我国大水矿山侧向帷幕截水技术及水资源保护效果研究

2023-08-29董书宁孙亚军

煤炭科学技术 2023年7期

王海，董书宁，孙亚军，王皓

（1.中煤科工西安研究院（集团）有限公司, 陕西西安 710077；2.中国矿业大学资源与地球科学学院, 江苏徐州 221116）

0 引言

大水矿山是指水文地质条件复杂，每天矿坑疏排水量数万立方米以上的矿山，我国广泛分布这类矿山[1]。大水矿床充水来源均较为多样化，大多是几种水源共同补给地下釆坑，主要包括地表水系、大气降水、孔隙水、裂隙水、岩溶水。也有部分矿床在非雨季以岩溶水为最主要充水来源，在雨季则以大气降水、地表水等为主要充水来源。总体来说，可以将大水矿床分为以孔隙水为主要充水来源的矿床和以岩溶水为主要充水来源的矿床[2]。由于此类矿山的含水层厚、涌水量较大，通常难以疏干，同时排水量大、排水费用高、还引起地面塌陷，给矿山的安全开采带来极大的威胁[1]。

我国矿山资源的开采强度和开采规模高于国外发达国家，产生的矿井水量较大，我国煤矿平均富水系数约为1.87，2018 年我国煤炭产量36.8 亿t，矿井水产生量约为68.8 亿m3，煤矿矿井水平均利用率约为 35%，矿井水的外排、渗漏造成严重的水资源浪费[3]。

国外安格连斯克煤矿、斯托林铁矿、罗希亚煤矿等在砂层、煤层和卵石层中构筑矿山截水帷幕，取得了良好的效果[4]。我国矿山防治水工作者在多年从事矿井注浆堵水工作所积累的丰富经验基础上，借鉴水电部门坝基灌浆防渗技术，提出利用钻孔注浆建造帷幕，堵截矿区地下水流的方法[5]。自20 世纪60 年代以来，侧向帷幕截水技术先后在煤炭、冶金、有色金属、化工等系统的大水矿山相继应用，取得可喜的成功，效益显著[5]。目前，大水矿山防治水技术主要包括以下3 个部分：地表疏干、地下疏干、控制疏干，地面帷幕注浆，井下帷幕注浆[2]。疏干排水会引发地下水位下降、水资源枯竭、岩溶塌陷和地面沉降、地表水污染、地下水环境恶化、海水倒灌等问题。通过探明矿山水文地质工程地质条件，厘清矿坑水的补给源和补给通道，根据矿山水文地质工程地质条件，确定适宜的侧向截水帷幕路线、顶底位置，确保帷幕底部进入稳定隔水层、顶部高于历史水位，构筑连续的帷幕墙体拦截矿山外围含水层侧向补给，从根本上解决矿山面临的水资源和生态保护难题，变被动治理为主动保水[6]。

《煤矿防治水细则》规定“煤矿防治水工作应当坚持预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采的原则，根据不同水文地质条件，采取探、防、堵、疏、排、截、监等综合防治措施”[7]。其中“防、堵、截”的治理措施可从源头上减少矿山涌水量、避免水害事故的发生。同时，《煤矿防治水细则》明确提出“推进防治水工作由过程治理向源头预防、局部治理向区域治理、井下治理向井上下结合治理、措施防范向工程治理、治水为主向治保结合的转变”[7]。近年来，我国在煤炭、有色金属、冶金、化工等行业大水矿山施工了80 多个截水帷幕工程，减少了矿坑疏排水量、保障了矿山安全开采、保护了生态环境，取得了良好的应用效果。将我国大水矿山现状、侧向帷幕截水技术及其应用效果进行分析，为矿山企业水资源和生态环境保护提供参考。

1 我国大水矿山现状

我国矿产资源开采方式主要有露天开采和地下开采2 种。矿山露天开采首先将表层岩土剥离，然后进行煤炭和矿石的开采，具有资源采出率高、劳动效率高、机械化程度高、安全条件好、生产成本低的优点。地下开采通过开凿竖井或斜井到达煤层或矿层之后，再开凿出煤巷或岩巷以及采煤或采矿工作面，然后开采煤炭或矿石，运出地面。无论是露天开采还是地下开采均会改变原有的地层条件和地下水环境，我国矿山大多受地下水影响，矿井疏排水量巨大，单个矿井日排水量可达数十万立方米。

我国部分大水矿山涌水量见表1，每天矿井涌水量数万立方米到数十万立方米。大水煤矿主要补给源是相邻矿井、灰岩裂隙水、溶隙水、地表水、砂岩风化裂隙水、岩溶水、老空水和第四松散层水。而有色金属、冶金矿山主要补给源是第四系松散层水、灰岩溶隙裂隙水和岩溶水。

表1 我国部分大水矿山涌水量统计[5-40]Table 1 Water inflow statistics of some of the water abundant mines in China[5-40]

如表1 所示，矿山疏排水量巨大，矿山防排水问题解决不好不仅增加矿山排水费用、降低矿山经济效益，还可能引发事故、灾害，造成生命、财产损失，影响生态环境，致使泉水断流、水井干涸、地面塌陷。

2 大水矿山侧向帷幕截水技术

为破解矿山疏干排水引起的水资源和生态环境问题，针对我国矿山水文地质条件和现场实际需求，在水利水电帷幕灌浆、混凝土防渗墙、黏土截水槽和高压喷射灌浆等[41]垂向防渗方式的基础上发展了多种大水矿山侧向帷幕截水技术。

2.1 我国现有大水矿山帷幕截水技术

自20 世纪60 年代以来，我国相继在煤矿、冶金矿山、有色矿山等实施了80 余项截水帷幕工程，矿山涌水的补给源包括相邻被淹矿井、地表河流、第四系松散层、岩溶裂隙、烧变岩、断层破碎带等，帷幕技术包括地面直钻孔注浆、井下直钻孔注浆、地面水平定向钻孔注浆、井下水平钻孔注浆、旋喷注浆、混凝土地连墙、咬合桩、超高压角域射流注浆、防渗膜帷幕等。侧向帷幕构筑机械有地面钻机、地面定向钻机、井下钻机、旋喷钻机、MJS、双轮铣、液压抓斗成槽机等。侧向帷幕构筑材料有水泥浆液、水泥粉煤灰浆液、水泥黏土浆液、黏土浆液、水泥水玻璃浆液、水泥粉煤灰水玻璃浆、水泥尾砂浆、水泥尾砂黏土浆、混凝土、水泥尾矿砂浆、HDPE 膜（表2）。

表2 我国矿山帷幕截水技术及工程统计[5-39,42-77]Table 2 Statistics of curtain interception technologies and engineering of mines in China[5-39,42-77]

1964—1965 年，青山泉煤矿为切断2 号井与3号井之间含水灰岩的水力联系，解除生产矿井受相邻被淹井的威胁，保证3 号井的安全生产。在灰岩中进行帷幕注浆，成功建成我国第一个矿区帷幕，封堵了流向矿井的地下水[5]。青山泉煤矿灰岩岩溶率20%～30%，地下水流速30～538 m/h，矿坑最大涌水量1 320 m3/h，采用地面直钻孔注浆，钻孔间距3.5～10 m，帷幕墙长度565 m，深度10～150 m，帷幕墙厚10 m，采用水泥黏土浆、水玻璃注浆材料。帷幕截水率13.6%，帷幕内外水位差27 m，水量减少228.3 m3/h，消减了洪峰，解除了淹井威胁。

1970—1986 年，水口山铅锌矿灰岩溶隙的渗透系数35.32 m/d，地下水流速44 m/h，涌水量71 520 m3/d，为减少矿坑涌水量，防止疏干引起的地表塌陷，采用“地面直钻孔+定向钻孔”注浆，孔间距10 m，灌注水泥、尾砂，是我国在厚层灰岩中建造的第一个注浆截水帷幕。水口山铅锌矿厚层灰岩悬挂式注浆帷幕长560 m，深度200～652 m，平均深450 m，墙厚10 m，截水率55.00%，水量减少到32 184 m3/d，堵截洪峰，保障了矿山安全。

1978—1983 年，滏岭庄煤矿为截断深部大青灰岩含水层侧向补给，减少矿井涌水量，采用地面直钻孔注浆帷幕，钻孔间距7～10 m，水泥粉煤灰浆液。我国矿山系统第一个在深部薄层灰岩中建造注浆帷幕截流工程，帷幕长度630 m，深度273 m，内外水位差20 m，节省排水费60 万元/a。

目前，矿山截水帷幕从垂向上是否进入隔水层分为①落底式帷幕：帷幕底端穿透含水层并进入下部隔水层一定深度的截水帷幕，如扎尼河露天矿帷幕、硫磺沟煤矿帷幕、张家峁煤矿帷幕、朱仙庄煤矿帷幕、黑旺铁矿（露天）帷幕、后江桥铁锰矿帷幕等；②悬挂式帷幕：帷幕底端置于含水层中的截水帷幕，如水口铅锌矿帷幕、铜录山铜矿（露井联合）帷幕、大红山矿帷幕等。

而矿山截水帷幕从平面上是否闭合分为①全封闭式帷幕：将工作面、采区或矿区圈闭在帷幕范围内，在平面上形成连续的闭合圈层。如中关铁矿帷幕、谷家台铁矿帷幕、刘楼铁矿帷幕；②半封闭式帷幕：未将工作面、采区或矿区完全圈闭在帷幕范围内，在平面上未形成连续的闭合圈层。如青山泉煤矿帷幕、扎尼河露天矿帷幕、硫磺沟煤矿帷幕、张家峁煤矿帷幕、朱仙庄煤矿帷幕等。

矿山截水帷幕按施工场地空间位置又分为①地面注浆帷幕：造浆、压浆和注浆孔钻进均在地面进行，便于用大型钻机和大型设备，效率高，质量好，但相对钻孔有效进尺较低，特别是在含水层较薄时；②井下注浆帷幕：造浆、压浆和注浆孔钻进均在井下巷道硐室中进行，适用于含水层埋藏深度大，有可利用的井下巷道或具备开拓注浆巷道的条件。需增加井巷开拓投资，钻进、注浆不能用大型设备；③地面−井下联合注浆帷幕：造浆、压浆在地面通过输浆孔向井下钻进的注浆孔注浆，可利用大型设备，效率高，节约工作量，钻孔针对性强[61]。

2.2 大水矿山帷幕截水技术对比

落底式矿山截水帷幕深入含水层底板的隔水层不小于5 m，适用于含水层厚度不大，透水性相对均一的情况；该类型帷幕对含水层顶底板间全面封闭，解决了深部绕流，一般堵水率较高，但帷幕工程量较大。悬挂式矿山截水帷幕置于强含水层中或仅穿透强含水带进入弱透水带，适用于含水层厚度大，截水率要求不高的情况；该类型帷幕工程量较小，在设计堵水率的范围内，可缩短工期，降低造价，但存在一定的深部绕流问题。

目前截水帷幕构筑工艺主要有钻孔注浆、旋喷、地连墙、咬合桩、防渗膜等（表3）。钻孔注浆帷幕包括地面直钻孔注浆、地面定向水平孔注浆、井下水平孔注浆、井上下联合钻孔注浆等；通过施工钻孔，在钻孔中分段注浆，浆液通过钻孔进入地层，在地层中扩散、凝结形成连续的帷幕墙体；适应岩溶、溶隙、裂隙地层；具有施工方便、工艺流程简单、截水率较高的优势，同时钻孔注浆浆液扩散范围大、注浆量不可控，在松散层扩散范围小、不易形成连续帷幕墙体。

表3 截水帷幕技术对比Table 3 Comparison of interception curtain technology

旋喷帷幕包括单管旋喷、双重管旋喷、三重管旋喷、多重管旋喷，利用钻机将旋喷注浆管及喷头钻置于帷幕底设计高程，将预先配制好的浆液通过高压发生装置使液流获得巨大能量后，从注浆管边的喷嘴中高速喷射出来，形成一股能量高度集中的液流，直接破坏土体，喷射过程中，钻杆边旋转边提升，使浆液与土体充分搅拌混合，在土中形成一定直径的柱状固结体，从而使土体得到加固、阻水。适宜淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、沙土、人工填土和碎石土地层；具有效果好、原位处置、截水率高的优势，同时造价高、施工速度慢、效率低、废浆污染环境。

地连墙是在地面上采用一种双轮铣、液压抓斗成槽机械，沿着帷幕轴线，在泥浆护壁条件下，开挖出一条狭长的深槽，清槽后，用导管法灌筑水下混凝土筑成一个单元槽段，如此逐段进行，在地下筑成一道连续的混凝土墙，作为截水、防渗、挡水结构。适宜松散层、岩层，可施工150 m 深度；具有工效高、工期短、质量可靠、经济效益高的优势，同时造价较高、施工深度受限。

桩排式帷幕是通过大直径钻机、旋挖钻机施工垂向钻孔至帷幕设计深度，在钻孔内灌注素混凝土或浆液，使相邻排桩间部分圆周相嵌，形成具有良好防渗作用的整体连续阻水结构。适应于松散层及风化基岩地层，具有截水效果较好、机械占地空间小、地面施工方便的优势，同时接头多、质量难控制、造价较高、工期较长。

防渗膜帷幕是近年研发并成功应用的截水帷幕形式，成槽方式与地连墙一致，在地面上采用一种双轮铣、液压抓斗挖槽机械，沿着帷幕轴线，在泥浆护壁条件下，开挖出一条狭长的深槽，清槽后，在槽段内垂向隐蔽铺设HDPE 防渗膜，如此逐段进行，在地下筑成一道连续的防渗膜帷幕墙，作为截水、防渗结构。适宜松散层、岩层，可施工150 m 深度；造价低、施工效率高、耐用、效果好，同时防渗膜横向连接困难、整体性较弱、施工深度受限。

矿山截水帷幕常用防渗材料见表4，天然黏土无化学污染物、环境影响小、成本低，但渗透系数大、防渗能力弱、取土破坏耕地。膨润土渗透系数小、防渗性好、适应不均匀沉降，但是施工条件苛刻、失水易干燥、遇水会膨胀。防渗膜延伸性好，适应变形能力强，化学稳定性好，防渗性能好，使用量少，易于运输；缺点是对铺设技术和条件要求较高，容易被刺破，没有自动愈合修复能力。抗渗混凝土具有来源广泛、施工简便，兼有防渗和承重2 种功能等优点，但防渗性能不及防渗膜好，而且混凝土属于不均匀的脆性材料，易产生沉降和裂缝[74]。水泥粉煤灰浆液材料来源广泛、施工简便、扩散性好、防渗性较好，由于粉煤灰火山灰活性反应慢、浆液凝结慢、抗冲刷弱、扩散范围不可控，材料用量大。水泥水玻璃双液浆凝胶快、抗冲刷性好、扩散范围小、防渗性较好，但耐久性弱、脆性大、成本高。

表4 防渗材料基本特点对比Table 4 Comparison of basic characteristics of impermeable materials

3 大水矿山侧向截水帷幕典型案例分析

在我国已施工的80 多个矿山截水帷幕工程中筛选中关铁矿、硫磺沟煤矿、朱仙庄煤矿和扎尼河露天矿4 个典型案例进行截水帷幕技术对比分析。

3.1 中关铁矿全封闭注浆帷幕

中关铁矿位于河北省沙河市，矿床位于邯邢铁矿田，是一个储量近亿吨、品位超过46%的优质矿山，属于埋藏较深的隐伏矿体，矿床顶板为奥陶系中统灰岩，裂隙岩溶发育，富水性强，典型的矽卡岩型复杂富水矿床[23,75]。同时该矿位于百泉泉域地下水强径流带，开采−230 m 中段时，矿坑涌水量可达15×104m3/d。为了解决矿山开采、安全运营以及采矿与地下水资源保护等方面的矛盾问题，需系统性解决地下水问题，开展了“矿体侧向大型注浆截水帷幕”矿山防治水与矿区地下水生态环境综合治理工程[23]。

在矿区南端矿量集中区实施环形单排全封闭注浆帷幕3 393 m，单排注浆孔，钻孔间距12 m，钻孔平均深510 m、最深830 m，帷幕厚10 m，帷幕主体工程注浆孔314 个，检查孔 38 个，特殊地段的加密孔41 个，平均孔深519.50 m，注浆段单孔平均长度381.04 m。钻探总进尺204 163.50 m，注浆段总长135 269.20 m。注浆压力为静水头压力的1.5～2.0倍，注浆方式采用下行式注浆。注浆材料以单一水泥浆为主，遇特殊地段适当加入掺合料如砂、黏性土、粉煤灰和水玻璃等[75]。中关铁矿是我国首个对矿山先进行治水，然后再建井的例子。

3.2 硫磺沟煤矿落底式基岩注浆帷幕

硫磺沟煤矿第四系松散含水层厚5～17 m，渗透系数大，与头屯河水力联系密切。第四系松散含水层在河床与4-5 煤、9-15 煤露头直接接触，存在一定的水力联系。受矿区周边老空区地面塌陷影响，老空区涌水量增大至14 756 m3/d。但矿区渗流通道、渗流路径及渗流边界不清，老空水的补给通道主要为头屯河河床塌陷形成的通道，头屯河水直接补给老空水。

如图1 所示，根据物探探测出的电阻异常区域采用钻探探查验证，K2 线探出3 处采空区、1 条巷道，K3 线揭露1 处采空区、2 条巷道。在K2、K3 线探测出采空区、巷道的位置分别加密1～2 排钻孔进一步探测，排间距2 m，钻孔梅花状布置，钻孔间距4 m。

图1 硫磺沟煤矿帷幕钻孔平面布置Fig.1 Layout of curtain drilling in Liuhuanggou Coal Mine

在揭露的采空区和废弃巷道浇筑C30 混凝土，通过钻孔灌注至采空区或废弃巷道，充填、加固河床下部采空区和废弃巷道，共灌注C30 商砼2 500 m3左右。采空区和巷道上部采用纯水泥浆注浆加固地层裂隙和细微空洞，揭露煤岩体的钻孔采用纯水泥浆封堵钻孔，避免形成垂向导水通道。通过灌注混凝土和纯水泥浆液，在矿区东侧形成1 道长约160 m、宽30 m 的地下截水帷幕墙体，隔断了矿区老空区与外侧头屯河河床之间的水力联系。

3.3 朱仙庄煤矿定向水平孔注浆帷幕

如图2 所示，朱仙庄煤矿井田北部 “五含”地层大面积压覆于 8 煤层、10 煤层等含煤地层、“太灰”及“奥灰”含水层之上，呈角度不整合接触关系。

图2 朱仙庄煤矿帷幕平面示意Fig.2 Curtain plan of Zhuxianzhuang Coal Mine

“五含”与“四含”、“太灰”和“奥灰”之间均存在明显水力联系，垂向和侧向补给条件良好，威胁矿井北部8 煤层安全开采[47]。通过在朱仙庄煤矿8 煤层分布区外侧约120 m 位置建造一条长约3 130m、有效宽度约40 m、高约60 m 的帷幕墙。采用地面直孔和水平孔2 种钻孔方式，地面直孔94 个，水平孔20 个，总钻探进尺约73 000 m。注浆材料以水泥为主，掺注粉煤灰，特殊情况下灌注黄沙等骨料[47]。朱仙庄煤矿截水帷幕是国内首次实施“大规模长距离”松散层、岩溶地层混合地下截水帷幕工程。

3.4 扎尼河露天煤矿防渗膜落底式截水帷幕

扎尼河露天煤矿砂卵石层粒径1～5 cm，次圆状，分选好，含少量细砂，渗透性好，渗透系数达80～180 m/d[76]。受矿坑疏排水影响，地下水径流方向变为向东北、北向疏降中心径流，疏降中心形成疏降漏斗。矿坑疏排水量主要由露天煤矿北侧海拉尔河河水通过第四系强渗透砂卵石层沿煤层隐伏露头动态补给组成，动态补给量约占疏排水总量的82%以上[77]。

矿坑疏排降水破坏周边草原生态环境、造成水资源浪费，为减少露天煤矿矿坑疏排水量、保护草原水资源和生态环境，采用截水帷幕替代传统的露天煤矿疏排降水方案[76-77]。如图3 所示，扎尼河截水帷幕分别应用了防渗膜帷幕、抗渗混凝土地连墙、超高压角域射流注浆、咬合桩帷幕，形成了“顶不越、底不漏、两端不绕、接头不渗”的5 815 m 地下截水帷幕墙，其中防渗膜帷幕长3 100 m。帷幕墙厚0.6～0.8 m，深度21～56 m，进入底部相对隔水层泥岩2 m。

图3 扎尼河露天矿截水帷幕平面示意Fig.3 Schematic plan of water cut-off curtain at Zani River open pit mine

如图4 所示，防渗膜帷幕采用液压抓斗、双轮铣等成槽机在帷幕线位置开挖出宽0.6～0.8 m、深21～56 m 的沟槽，每幅槽段长度根据地层条件分为8 、15 、22 m，开挖过程中采用泥浆保证槽壁稳定。由防渗膜铺膜机从槽口向槽底垂向隐蔽铺设HDPE 防渗膜，每幅防渗膜之间采用接头箱连接，形成连续的防渗膜帷幕。帷幕槽段内注入粉煤灰掺量80%的水泥粉煤灰混合浆液，浆液置换出槽段内泥浆重复利用，混合浆液与防渗膜形成复合防渗墙体，既提高了防渗墙的防渗性能，又实现了帷幕墙体可变形[6,76]。

图4 扎尼河露天矿防渗膜帷幕示意Fig.4 Schematic of impermeable membrane curtain for Zani River open pit mine

4 侧向截水帷幕水资源保护效果

中关铁矿截水帷幕构筑完成后，帷幕内外40 m水力坡度明显高于矿区天然水力坡度和帷幕内水力坡度，井筒施工少量排水及矿区水位季节性变化即可引起水力流场的明显变化，帷幕注浆工程有效隔断了地下岩溶裂隙水贯通，发挥了明显的阻水作用。矿坑疏排水量由150 300 m3/d 减少到30 000 m3/d，截水率在80%以上，取得了非常好的效果，保护了地下水资源与水文地质环境，改善了采矿作业条件，提高了井下作业的安全程度，降低排水费用[23,75]。

由图5 可知，2018 年8 月，硫磺沟煤矿老空区涌水量增大至9 022 m3/d，对矿井安全生产构成严重威胁。2019 年4 月，开始实施矿区与头屯河之间的K2、K3 线截水帷幕工程，施工过程中的老空区涌水量逐渐下降。2019 年6 月，截水帷幕施工完成，老空区涌水量降至251 m3/d，并维持稳定涌水量，较2018 年最大涌水量减少了97.2%。截水帷幕工程经历了2019年6—8 月头屯河径流的检验，效果良好，老空区涌水量未出现反弹现象。每年减少1 650 713 m3老空区涌水量，保护了地表水资源。

图5 硫磺沟截水帷幕实施前后老空区水量变化Fig.5 Changes of water quantity in goaf area before and after the implementation of water interception curtain

朱仙庄煤矿帷幕建成后帷幕内“五含”初始水位基本在−70 m，帷幕外“五含”初始水位为−11.7～−21.1 m，平均约−17 m，墙内外水位差50 m，帷幕截流作用明显。放水试验末期，帷幕内“五含”水位降至−230 m，累计降深160 m 左右，帷幕外“五含”水位平均降至−25 m，累计降深约11 m，帷幕内外水位差约为 200 m。“五含”水位疏降至−230 m 时，地下水由帷幕外向帷幕的残余渗水量约为50 m3/ h，当疏降至−350 m 时，地下水由帷幕外向帷幕内的残余水量约为 91 m3/h，截流率达到95.26%[47]。

如图6 所示，自扎尼河露天煤矿截水帷幕施工以来，矿坑疏排水量开始逐渐减少，至2020 年9 月，露天煤矿疏排水量已减少75.02%，动态补给量已减少89%，矿区水资源保护效果显著。截水帷幕外侧水位较之前明显抬升，帷幕位置水位由之前的埋深12 m 左右抬升至6.5 m，地下水水位逐渐恢复至原始水位，地下水位达到了植被正常生长的阈值地下水位埋深[6]。