截水帷幕技术在元宝山露天煤矿的应用与效果评价

高 胜，李国志，郭英杰，田增林，邵东梅，朱宏军

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司，内蒙古 赤峰 024050)

煤炭是我国主要能源之一，据2018 年统计数据，我国正在生产的露天煤矿249 处，产能达6.36 亿t/a，占全国煤矿总产能的18%[1]。由于露天煤矿多处于强富水的砂卵石层河道区域附近，地层渗透系数大，地表水和地下水的侧向补给能力强，在剥采过程中通常采用疏排降水的方法保证矿坑内的安全生产，长期大量疏排降水往往会造成矿区周边地下水位下降、土地荒漠化、生物多样性退减等生态环境问题[2-5]。截水帷幕技术作为一种截流防渗的有效措施，为露天煤矿解决周边生态环境问题，降低疏排水成本，实现露天煤矿绿色可持续发展提供了重要保障[6]。

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[7]。截水帷幕技术在露天矿山的应用最早出现在国外[8]，由于国内露天煤矿工程地质和水文地质条件复杂、帷幕施工工艺不成熟、截渗减排机制研究不充分，很长一段时间该技术并未应用到我国露天煤矿防治水领域[9]。近年来，国内众多学者对截水帷幕技术和施工工艺开展了深入研究与优化[10-12]，曹海东等[13]通过对混凝土配合比与抗渗机理的研究，研发出一种低强度(8～10 MPa)抗渗(P6 级)混凝土作为帷幕墙体浇筑材料；张雁等[14-15]提出帷幕截水是露天煤矿防治水工作新方法，利用数值模拟分析了渗透系数对截水效果的影响，提出截水帷幕渗透系数的设计依据；王海等[16]利用围井试验检验了4 种不同工艺截水帷幕的截水效果。中煤科工集团西安研究院有限公司(简称西安研究院)于2015-2020 年将该项技术应用到内蒙古扎尼河露天煤矿[6]，开辟了我国露天煤矿帷幕截水的先河，也标志着我国帷幕截水技术的日趋成熟，该技术的成功应用将我国露天矿帷幕截水技术向前推进了一大步，为“绿色矿山”“生态矿山”的打造奠定了坚实基础。

内蒙古元宝山露天煤矿是国内外罕见的强富水型露天煤矿，20 世纪90 年代，西安研究院尝试在元宝山露天矿建造截水帷幕，但由于种种原因，项目最终并未实施[17]，随着截水帷幕技术的进步，元宝山露天煤矿已具备开展相关工作的条件。笔者根据元宝山露天煤矿工程地质和水文地质条件，结合矿坑开采情况，设计截水帷幕以拦截周围地表河水入渗矿坑，从根本上减少矿坑疏排水量，降低生产成本，保护周边生态环境，并通过开展试验研究，提出适用于元宝山露天矿的截水帷幕工艺，获得主要技术参数，同时，检验帷幕截水效果，为后续工程实施提供关键技术支撑。

1 截水帷幕工程概况

元宝山露天煤矿位于内蒙古自治区赤峰市元宝山区，处于英金河和老哈河交汇附近，英金河通过露天采区中部，开采前已将河流改道，老哈河距矿区3 km。矿区地表高程为472～490 m，主采5 煤、6 煤和7 煤，最大开采深度为400 m。

自开采以来，矿区主要以疏排降水的方式控制第四系含水层水位，至2019 年，第四系含水层水位已接近含水层底板，进入平行疏干阶段，疏排水量较大，在长期疏排水的作用下形成了以矿区为中心的地下水位降落漏斗，下游老哈河对矿区已经形成了河水倒灌的地下径流方向(图1)。随着国家环保政策的逐步出台，矿坑疏排水“零”排放已成为行业趋势，为此，元宝山露天煤矿欲采用截水帷幕代替传统的疏排降水方式。

图1 元宝山露天煤矿南北向剖面图Fig.1 North-south section of Yuanbaoshan open-pit coal mine

1.1 可行性

露天煤矿建造截水帷幕应具备一定条件[18]：一是地下水源与补给方式明确，且有稳定动态补给源；二是截渗目标层底部发育有稳定隔水层。此外，截渗目标层埋藏浅及建造区域地质构造简单，将有利于截水帷幕建造，保障截水帷幕墙体质量。

通过对元宝山露天矿水文地质和工程地质条件分析，矿区含煤地层全部被英金河冲洪积形成的强富水第四系孔隙潜水含水层及第四系孔隙承压含水层所覆盖，其水源补给量占矿坑疏排水的95%，周边英金河和老哈河渗流构成矿坑疏排水主要的动态补给源。此外，第四系含水层主要由卵砾石、细粉砂和砂土组成，厚度15～85 m，是帷幕截水目标层，底部发育的泥岩与细砂岩是稳定隔水层，可作为帷幕墙隔水基底。因此，元宝山露天煤矿具备建造截水帷幕的基本条件。

1.2 方 案

元宝山露天煤矿疏排水量除了矿内生产用水外，还兼顾周边农业灌溉、电厂用水，基本得到充分利用。截水帷幕方案布置应以不影响周边供水关系为前提。经过元宝山露天煤矿水文地质条件分析，在最大程度减少矿坑补给水量和兼顾周边供水的基础上，截水帷幕宜采用半封闭帷幕与群井疏干水力帷幕相结合的方式，平面形态为弧线形(图2)，帷幕全长10.86 km，平均深度约55 m，北部群井疏降段长2.55 km。其中西南部为矿坑隔水边界，东北部的玄武岩喷出区拟采用钻孔注浆帷幕工艺，其他区域采用防渗膜垂向铺设与抗渗混凝土充填复合工艺。

图2 截水帷幕平面布置(A-B 剖面为图1)Fig.2 Layout plan of water cutoff curtain (See Fig.1 for A-B section)

截水帷幕的实施将改变地下水补给方向和补给水量，墙体建成后，地下水主要从北部帷幕缺口处入渗补给矿坑，在该区域施工疏降水孔，满足对周边供水的需求。

2 试验工程研究

元宝山露天煤矿第四系卵砾石层砾径大、地层渗透系数大、富水性强，且局部存在大块漂石，水文地质条件复杂，国内尚无在该类地质条件下建造截水帷幕的经验。因此，在截水帷幕实施前，开展试验工程研究，其目的是提出适用于元宝山露天煤矿的截水帷幕工艺，获得主要技术参数。试验工程利用矿坑+452 m 平盘作为施工场地，建造帷幕总长度1 369 m，墙体有效厚度0.8 m，深度由西(16 m)向北(43 m)逐渐加深，为防止帷幕底部发生渗漏，墙体底部嵌入稳定隔水基岩3 m，平面位置如图2 所示。试验工程采用防渗膜垂向隐蔽叠覆铺设和抗渗混凝土充填的双重防渗工艺，在防渗膜连接方面提出了磁吸式水下连接技术，使膜与膜之间连接更加紧密，避免出现褶皱，防渗效果更优。帷幕施工工艺与主要流程如图3 所示。

图3 帷幕施工工艺流程Fig.3 Water cutoff curtain construction process

2.1 槽段开挖

2.1.1 成槽施工

依据地勘资料和类似工程经验[19]，元宝山露天煤矿截水帷幕试验工程挖槽时利用液压抓斗和液压双轮铣相互配合的成槽方式，液压抓斗适合抓取上部土层、细砂和卵砾石层，液压双轮铣可铣出底部较硬的风化基岩层，同时又自带泵举反循环的清底工艺，可减少槽段底部沉渣，增强帷幕抗渗效果。两者结合既可提高施工效率又能保证成槽质量，开挖完成后利用超声波测壁仪检验沟槽质量和垂直度。

由于帷幕墙是由多个单幅槽段(一般为7 m)连接而成，单幅槽段长度直接关系到整体墙体的接头数量，而槽段连接处往往易发生渗漏，影响帷幕整体截水效果。本项目施工过程中，分幅度长度7 m 为主，同时通过单幅槽段长度7、14、21 m 多次开挖试验，确定适用于元宝山露天煤矿的单幅槽段开挖长度为14 m，其优点是：一方面减少了接头数量，增强了整体防渗性，另一方面，在施工场地受限情况下提高了成槽施工效率。

2.1.2 泥浆护壁

在槽段施工开挖的同时，需要向槽孔内注入泥浆，其主要作用是能在槽孔内壁形成一层薄而致密，且具有一定韧性的泥皮，可有效防止槽孔内壁坍塌，泥浆主要由钠基膨润土、水、添加剂等按一定比例在高速搅拌机下配制而成。泥浆的密度、黏度和含砂率应分别控制在1.05～1.25 g/cm3、32～60 s(马氏漏斗黏度计)和4%以内，既能保证槽壁的稳定性，也具有携渣和冷却机具的辅助作用。

2.2 防渗膜铺设与连接

2.2.1 铺 设

防渗膜是截水帷幕防渗的关键材料，采用渗透系数为1×10-11cm/s 的高密度聚乙烯膜(HDPE)[20]，膜宽8 m，厚1.5 mm，是一种具有耐热、耐寒、抗酸、抗碱的柔性防水材料，广泛应用于水利和环保防渗工程[21-22]。

本项目防渗膜铺设主要根据扎尼河露天煤矿截水帷幕铺膜经验，利用自主研发的铺膜机具将防渗膜卷起后进行垂向铺设[23]。卷膜过程中要求膜两侧顺直无偏斜，保证防渗膜在槽段内垂直下放，不发生偏斜，卷膜长度根据每幅槽段深度制定，并在顶部留0.5 m 用于固定。铺膜时需借助配重将防渗膜沿外侧槽壁(渗流补给方向)垂向铺设，可保证防渗膜下放过程中紧贴槽壁，拉展无褶皱，并提高铺设速率。

2.2.2 连 接

为保证截水帷幕的整体性，采用传统的接头箱技术实现防渗膜之间的连接[7]，该技术具有施工效率高、连接效果好的优点。主要是利用接头箱自身体积为防渗膜连接提供空间，通过浆液充填使膜与膜之间相互紧贴，重叠宽度为1 m(图4)。这种防渗膜之间的叠覆连接使截水帷幕形成了一个连续的整体，有效增强防渗截水效果。

图4 防渗膜连接技术Fig.4 Geomembranes connecting technology

2.2.3 磁吸式连接

在现有技术中，防渗膜垂向铺设连接工艺通常采用连接锁、接头箱等技术[24]，当槽段深度过长时，防渗膜连接处易出现褶皱，导致整体抗渗性减弱。元宝山露天煤矿截水帷幕实施期间，提出了防渗膜水下磁吸式连接技术，改变了传统技术下自然贴合的连接方式，其原理是利用阴阳磁吸的方式实现防渗膜叠覆处的自粘连，具有连接紧密、抗褶皱和整体性强等特点。

磁吸式连接技术包括惰性磁吸和活性磁吸2 种方式，其中，活性磁吸是在防渗膜铺设前，将两幅防渗膜连接处添加带有磁性的磁条(图5a)，使防渗膜在铺设完成后能实现自动贴合。惰性磁吸是在防渗膜连接处均匀地植入磁性粒子形成待激活的防渗膜接头，铺膜完成后，利用充磁机产生的瞬间脉冲强电流使充磁板线圈产生短暂的超强磁场(图5b)，进而激活接头处磁性粒子，之后通过电极变换形成阴极和阳极磁性接头，自吸后连为整体(图5c)。2 种磁吸连接方式均使防渗膜之间紧密贴合，进一步提升了防渗膜连接质量和有机连续性，增强了帷幕防渗效果。

图5 防渗膜磁吸式连接技术Fig.5 Magnetic suction overlapping connection of impervious membrane

2.3 抗渗混凝土充填

防渗膜铺设完成后进行混凝土充填浇筑，选用抗渗等级为P6 的混凝土，抗渗混凝土浇筑主要有置换泥浆、承重和防渗3 方面作用。浇筑施工时，采用较为成熟的导管输送方式，该方法施工效率高，可控性强，能有效保证浇筑质量。主要是借助打灰架将导管连接放至槽孔底部，通过适时提升和拆卸导管来不断升高混凝土浇筑面，同时，利用混凝土与泥浆的密度差将槽内泥浆置换出来，待混凝土凝固后形成一幅抗渗混凝土连续墙。

2.4 槽段连接

如图6 所示，不同槽段之间的连接采用接头箱工艺进行，当一续槽段防渗膜铺设完成之后，在其端头下入接头箱，待混凝土充填浇筑达到初凝时间后，顶拔、活动一下接头箱但不要拔出，等到二续连接槽段开挖完成、准备铺设防渗膜之前，拔出接头箱，将二续防渗膜沿着接头箱的位置下放，二续槽段混凝土充填后完成连接，如此往复完成全部槽段的连接。接头箱的作用一方面在于为防渗膜提供连接空间，另一方面用来挡住混凝土浇筑浆液，保证帷幕施工有序进行。

图6 槽段浇筑连接方法Fig.6 Pouring connection method of the groove section

槽段连接完成后，形成的抗渗混凝土连续墙与防渗膜帷幕体共同构成具有双重防渗功能的截水帷幕(断面结构如图7 所示)，同时，防渗膜作为一种柔性材料，提高了截水帷幕整体的抗变形性能，进一步提升截水效果。

图7 双重防渗帷幕断面结构Fig.7 Structure of the double anti-seepage curtain

3 试验段截水帷幕效果检验

3.1 帷幕墙体取心验证

钻孔取心是直接在帷幕墙体上钻取一定深度的混凝土样进行状态和强度检验的检测方法[25]。该检测方法的主要目的有2 方面：一是检测帷幕墙体混凝土质量和抗渗等级是否符合设计要求；二是检验墙体底部沉渣和墙体深度等是否符合设计或规范要求。混凝土浇筑28 d 后，在帷幕墙内进行钻孔取心验证，如图8所示，所取岩心连续、密实、完整，岩石质量指标(RQD)均达到90%以上。

图8 帷幕墙岩心样Fig.8 Core samples from the water cutoff curtain wall

3.2 流场水位变化

在试验段帷幕墙体两侧布设水文地质观测孔，主要通过连续观测各钻孔水位，对比分析帷幕墙内外两侧水位差和各钻孔水位变化趋势，依此判断帷幕墙对地下水渗流的拦截作用。各观测孔位置如图9 所示，其中N1、N2 为帷幕墙内观测孔，W1、W2 和W3 为墙外观测孔。

图9 帷幕试验段水文观测孔平面位置Fig.9 Position of hydrological observation boreholes at curtain test section

各观测孔水位变化如图10 所示，可以发现：

(1) 在墙体建设初期，由于存在自然水力梯度，墙外和墙内存在水位差，且墙外水位高于墙内，随着帷幕墙的建设推进，墙外观测孔水位逐渐上升，墙内水位逐渐降低。

(2) 帷幕墙外W1 观测孔水位呈现先升高后降低的趋势(图10a)，这可能是因为W1 孔位于帷幕墙的西侧边缘，墙体建设初期阻隔了原来的渗水通道，造成地下水位上升，之后地下水可能沿着帷幕墙西侧未施工段发生绕流，形成新的渗水通道，水位又逐渐降低，这表明帷幕墙对元宝山露天矿地下水渗流补给通道的有效拦截。

图10 帷幕墙两侧观测孔水位变化趋势Fig.10 Water level changing trends of observation boreholes on both sides of curtain wall

(3) 图10b 显示，墙内N1、N2 观测孔水位逐渐降低，降幅分别为1.25、5.79 m；墙外W2 和W3 观测孔水位逐渐上升，分别升高7.64、9.29 m，随着时间延长，帷幕墙内外两侧水位差逐渐增大，截至2021 年11 月下旬，最大水位差已达15.17 m。表明在截水帷幕作用下，矿坑周边地下水位逐渐恢复，截水效果逐步显现。

3.3 流量变化

堰测法是观测矿坑内疏排水量和涌水量的一种常用方法，通常分为三角堰、梯形堰和矩形堰[26]，该方法的实质是使排水沟内的水流通过一固定形状的堰口，量测过堰水深即可算出流量，堰口处水深也是对帷幕截水效果的直观反映。在试验段帷幕墙下方(428 平盘)集水坑水源补给盲沟内布设标准三角堰，具体位置如图9 所示，通过连续监测堰口处流量变化来判断帷幕墙的截渗减排效果。具体公式如下：

式中：Q为堰口处流量；h为过堰水深；C为随h而变化的系数，一般取0.014。

监测结果如图11 所示，堰口处流量呈逐渐减小的趋势，随着帷幕线的延长，补给流量初始为89.5 m3/h，至施工末期时已达到零补给，实现了水量从有到无的变化。表明在帷幕墙的截水作用下，地下水渗流通道被阻断，矿坑内的疏排水量逐渐减小，基本达到了对帷幕墙下方集水坑西侧补给水源的完全阻隔。

图11 盲沟流量变化Fig.11 Flow changes of drainage ditch

4 结 论

a.在绿色开采、生态环保等理念驱动下，根据内蒙古元宝山露天煤矿复杂水文地质与工程地质条件，结合矿坑生产情况和周边供水关系，提出一种半封闭帷幕与群井疏干水力帷幕相结合的截水帷幕方案。

b.采用防渗膜垂向隐蔽叠覆铺设和抗渗混凝土充填双重防渗工艺在元宝山露天煤矿开展截水帷幕试验研究，获得单幅槽段开挖长度、护壁泥浆和防渗膜叠覆宽度等主要技术参数，提出防渗膜水下磁吸式连接技术。通过取心验证、地下水流场分析和流量变化监测，证实元宝山露天煤矿帷幕试验工程截水效果显著。

c.截水帷幕试验工程的成功实施，为元宝山露天矿后续帷幕工程的开展提供了关键技术参数，有望实现矿山降成本、减损耗、保生态的生产理念。