測(cè)結(jié)果表明各檢測(cè)剖面聲學(xué)參數(shù)正常，均為Ⅰ類(lèi)樁，說(shuō)明墻體材料澆筑密實(shí)，膠結(jié)完好；針對(duì)4 種工藝帷幕墻，選擇20 余處進(jìn)行鉆孔取心驗(yàn)證，結(jié)果表明槽孔深度合格，巖心完整連續(xù)，無(wú)分層和空腔；采用圍井抽水試驗(yàn)開(kāi)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(yàn)共3 次，墻體平均滲透系數(shù)為8.34×10-7cm/s，滲透性達(dá)極微透水級(jí)；流場(chǎng)觀測(cè)法持續(xù)觀測(cè)了墻體建設(shè)過(guò)程中的觀測(cè)孔水位變化，結(jié)果表明墻體內(nèi)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(guò)程，礦坑疏排水量已較帷幕實(shí)施之前減少了60%以上。綜合檢驗(yàn)結(jié)果可知，帷幕墻截水效果顯著，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 截水帷幕與綠色開(kāi)采

4.1 綠色帷幕工藝的應(yīng)用

防滲膜鋪設(shè)帷幕工藝是一種創(chuàng)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(qiáng)度高、抗老化、抗低溫、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)等性能，是一種環(huán)保無(wú)毒產(chǎn)品，且造價(jià)低廉，防滲性能優(yōu)異。施工過(guò)程中，使用自主研發(fā)的鋪設(shè)機(jī)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(nèi)把防滲膜鋪設(shè)完成后，需要及時(shí)將槽段回填，可實(shí)現(xiàn)2 個(gè)目的：①回收槽段內(nèi)護(hù)壁泥漿，保證泥漿能夠重復(fù)使用；②充填槽段，壓實(shí)防滲膜，保證墻體穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，項(xiàng)目創(chuàng)新性的采用了高摻量粉煤灰-水泥混合漿液[25]進(jìn)行充填，粉煤灰與水泥的質(zhì)量比為8:2，混合漿液的體積質(zhì)量約1.532 g/cm3，固結(jié)后抗?jié)B等級(jí)達(dá)P3 級(jí)，90 d 抗壓強(qiáng)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(yōu)點(diǎn)：①混合漿液中以粉煤灰為主要材料，充分利用了當(dāng)?shù)仉姀S材料，變廢為寶，體現(xiàn)環(huán)保理念；②利用漿液體積質(zhì)量差可以充分置換泥漿；③漿液固結(jié)后具有一定防滲性與強(qiáng)度，提高帷幕墻性能；④價(jià)格低廉，節(jié)約成本。

4.2 截水帷幕生態(tài)效益和綜合效益

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

圖2 研究區(qū)2018 年9 月第四系含水層流場(chǎng)圖

圖3 研究區(qū)2020 年3 月第四系含水層流場(chǎng)圖

對(duì)比1 圖可知，截水帷幕形成后，外側(cè)水位快速回升，水位標(biāo)高基本一致且接近外圍補(bǔ)給水位，而內(nèi)側(cè)水位在疏排水的作用下快速下降，兩側(cè)水位差不斷加大，內(nèi)側(cè)低水位區(qū)的范圍增加。

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

圖4 研究區(qū)NDVI 指數(shù)空間分布（2018—2019）

由圖4 可知，在截水帷幕效果顯現(xiàn)后，2019 年研究區(qū)北部（截水帷幕外圍）植被覆蓋率顯著增加，根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可劃分為適中植被級(jí)別。因此，截水帷幕的生態(tài)效益主要表現(xiàn)在促進(jìn)帷幕外圍地下水位回升，維護(hù)帷幕外圍的植被生長(zhǎng)條件和生態(tài)環(huán)境，提高植被多樣化。NDVI 國(guó)際分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 NDVI 國(guó)際分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

截水帷幕實(shí)施后，礦坑疏排水量顯著減少，年度疏排水費(fèi)用可節(jié)省千萬(wàn)元，同時(shí)，解放了露天礦北部大量煤炭資源，經(jīng)濟(jì)效益顯著；其次，疏排水量減少可有效保護(hù)地表和地下水資源，同時(shí)，降低了由疏排水造成的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)和壓力。因此，截水帷幕的實(shí)施可保證該露天礦在未來(lái)開(kāi)采年限內(nèi)的安全、綠色和可持續(xù)發(fā)展，安全效益和社會(huì)效益可觀。

5 結(jié)語(yǔ)

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

2）截水帷幕是露天煤礦實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)，截水帷幕的實(shí)施有效保護(hù)了地表和地下水資源，維護(hù)了帷幕外圍生態(tài)環(huán)境，降低了環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

3）截水帷幕技術(shù)在該露天煤礦的成功應(yīng)用具有示范意義，對(duì)其他露天煤礦疏排水工作的開(kāi)展具有推廣和借鑒價(jià)值，是從源頭管控的綠色開(kāi)采技術(shù)，是對(duì)露天煤礦綠色開(kāi)采的新探索和新實(shí)踐。