元宝山露天煤矿帷幕截水技术研究

朱宏军，张 雁，孙 浩，张秋园，牛光亮

(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710076；2.内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司，内蒙古 赤峰 024050)

露天开采是煤炭资源开采的重要方式，由于其煤层厚度大、埋藏浅、资源回收率高、产能大等优势，我国煤炭露天产量占总产量的比例呈逐年增加的趋势[1，2]。露天煤矿剥采过程中，煤层上覆含水层地下水向采坑汇集，我国露天煤矿主要采用地面群井、地下明排和基岩巷道联合疏干的方式控制地下水，这种长期疏排地下水的方式导致地下水资源浪费，对生态环境造成严重影响[3-5]，坑内残余涌水对边坡及内排土场稳定性构成威胁[6，7]，疏排水水资源税和防治水安全投入，增加了露天煤矿生产成本。

截水帷幕作为一种基坑防渗技术，国外从20世纪60年代开始应用于露天矿山[8]，国内广泛应用于水利水电、铁路交通、市政建设等领域[9-11]。在露天煤矿领域，我国学者也做了研究和探索。黄文干[12]研究了堵水帷幕的应用条件、布置方式和渗透计算；赵毅[13]研究了帷幕堵水在我国露天煤矿的应用前景；20世纪90年代曾试图在元宝山露天煤矿建造截水帷幕拦截第四系砂砾石强含水层水，但是受当时的科技水平及施工工艺等限制，帷幕最终未能实施；2015—2020年，截水帷幕技术成功应用于扎尼河露天煤矿，建造了一座平面长度近6km，最大深度超过50m，有效厚度大于0.6m的帷幕墙，有效拦截了第四系砂砾石强渗透含水层的侧向补给[14]。

元宝山露天煤矿是国内外少见的水文地质条件极复杂的特大富水型露天煤矿，长期疏排地下水所造成的影响尤为严重，以大量疏排地下水维持正常生产的模式不可持续。本文在系统分析元宝山露天煤矿长期疏排地下水带来的一系列安全、环保及经济问题的基础上，提出建造一座以地下混凝土连续墙技术为主，钻孔注浆帷幕为辅的截水帷幕，截断地下水向矿坑的补给通道，从地质条件、施工工艺、截水效果及经济效益四方面研究了截水帷幕可行性，结果表明，截水帷幕可以从根本上解决元宝山露天煤矿因长期疏排水产生的诸多问题。

1 元宝山露天煤矿概况

1.1 矿坑开发情况

元宝山露天煤矿始建于1990年，最初设计产能500万t/a，2009年经内蒙古煤炭工业局核定生产能力800万t/a，2019年经国家煤矿安全监察局核定生产能力1200万t/a。矿区走向平均长度4.68km，倾向平均宽度2.56km，面积12km2，地质储量5.43亿t，可采储量3.92亿t，平均剥采比3.96m3/t。截至2019年末元宝山露天煤矿剩余可采原煤量2.31亿t，剩余服务年限为19.3a。

1.2 地质及水文地质情况

元宝山露天煤矿地层自下而上为太古界前震旦系、古生界奥陶-志留系、二叠系下统额里图组、中生界白垩系、新近系、第四系地层，并有多期岩浆岩活动，其中煤系地层为白垩系下统九佛堂组和阜新组地层。元宝山露天区位于英金河河谷平原的下游，河谷两侧为低山丘陵地段，其间沿河谷两侧分布有河漫滩与阶地，英金河通过露天采区中部。含煤地层全部被英金河冲、洪积形成的第四系孔隙潜水含水层覆盖。

第四系含水层根据沉积条件分为上下两个富水段。上段为强富水段，主要由冲、洪积作用形成的圆砾夹砂砾及卵石层组成，卵砾石直径一般为2～40mm，少数达50～100mm，个别为漂石，厚10～32m，单位涌水量54～143L/(s·m)，渗透系数234～637m/d。下段为中等富水段，主要由冰积、冰水堆积的泥砂质砾(卵)石夹层和砂砾、砂等组成，卵砾石直径一般为5～60mm，大者近60～150mm，厚10～35m，渗透系数123～147m/d。

2 疏排水情况及存在问题

2.1 疏排水情况

1990年8月15日矿坑开始预先疏排降水，初期投入疏干井81眼，疏排水量46.45万m3/d，高峰时段日投入疏干井增加到101眼，疏排水量达53.92万m3/d。目前矿井已进入平行疏干阶段，疏排水量较大，截至当前，累计疏排水量超过50亿m3，基岩疏排水量占矿坑疏排水总量的5%，第四系水占比95%，是矿坑的主要充水水源。

原始状态下，第四系冲、洪积孔隙潜水含水层主要受英金河上游河水和大气降水的渗入补给，地下水径流方向由河谷上游向下游径流，如图1(a)所示。

图1 研究区地下水流场

随着矿坑长期疏排水，加之其他工农业生产生活用水，导致区内水位整体下降，形成了以矿坑为中心的水位降落漏斗，中心水位降幅达30m，影响范围超过130km2，已经袭夺了部分下游老哈河水量，对矿坑形成了倒灌补给，如图1(b)所示。随着采矿活动的不断加深，地下水位持续下降，影响范围逐步扩大。

2.2 疏排水存在问题分析

近30年来，由于长期大量疏排地下水，引起元宝山矿区周围百余平方公里水位下降，造成地下水资源量减少、地下水循环失衡等问题，对居民生活、工农业生产及生态环境造成重大影响；部分疏排水未加利用直接排入老哈河，造成水资源严重浪费；随着环保要求的日益提高，矿坑水排放标准越来越高，现有矿坑水处理厂能力明显不足，环保风险大。

矿坑疏降残余涌水较大，通过坡体渗入矿坑，在内排排土作业后，由于排弃废岩为松散介质，水体极易造成废岩物理力学性质弱化，坡体渗出的地下水降低边坡及内排土场摩擦阻力，对矿坑边坡和内排土场稳定性造成较大影响。

维持年度疏排水运营费用约3366万元/a；水资源税缴纳仅2018、2019年两年，缴纳水资源税合计3.876亿元，占企业利润20.9%，随着矿井向北推采，第四系含水层厚度增加、富水性增强，预测疏排水量将进一步增加，相应的疏排水费用也会增加，吨煤生产成本显著增加。

3 帷幕建造方案

3.1 截水帷幕平面布置

根据矿坑疏排水量构成分析，第四系砂砾层水为矿坑主要充水水源，对该含水层进行帷幕截流可从根本上解决元宝山露天矿的疏排水难题，设计建造除矿坑西南角(河谷外砂砾层缺失的弱给水边界)的矿坑边界全封闭帷幕墙，对所有来水边界进行截水，最大程度减少矿坑疏排水量。帷幕平面长度13.408km，采用地下混凝土连续墙技术为主，钻孔注浆帷幕技术为辅的工艺建造截水帷幕，矿坑东北部由于有玄武岩喷出覆盖于第四系砂砾层中部，采用钻孔帷幕注浆工艺，长度2.843km，其他区域使用地下混凝土连续墙工艺，长度10.565km，如图2所示。

图2 截水帷幕平面布置

3.2 帷幕建造技术

3.2.1 地下混凝土连续墙技术

主要施工工艺为采用液压抓斗或液压双轮铣辅助冲击钻成槽，利用抗渗混凝土充填槽段，最终形成连续截水帷幕。根据矿区砂砾层底界埋藏深度，帷幕深度最大75m，根据国内扎尼河露天煤矿和腾龙露天铁矿类似条件富水砂砾石层截水帷幕成功经验[8，15]，主要技术参数要求如下：①墙体充填抗渗混凝土，抗渗等级P6，塌落度180～220mm，墙体渗透系数小于1×10-3m/d；②墙体底部进入完整基岩隔水层3m；③墙体厚度不小于0.8m，单幅槽段长度不小于7m，槽段垂直度不大于0.6%；④路面与导墙混凝土标号为C25；⑤为了保证槽底的防渗性能，浇筑前进行清底，控制槽底沉渣厚度小于10cm。具体施工工序如图3所示。

图3 截水帷幕施工工序

3.2.2 钻孔注浆帷幕技术

帷幕注浆钻孔自地面开孔，钻探终孔进入完整基岩隔水层3m，设计帷幕采用三排孔，注浆压力1MPa，浆液扩散半径大于5m，钻孔按照孔距10m，排距3m的梅花形布置，如图4所示。先施工外侧排，然后施工内侧排，最后施工中间排，两侧排孔分两序施工，中间排分三序施工，中间排注浆前先进行注水试验，根据注水试验情况进行补充注浆，注浆采用下行式分段静压式注浆方法。

图4 注浆帷幕设计方案

4 截水帷幕可行性论证

4.1 地质条件可行性

元宝山露天煤矿自勘探建设以来，积累了丰富的地质、水文地质及工程地质资料，主要从含隔水层特征，地质构造及截渗目标层位埋藏深度、砾径及强度方面论证[12，16]。

第四系砂砾层含水层水是矿坑主要充水水源，占矿坑疏排水量的95%，第四系砂砾层含水层水主要来源为大气降水和英金河渗漏补给，流域汇水面积达10598km2，补给水源充沛且静储量大，将截水帷幕布置在第四系砂砾层含水层中，可有效减少地下水向矿坑的动态补给。第四系砂砾岩层底部为厚度稳定的白垩系泥岩层，该地层渗透系数仅为0.08m/d，与上覆第四系强富水含水层相比渗透系数相差巨大，为相对隔水层，是较为理想的帷幕基底。

从构造发育情况分析，元宝山露天煤矿构造发育较为简单，且砂砾石层和基岩隔水层较为稳定，地质构造的发育情况对截水帷幕的稳定性影响小。从砾石层结构特征分析，砾石层厚度0～70m，帷幕深度中等，槽段搭接难度不大，砾石砾径大部分小于150mm，个别漂石砾径较大需要冲击破碎，绝大部分地层适宜帷幕成槽设备冲抓及旋铣。从工程地质特征分析，地层的单轴抗压强度均在10MPa以下，有利于地层开挖，且效率较高，局部存在的玄武岩强度较大，在该区域使用钻机进行钻进施工。

4.2 工艺可行性

4.2.1 地下混凝土连续墙工艺可行性

地下连续墙作为一种常用的地下水截流防渗技术，具有抗渗效果好、抗变形能力强、施工工艺成熟、地层适应性强、墙体可控性好等优点，目前国内连续墙最大开挖深度已达186m，墙体厚度可达1.2m[9]，墙体渗透系数可小于3×10-5m/d[17]，设计建造的元宝山露天煤矿帷幕墙最大深度75m，厚度小于1m，类似条件富水砂砾层地下连续墙截水帷幕已在扎尼河露天煤矿[14，18]、腾龙露天铁矿[15]等成功应用，元宝山露天煤矿地下连续墙帷幕适宜选择厚度0.8～1.0m成熟的连续墙帷幕工艺，建造效率高。

1)槽段成槽技术。单幅槽段的开挖长度一般不超过8m，成槽机械通过3次开挖即可完成，成槽过程中，为了保证槽段稳定，泥浆护壁作用尤为重要，主要采取以下措施：①优化调整泥浆的配合比，结合地层和地下水特征，对构成泥浆的膨润土、CMC、水等原材料的配合比进行优化和调整，使其具有更好的稳定性和携砂能力；②定期测量泥浆的主要参数，按照要求测量泥浆的粘度、比重、含砂率等主要参数，确保泥浆参数在要求范围之内；③及时补充新鲜泥浆，泥浆在使用过程中有大量消耗，应根据使用情况及时补充新鲜泥浆，其次对于不符合要求的废泥浆进行处理。

2)槽段浇筑质量控制。主要从混凝土原材料、混凝土成品及浇筑过程等方面控制。①对原材料进行质检，确保原材料满足要求；②严格控制混凝土塌落度，及时采取混凝土试块，检验其强度指标和抗渗性能；③严格控制导管下置深度和拔管高度，确保墙体进入隔水层深度，防止墙体断桩。

3)槽段连接质量控制。在槽段连接处下入防渗墙专用接头箱，增加槽段连接处接缝密实度，减少接缝处渗漏，增强截水帷幕的有机整体性，同时，在部分槽段浇筑过程中放置声测管用于检测接头质量，检验墙体浇筑密实度。

4)环境可行性。连续墙体采用普通硅酸盐水泥、粉煤灰、骨料等材料，符合相关国家标准，槽段护壁所用黏土及添加剂均对环境无害，不会对地下水造成人为污染。

4.2.2 钻孔注浆帷幕工艺可行性

钻孔注浆帷幕工艺可行性的主要影响因素为受注层可注性，评价松散颗粒层的可注性能常用下面3个指标考察，即可灌比、小于0.1mm颗粒含量百分数及渗透系数，可注性说明见表1。

表1 松散层可注性指标

区内第四系砂砾石层可灌比M均大于10，除了粉细砂层透镜体外，0.1mm颗粒含量百分数P一般在0.1～3.6，均小于5，含水层渗透系数K在123～637m/d，综合上述三个指标，元宝山露天煤矿第四系砂砾石层可注性非常好，且需要根据实际情况采取添加骨料或速凝剂进行控制注浆。

4.2.3 截水帷幕效果检验方法

截水帷幕墙体质量检验与效果检测的方法既有定性方法，也有定量方法，此次设计基于定性与定量多种检测手段，建立效果检验与验证方法体系检验截水帷幕效果如图5所示。

图5 截水帷幕效果检验与验证方法体系

4.3 帷幕效果分析

4.3.1 截水效果分析

为了研究帷幕截水效果，采用三维有限差分模型进行了数值模拟，计算了建墙后20年时间墙体外水位以及矿坑涌水量的变化情况如图6所示。

图6 水位及矿坑涌水量变化曲线

模拟结果显示，随着时间的延续，墙外水位呈现逐渐上升趋势，帷幕建成后20年，西侧上游水位恢复至+472m，东侧下游水位恢复至+460m，避免地下水资源进一步破坏，最高水位仍在地面以下10～20m，不会发生沼泽化现象。

矿坑涌水量呈现先减小后增大的趋势，300d涌水量约4.3万m3/d，与矿坑预测的第四系疏排水量相比减少81.1%，随着时间的延续，墙外地下水位持续上升，墙内外水头差逐步变大，通过帷幕墙进入矿坑的涌水量呈现增加趋势，20年后增加至4.6万m3/d，减少79.8%。帷幕工程实施后，矿坑涌水明显减少，残余水量可供煤矿日常生产生活用水有效利用，不会造成水资源浪费，矿坑无外排水量降低了环保风险，另外，矿坑残余涌水量的减小，地下渗流水压力减小，可以有效降低矿坑边坡和内排场边坡安全风险。

4.3.2 帷幕稳定性分析

截水帷幕自身的力学强度和抗变形能力有限，露天煤矿剥采至接近截水帷幕区时，形成的边坡若发生变形失稳，则会引起帷幕墙的结构破坏，造成截水帷幕失效。因此，必须确保截水帷幕区边坡稳定，保证防渗结构正常运行。采用极限平衡法和有限单元法计算评价帷幕和边坡稳定性，选取帷幕墙典型工程地质剖面，作为帷幕截水区边坡稳定性计算的代表性剖面。使用极限平衡法，得出在未实施截水帷幕工程条件下，边坡稳定系数1.474，帷幕建成后边坡稳定系数1.480，显示边坡稳定性均大于1.25，且帷幕建成后较帷幕建成前边坡稳定性增强。使用有限元法帷幕墙外水位达到+460m时计算帷幕区边坡稳定性，计算结果显示帷幕墙建成后墙体附近剪应力减小，边坡稳定性增强，如图7所示。综上，地下连续墙不仅发挥了止水的作用，同时还有加固边坡的作用，边坡的稳定保证了帷幕墙体的稳定。

图7 边坡最大剪应力

4.4 经济可行性

根据现行合理的工、材、机等价格预算，帷幕工程总投资约16.10亿元，帷幕截水后，年缴纳水资源税0.31亿元，相较疏排水量，减缴3.08亿元/a，降低疏干运行成本0.12亿元/a，年生产成本合计降低3.20亿元，投资回收时间5.04a。相较于煤矿19.3a的剩余服务年限，帷幕墙投资回收时间较短，可大幅降低煤矿生产成本，帷幕墙建设在经济上是可行的。

5 结 论

1)元宝山露天煤矿第四系砂砾层含水层疏排水量大，长期疏排水会造成水资源严重浪费，存在水环境环保风险和矿坑、内排土场边坡安全隐患，高额水资源税和防治水安全费用投入大幅增加煤矿生产成本。

2)元宝山露天煤矿第四系砂砾石含水层埋藏浅，富水性强，透水性好，补给来源和补给通道明确，底部发育有稳定隔水层，地下连续墙和钻孔注浆帷幕施工工艺可行且不会造成人为地下水污染，帷幕墙可以拦截79.8%第四系含水层补给水量，残余水量可供日常生产生活有效利用，帷幕墙投资回收时间较短，可大幅降低煤矿生产成本，截水帷幕具有可行性。

3)截水帷幕施工可以从根本上解决元宝山露天煤矿由长期疏排水而造成的安全、环保及经济负担问题，研究成果有很强的应用价值。