元宝山露天煤矿疏排水现状与帷幕截水实施效果

王晨光，高 胜，牛光亮

(1.内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司 元宝山露天煤矿，内蒙古 赤峰 024050；2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710054)

露天采煤是我国煤炭资源开采的重要方式之一，为实现煤炭资源安全开采，露天煤矿需要对地下水进行预防和控制[1]。一直以来，我国露天煤矿地下水控制方式粗犷单一，主要通过抽水井或利用截水巷、集水坑等方式进行排水，这种方式不仅对地下水资源造成极大浪费，同时也破坏了矿坑周边生态环境[2-4]。近年来，国家对地下水资源的保护利用制度不断完善，矿井水“零”排放已成为行业趋势，因此，露天煤矿开采必须采取有效措施保护好地下水资源，降低疏排水量。

截水帷幕技术作为露天开采领域一种新兴的绿色开采、保水开采技术，主要通过建造地下帷幕状墙体来阻隔或减少地下水流入露天采场[5]。该项技术自2015年首次在扎尼河露天矿应用以来[6]，众多学者进行了大量研究，初步形成了完善的技术体系和方法，帷幕截水技术也成为了煤炭行业保水采煤的研究热点。董书宁等[7]根据工程实践，提出构筑连续的地下帷幕墙体可有效拦截潜水含水层侧向补给；张雁等[8]以连续墙截水帷幕工法为例，系统总结了质量控制措施和效果检验方法；李文嵩等[9]研发了一种防渗膜垂向铺设工艺，大幅提高了墙体的防渗性；赵春虎等[10]总结了帷幕侧向控水原理，并利用数值模拟分析了帷幕截水效果。

元宝山露天煤矿含煤地层全部被英金河冲积、洪积形成的强富水性第四系卵砾石层覆盖，矿坑疏排水量常年居高不下(其中第四系水占95%)，建矿以来一直采用疏干排水的方式控制地下水，且疏排水量巨大[11，12]。为响应我国绿色发展理念，实现保水采煤，元宝山露天煤矿转变治水思路，转“疏”为“截”，提出采用截水帷幕技术取代传统疏排降水技术，并于2021—2022年在矿坑东南侧建造了一座平面长度约3600 m、宽0.8 m的截水帷幕，有效拦截了东南帮第四系涌水，保护了周边地下水资源，同时解决了元宝山露天煤矿生态环保和经济安全等方面的难题。

1 露天煤矿概况

元宝山露天煤矿位于内蒙古赤峰市元宝山区，地处燕山山脉的延伸部分，以低山丘陵为主，属大陆季风型气候。矿区水文地质条件较为复杂，地表水系有英金河和老哈河两条季节性河流，英金河从矿区中部穿过，整个露天区内含煤地层全部被英金河冲积、洪积形成的富水性极强的第四系含水层覆盖；老哈河位于矿区东南侧，距离约3500 m。经过多年的疏干排水，矿区周边地下水位大幅下降，形成了以矿坑为中心的地下水降落漏斗，出现了老哈河河水向矿坑“倒灌”的现象。区域水文地质如图1所示。

图1 元宝山露天煤矿区域水文地质

矿区含水层主要为第四系孔隙潜水含水层和基岩承压含水层。第四系潜水含水层主要由卵砾石、砂砾和细砂组成，厚度约38～75 m，平均厚度70 m，该含水层单位涌水量q为24～143 L/(s·m)，渗透系数K约为123～710 m/d，透水性强。基岩含水层主要是白垩系孔隙裂隙承压水，由砂岩、砂砾岩、粉砂岩及煤层组成，富水性很弱，单位涌水量q为0.088 L/(s·m)，渗透系数约0.083 m/d。

2 疏排水现状及问题

2.1 疏排水系统

元宝山露天煤矿自1990年建矿以来，经过30多年的探索研究和实际运行，形成了“以群井疏干为主，明排疏干为辅，基岩巷道疏干为补充，精准疏导残余水为保障”的联合疏干排水系统。

1)群井疏干系统的目的在于超前采掘，预先降低地下水位，为露天矿采剥生产创造有利条件。元宝山露天煤矿采用环型加线型的方式布设疏干井群，有效将第四系潜水控制在安全范围内[13]。

2)明排疏干系统主要包括集水坑和排水沟，集水坑相当于一个大口径的集中疏干井，并以排水沟作为扩大疏水影响范围的一种手段。其位置处于采掘场含水层底部，既可解决大气降水、坑内渗出的明水，同时又起到平行降水疏干作用。

3)基岩巷道疏干系统是在采场煤层揭露处沿煤层施工巷道下山，并在巷道内布设水平放水孔、巷道上方布设垂直放水孔的方式进行疏干放水，不仅解决了基岩水影响生产(陷车、陷镐等)的难题，也满足了安全生产及开拓延伸需要[11]。

4)残余水精准疏导主要是利用相互连通的导水管沟和导水盲沟将残余水引流至集水坑内集中疏排，解决其他疏排水方式或矿井生产残余水影响问题[14]。

2.2 疏排水量构成

截水帷幕实施前，元宝山露天煤矿处于平行疏干阶段，矿坑疏排水量已基本稳定，约维持在16.4万m3/d。疏排水量构成见表1。从疏排水方式来看，疏干井排水量约7.2万m3/d，眀排水量约9.2万m3/d；从汇水方向来看，东南侧边坡明排涌水与疏干井排水量合计达到9.2万m3/d，占整个矿坑疏排水总量的50%以上，西北侧水量相对较小，为7.2万m3/d；从充水水源来看，除基岩裂隙水占1.0万m3/d以外，其余均为第四系涌水，占疏排水总量的近95%，是矿坑的主要充水水源。因此，东南侧的第四系涌水是首要防治对象。

表1 元宝山露天煤矿疏排水量构成 万m3/d

2.3 疏排水问题

元宝山露天煤矿的联合疏干排水系统虽然保证了矿坑的正常生产，但生态环保和经济安全两大方面的问题仍十分突出。一方面，长期大量疏排地下水，造成矿区周边地下水位下降，形成了地下水超采区，企业面临的环保问题与地下水资源管理难度逐渐加大；另一方面，每年大量疏排水，造成疏排水费投入和水资源税缴纳数额巨大，增加了生产成本，而且矿坑东南帮将实现内排，第四系涌水制约内排土场的形成，不利于矿坑边坡稳定，对安全生产构成威胁[15，16]。此外，随着露天煤矿继续向北推采，将跨越英金河冲洪积富水条带，届时疏排水量将达到23.8 万m3/d，环保问题和疏排水费用将会进一步增加。因此，必须采取措施对第四系地下水进行治理。

3 帷幕截水技术研究

3.1 帷幕截水技术提出

帷幕截水施工技术至今已有50多年的历史[17]，时至今日，根据成墙方式、墙的用途、墙体材料、开挖情况等不同的分类标准，被划分为不同的类型，且广泛应用于水利水电、市政地铁等基坑防渗工程领域，该技术具有施工效率高、截水效果好、地层适应性强等优点[5，18，19]。

根据元宝山露天煤矿疏排水现状，分析其疏排水量构成，其中第四系水占比95%，是矿坑的主要充水水源，为此，采用截水帷幕技术可有效封堵和拦截第四系水。由于东南侧为第四系水主要来水方向，老哈河与英金河交汇河段地下水倒流为主要补给来源，在矿坑东南侧优先实施截水帷幕可以起到立竿见影的截渗减排效果。

3.2 实施过程

根据整体布局，分步实施的原则，元宝山露天煤矿首先实施位于矿坑东南侧的截水帷幕一期工程，重点解决东南侧涌水问题，防止老哈河河水倒灌，工程布置如图2所示。为验证帷幕工艺在元宝山露天煤矿的可行性，2021年在矿坑东南侧+452 m平盘开展工艺试验，建造了一座平面长度1369 m、厚度0.8 m、深度16～43 m、墙体底部嵌入隔水层3 m的落底式截水帷幕，截水效果显著。试验工程攻克了多项技术难题，突破了防渗膜磁吸式水下隐蔽连接关键技术，形成了适用于元宝山露天煤矿的截水帷幕成套关键技术体系，为后续工程的实施奠定了基础。在工艺试验基础上，2022年7月至11月完成了截水帷幕一期工程整体实施，累计平面长度近3600 m，墙体有效厚度0.8 m，墙体最大深度超过40 m，底部嵌入基岩隔水层3 m，保证了截水效果。

图2 截水帷幕一期工程布置

图3 截水帷幕剖面

3.3 工艺技术

元宝山露天煤矿采用的帷幕工艺是防渗膜垂向隐蔽铺设与抗渗混凝土浇筑充填的二元防渗工艺，将防渗、承重、抗变形等性能有效综合，防渗效果更优[20]，二元防渗结构剖面如图2所示。该技术的主要工艺流程为：槽段分幅开挖、防渗膜铺设、浇筑成墙和墙体连接等四大步骤。

3.3.1 槽段分幅开挖

由于施工工艺限制，帷幕墙由单幅槽段拼接而成，墙体接缝对帷幕整体防渗效果至关重要，增加单幅槽段长度可减少接头数量，增强防渗性能。槽段分幅一般分为首开幅(8 m)、闭合幅(7 m)和连接幅(6 m)三种类型。经工程地质条件分析及试验研究，本次帷幕施工过程中优化了分幅参数，将单幅槽段划分为首开幅15 m、连接幅14 m和闭合幅13 m，提高了施工效率，减少了接头数量，增强了帷幕墙整体连续性。

分幅完成后，采用成槽机或双轮铣进行开挖，开挖过程中利用泥浆进行护壁，防止塌孔，同时需利用设备导向装置控制槽段垂直度，达到设计深度后完成单幅槽段开挖。

3.3.2 防渗膜铺设

防渗膜作为截水帷幕二元防渗工艺的关键防渗材料，具有良好的防渗性和延展性，采用宽8 m，厚1.5 mm的HDPE土工膜。防渗膜铺设时需将膜卷至专用的铺膜机具上，其次，借助配重将防渗膜紧贴外侧槽壁垂直下放至槽段底部，固定后完成单幅防渗膜的铺设。

为使防渗膜形成一道有机连续的帷幕体，提高帷幕墙的整体抗渗性能，提出采用接头箱技术将膜与膜之间进行连接，连接宽度为1 m，即一续防渗膜铺设完成后，利用接头箱自身体积占据1 m的连接空间，待相邻槽段开完后，下放二续防渗膜，实现膜与膜之间的有效搭接。防渗膜连接如图4所示。

图4 防渗膜连接

3.3.3 注浆成墙

防渗膜铺设完成后进行槽孔注浆，采用注浆导管泥浆下、导管升的技术进行浇筑，注浆材料为P6级抗渗混凝土。根据槽段长度，配置两套(槽长6～8 m)或四套导管(13～15 m)，根据槽孔深度，借助打灰架将每套导管连接后下放至槽底，浇筑前用直径略大于导管管径的橡皮球塞堵管口，避免浇筑时混凝土与泥浆混合。浇筑过程中每套导管浇筑速率均匀，通过适时提升和拆卸导管，保证导管底端在混凝土面以下2～6 m，达到设计标高后形成单幅混凝土墙体。

3.3.4 墙体连接

相邻槽段间的墙体连接是整个帷幕墙形成的关键环节，墙体之间的接缝对帷幕整体抗渗性能有至关重要的影响。该工程墙体连接采用较为成熟的“接头管”连接方式，将光滑的方管放置在槽段两端，用来挡住浇筑材料并形成平整的墙面，接着施工相邻槽段，从而完成墙体的连接，有效提高防渗截水效果。该方法应控制好拔管时间，避免影响接头质量，一般在混凝土开始浇筑后的6 h后上下活动接头管，10～14 h后可缓慢拔出。

4 帷幕截水实施效果

4.1 实体开挖与取芯验证

实体开挖检验是截水帷幕墙体质量检测中最直观、最有效的一种方法，在帷幕墙施工完成后，通过对墙体内侧土体进行开挖，观察墙体浇筑质量是否存在缺陷。该方法在市政基坑中较为常用，工程挖方量较大。由于本项目存在跨越平盘施工帷幕墙的特殊性(从+452 m平盘上升至+480 m地表)，为实现墙体的有效连接，需开挖边坡露出部分墙体，同时可直观检验墙体质量，墙体开挖实景如图5(a)所示。可以发现，帷幕墙铅直、厚度均匀，混凝土浇筑连续、密实，未发现孔洞、夹层，防渗膜铺设完好、平展，防渗膜与混凝土墙密贴良好。

图5 墙体开挖实景与岩心样

钻孔取芯验证与实体开挖类似，主要通过观察墙体岩芯来判断混凝土浇筑质量，同时可检验底部沉渣厚度和墙体深度是否达到设计要求[5]，另一方面，在防渗膜垂向铺设与混凝土充填双重防渗工艺中，通过观察岩芯样之间是否夹膜来判断防渗膜铺设有无浮膜现象的发生。采用该方法时，要求混凝土浇筑28 d后进行，所取岩芯要按次序摆放整齐。元宝山露天煤矿帷幕墙岩芯取样如图5(b)所示，可以看出，岩芯密实、连续，无夹膜、孔洞等现象。

4.2 墙体声波透射

声波透射法是通过声波在非连续或非均匀介质中表现出波速、波长和频率等参数变化来反映帷幕墙桩与桩之间的连续性与完整性[21，22]。其原理是在墙体浇筑过程中成对埋设一定数量的声测管(间距1～1.5 m)，利用声波发射和接收装置探测墙体介质的声学参数，声波透射探测如图6所示。该方法是有效检测帷幕墙接缝是否存在夹泥、透水孔等质量缺陷的常用方法，要求在混凝土浇筑28 d后测试，测试时要保持发射探头和接收探头同步下放和提升。

图6 声波透射探测

元宝山帷幕实施过程中共检测声测管46对，其中声学参数无异常，无声速低于低线异常值的I类桩42对，个别测点声学异常，轻微缺陷的II类桩4对，表明帷幕墙连接紧密，整体性强。

4.3 水位变化

水位变化观测是一种分析和研究帷幕截水效果的动态观测方法，同时能反映帷幕墙对地下水流场变化的控制作用，定性判断截流防渗效果[8]。观测孔需沿帷幕墙两侧成对、均匀进行布置，并进入目标含水层，数据监测采用实时观测的方式，以准确反映帷幕墙截水效果和显现规律。

元宝山露天煤矿截水帷幕一期实施过程中共布设内外观测孔9对，采用遥测仪实时监测水位变化，典型的2对观测孔水位变化曲线如图7所示，可以发现，随着帷幕工程施工，帷幕墙内外两侧观测孔水位差逐渐增大，至施工结束，最大水位差已达26.17 m，其中，墙外水位上升17.85 m，墙内水位下降8.32 m，有效拦截了采场东南帮第四系涌水，帷幕截水效果显著。

图7 帷幕墙两侧观测孔水位变化曲线

4.4 疏排水量对比

疏干排水是露天煤矿生产过程普遍采用的一种控水方式，而截水帷幕是通过拦截地下水进入矿坑，达到截渗减排的目的。疏排水量的变化最能直接、有效地反映帷幕截水效果，是定量判断帷幕截水效果的关键指标。截水帷幕实施前后，可从日、月、年等不同时间尺度分析疏排水量变化规律。

项目实施过程中矿坑疏排水量呈逐年减小趋势，由2020年帷幕实施前的16.4万m3/d减少至实施后的9.5万m3/d，减少了6.9万m3/d，减少比例达42%，达到了截渗减排与地下水资源保护的双重目的，帷幕截水效果显著。

5 结 论

1)在绿色开采与保水开采理念驱动下，元宝山露天煤矿打破现有的联合疏干排水系统，转变治水思路，提出采用截水帷幕技术取代疏排降水技术，解决元宝山露天煤矿生态环保和经济安全面临的难题。

2)结合元宝山露天煤矿第四系涌水占疏排水量95%的现状，采用防渗膜与抗渗混凝土充填的帷幕截水技术治理第四系水，经帷幕施工工艺优化，槽段长度调整，防渗膜有效搭接，提高了截水帷幕整体防渗性能。通过帷幕墙实体开挖、钻孔取芯、超声波检测、水位变化和水量对比等检验方法，证实元宝山露天煤矿截水帷幕一期工程墙体质量良好，截水效果显著。

3)元宝山露天煤矿一期帷幕工程的实施，解决了矿坑东南侧第四系地下水入渗问题，减少了矿坑疏排水量，缓解了生态环保与经济安全两大难题。进一步验证了帷幕截水技术在露天煤矿截渗减排中的可行性，对于存在类似问题的露天煤矿及其他矿山，具有重要的示范和推广意义。