基于截水帷幕的露天煤矿绿色开采实践

2021-05-13黄选明靳德武

露天采矿技术 2021年2期

张雁，黄选明，靳德武

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安 710077）

近年来，露天煤矿开采产量在煤炭总产量中的比例呈逐渐增加趋势（约15%）。露天煤矿在剥离、开采过程中，常引发固体、水体、大气和生态等综合性灾害和污染。例如在露天煤矿区，大面积的土地被占用和破坏，长期疏排水引起地下水位下降、水环境污染、水资源浪费、土地沙化和植被种群改变，煤炭自燃释放有毒有害气体，生产环节产生大量粉尘和噪音污染，这些问题将严重制约露天煤矿的绿色和可持续发展。煤炭工业“十三五”发展规划指出，煤炭生产重点是建设安全绿色高效煤矿。因此，开展露天煤矿绿色开采的理论研究和工程实践具有重要意义和实用价值。

地表水和地下水在露天煤矿开采过程中扮演着重要角色。一方面，矿区生产及周边植被生长和生态环境维护需要地表和地下水资源，另一方面，为满足矿坑开采又要大量抽排地下水，尤其在水资源短缺的露天煤矿区，这一矛盾愈加突出[1]。为解决此问题，以呼伦贝尔地区某露天煤矿为例，采用截水帷幕技术对露天煤矿渗流补给通道进行帷幕截流，目的是从根本上减少矿坑疏排水量、保护地下水资源和矿坑外围生态环境、保障煤矿安全生产。

1 露天煤矿绿色开采研究与实践现状

煤矿绿色开采的概念是钱鸣高院士[2]于2003 年首次提出的，随后其研发团队相继发表了一系列旨在建立煤矿绿色开采基础理论和技术框架的学术论文[3-5]，不断对煤炭资源绿色开采的内涵进行阐述。近年来，顾大钊[6]、张建民[7]等也对绿色开采进行了更深入的研究。钱院士提出的绿色开采概念包括井工煤矿和露天煤矿，针对露天煤矿而言，绿色开采的基本思路是克服先开采后治理的传统模式，从源头控制煤炭开采造成的环境破坏。这与我国露天煤矿发展历程基本一致。2000 年以来，露天煤矿开始向科学采矿和绿色矿山转型，生产过程也注重对环境的影响。国内学者在露天煤矿绿色开采理论研究与实践方面也取得了丰硕成果。辽宁工程技术大学宋子岭团队[8-9]和沈阳研究院王建国团队[10]相继于2015—2017 年对露天煤矿绿色开采理论进行深入研究，引入“绿色因子”、“绿色度”等概念，建立了绿色开采评价指标和评价体系；王普毅[11]认为生态矿山是露天煤矿发展的新方向，并提出生态矿山建设对策；韩义朝[12]提出露天煤矿绿色开采体系，旨在形成高效率低能耗低污染低排放的露天开采模式；姚勇[13]从法律体系、支持政策、理念宣贯和推广绿色开采技术等方面提出实现绿色开采的途径；舒应秋[14]认为开采工艺的革新和绿色开采工艺的应用是实现绿色开采的关键环节；林淋[15]归纳了露天煤矿开采对外部环节的6 大扰动因素并分析其负向效应，建议从源头上加以科学管理和技术改革实现绿色开采；杨俊哲[16]、刘少飞[17]分别介绍了神东矿区和准东露天煤矿的绿色开采实践。由此可得：我国露天煤矿绿色开采具有一定的理论基础，目前绿色开采的对策和实践多为过程管理，并非从源头管控。

2 截水帷幕在露天煤矿的应用情况

截水帷幕是用以阻隔或减少地下水通过基坑侧壁与坑底流入基坑和控制基坑外地下水位下降的幕墙状竖向截水体。这项技术起源于20 世纪40 年代的欧洲[18]，从20 世纪60 年代开始应用于国外露天矿山[19]，前东德、波兰和前苏联等国家在一些条件复杂的露天煤矿和金属矿山施工截水帷幕并取得了显著的截水效果，如前东德在劳尔兹、莱比锡及贝尔多夫等露天煤矿共修筑80 km 长的帷幕，在杨斯瓦尔德露天煤矿为防止尼斯河河水渗入露天矿，修筑了长1 250 m 的帷幕，使疏排水量减少40%；据波兰经验，堵水率可达90%以上。

截水帷幕技术于1957 年引入我国，在露天煤矿领域，我国学者也做了大量研究和探索工作。黄文干[20]分析了露天矿目前采用疏干降水方案造成的危害，提出在条件适宜时可采用堵水帷幕方案，并研究了帷幕的应用条件和布置方式，进行了渗透计算；赵毅[21]研究了帷幕堵水工艺在国外露天煤矿的应用并分析了在我国露天煤矿的应用前景；张雁[22-23]提出采用地下防渗墙技术对地下水补给通道进行帷幕截渗是露天煤矿防治水工作的新方法，并研究了露天煤矿防渗墙的构建条件和类型。20 世纪90 年代，煤炭科学研究总院西安分院试图在元宝山露天矿采用地下混凝土防渗墙技术建造截水帷幕拦截英金河与老哈河河水入渗矿坑，但由于种种原因，项目最终并未实施。

3 露天煤矿截水帷幕的实践

3.1 截水帷幕的提出与工艺试验

某露天煤矿自2011 年开采以来，矿坑疏排水量远大于初步设计中预计水量，目前已施工100 余口疏水井进行抽水以满足矿坑开采。因疏排水工程投入资金大，已造成煤矿生产成本增加，且长期疏排地下水造成地下水资源浪费、区域地下水位下降，引起周边草原环境恶化等生态环境问题和边坡滑动等工程地质问题，将来还会进一步影响煤矿生产接续[24]。

为解决因疏排水产生的一系列问题，该露天矿于2014 年进行科研立项，深入研究了露天矿工程地质和水文地质条件，认为矿坑疏排水量主要来自矿坑北侧海拉尔河，河水通过第四系砾石层沿煤层隐伏露头入渗补给矿坑，动态补给量约占疏排水总量的80%以上，在此基础上提出采用地下混凝土防渗墙的方案进行帷幕截渗，并于2015 年开展了平面长度为400 m 的试验工程，目的是检验施工工艺的可行性并验证防渗墙的质量和效果。试验工程证实在厚度近40 m 的强渗透（渗透系数约120 m/d）砾石层中建造混凝土防渗墙技术可行，经济合理，混凝土浇筑连续完整，墙体防渗性能达设计要求。

3.2 截水帷幕主体工程实施

截水帷幕主体工程是在试验工程的基础上实施的，项目于2017 年立项，2019 年完工。设计帷幕总长度5 815 m（包括400 m 试验工程），墙体有效厚度大于0.6 m，墙体深度21～56 m 不等（北深南浅）。为确保截水帷幕的有效性，墙体底部进入基岩稳定隔水地层1 m 以上，墙体两端嵌入不透水地层，要求帷幕墙渗透系数不大于0.001 m/d，截水帷幕剖面示意图如图1。

图1 截水帷幕剖面示意图

根据矿区水文地质与工程地质条件，结合现场施工条件，截水帷幕共采用了4 种工艺，分别为地下混凝土防渗墙技术、防渗膜垂向隐蔽铺设与连接技术、高压旋喷注浆帷幕技术、钻孔咬合桩帷幕技术。其中防渗膜铺设帷幕工艺为项目创新工艺，首次将防渗膜应用于大深度（超过50 m）垂向隐蔽铺设，其它3 种工艺为传统工艺，但根据施工区地层条件进行了技术创新。项目实施过程中，突破了低强度（8～10 MPa）抗渗（P6 级）混凝土配合比技术、超长槽段开挖与护壁技术、防渗膜叠覆连接技术、粉煤灰-水泥混合浆液注浆充填技术和厚砾石层中高压旋喷成桩技术等5 项技术难题。

3.3 截水帷幕效果检验

在截水帷幕建造过程中和结束后，分别采用了声波透射法、取心验证法、抽水试验法、流场观测法和水量分析法等5 种方法检验和验证了截水帷幕的质量和防渗效果。

采用声波透射法检验了混凝土防渗墙和防渗膜帷幕墙的墙体浇筑质量，抽检比例大于10%，检测结果表明各检测剖面声学参数正常，均为Ⅰ类桩，说明墙体材料浇筑密实，胶结完好；针对4 种工艺帷幕墙，选择20 余处进行钻孔取心验证，结果表明槽孔深度合格，岩心完整连续，无分层和空腔；采用围井抽水试验开展混凝土防渗墙、防渗膜帷幕墙和高压旋喷桩帷幕抽水试验共3 次，墙体平均渗透系数为8.34×10-7cm/s，渗透性达极微透水级；流场观测法持续观测了墙体建设过程中的观测孔水位变化，结果表明墙体内外水位差逐渐增大目前已增加至10 m以上；水量分析法分析了矿坑疏排水量的变化过程，矿坑疏排水量已较帷幕实施之前减少了60%以上。综合检验结果可知，帷幕墙截水效果显著，达到了设计要求。

4 截水帷幕与绿色开采

4.1 绿色帷幕工艺的应用

防渗膜铺设帷幕工艺是一种创新性的绿色施工工艺，首先，防渗膜采用厚度1.5 mm、幅宽8.0 m 的HDPE（高密度聚乙烯）膜，该材料具有强度高、抗老化、抗低温、耐腐蚀、寿命长等性能，是一种环保无毒产品，且造价低廉，防渗性能优异。施工过程中，使用自主研发的铺设机具可将防渗膜顺利下放至目的深度。

其次，在充满泥浆的槽段内把防渗膜铺设完成后，需要及时将槽段回填，可实现2 个目的：①回收槽段内护壁泥浆，保证泥浆能够重复使用；②充填槽段，压实防渗膜，保证墙体稳定。通过实验研究，项目创新性的采用了高掺量粉煤灰-水泥混合浆液[25]进行充填，粉煤灰与水泥的质量比为8:2，混合浆液的体积质量约1.532 g/cm3，固结后抗渗等级达P3 级，90 d 抗压强度约3.0 MPa。

采用高掺量粉煤灰-水泥混合浆液注浆充填具有以下优点：①混合浆液中以粉煤灰为主要材料，充分利用了当地电厂材料，变废为宝，体现环保理念；②利用浆液体积质量差可以充分置换泥浆；③浆液固结后具有一定防渗性与强度，提高帷幕墙性能；④价格低廉，节约成本。

4.2 截水帷幕生态效益和综合效益

随着截水帷幕长度的不断增加，截水效果逐渐显现，主要表现在矿坑疏排水量的下降和帷幕墙内外两侧钻孔水位的变化，外侧水位升高，内侧水位降低。分别绘制了研究区2018 年9 月（主体工程实施前期）与2020 年3 月（主体工程竣工后）的第四系含水层流场图。研究区2018 年9 月第四系含水层流场图如图2，研究区2020 年3 月第四系含水层流场图如图3。

图2 研究区2018 年9 月第四系含水层流场图

图3 研究区2020 年3 月第四系含水层流场图

对比1 图可知，截水帷幕形成后，外侧水位快速回升，水位标高基本一致且接近外围补给水位，而内侧水位在疏排水的作用下快速下降，两侧水位差不断加大，内侧低水位区的范围增加。

另外，根据研究区GIS 数据和遥感数据，绘制2018—2019 年间植被覆盖率空间分布图，用归一化植被指数（NDVI）表示。研究区NDVI 指数空间分布（2018—2019）如图4。

图4 研究区NDVI 指数空间分布（2018—2019）

由图4 可知，在截水帷幕效果显现后，2019 年研究区北部（截水帷幕外围）植被覆盖率显著增加，根据分级标准可划分为适中植被级别。因此，截水帷幕的生态效益主要表现在促进帷幕外围地下水位回升，维护帷幕外围的植被生长条件和生态环境，提高植被多样化。NDVI 国际分级标准见表1。

表1 NDVI 国际分级标准

截水帷幕实施后，矿坑疏排水量显著减少，年度疏排水费用可节省千万元，同时，解放了露天矿北部大量煤炭资源，经济效益显著；其次，疏排水量减少可有效保护地表和地下水资源，同时，降低了由疏排水造成的环保风险和压力。因此，截水帷幕的实施可保证该露天矿在未来开采年限内的安全、绿色和可持续发展，安全效益和社会效益可观。