高 勝，李國志，郭英杰，田增林，邵東梅，朱宏軍

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024050)

煤炭是我國主要能源之一，據(jù)2018 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國正在生產(chǎn)的露天煤礦249 處，產(chǎn)能達(dá)6.36 億t/a，占全國煤礦總產(chǎn)能的18%[1]。由于露天煤礦多處于強(qiáng)富水的砂卵石層河道區(qū)域附近，地層滲透系數(shù)大，地表水和地下水的側(cè)向補(bǔ)給能力強(qiáng)，在剝采過程中通常采用疏排降水的方法保證礦坑內(nèi)的安全生產(chǎn)，長期大量疏排降水往往會(huì)造成礦區(qū)周邊地下水位下降、土地荒漠化、生物多樣性退減等生態(tài)環(huán)境問題[2-5]。截水帷幕技術(shù)作為一種截流防滲的有效措施，為露天煤礦解決周邊生態(tài)環(huán)境問題，降低疏排水成本，實(shí)現(xiàn)露天煤礦綠色可持續(xù)發(fā)展提供了重要保障[6]。

截水帷幕是用以阻隔或減少地下水通過基坑側(cè)壁與坑底流入基坑和控制基坑外地下水位下降的幕墻狀豎向截水體[7]。截水帷幕技術(shù)在露天礦山的應(yīng)用最早出現(xiàn)在國外[8]，由于國內(nèi)露天煤礦工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜、帷幕施工工藝不成熟、截滲減排機(jī)制研究不充分，很長一段時(shí)間該技術(shù)并未應(yīng)用到我國露天煤礦防治水領(lǐng)域[9]。近年來，國內(nèi)眾多學(xué)者對截水帷幕技術(shù)和施工工藝開展了深入研究與優(yōu)化[10-12]，曹海東等[13]通過對混凝土配合比與抗?jié)B機(jī)理的研究，研發(fā)出一種低強(qiáng)度(8～10 MPa)抗?jié)B(P6 級(jí))混凝土作為帷幕墻體澆筑材料；張雁等[14-15]提出帷幕截水是露天煤礦防治水工作新方法，利用數(shù)值模擬分析了滲透系數(shù)對截水效果的影響，提出截水帷幕滲透系數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)；王海等[16]利用圍井試驗(yàn)檢驗(yàn)了4 種不同工藝截水帷幕的截水效果。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司(簡稱西安研究院)于2015-2020 年將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到內(nèi)蒙古扎尼河露天煤礦[6]，開辟了我國露天煤礦帷幕截水的先河，也標(biāo)志著我國帷幕截水技術(shù)的日趨成熟，該技術(shù)的成功應(yīng)用將我國露天礦帷幕截水技術(shù)向前推進(jìn)了一大步，為“綠色礦山”“生態(tài)礦山”的打造奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

內(nèi)蒙古元寶山露天煤礦是國內(nèi)外罕見的強(qiáng)富水型露天煤礦，20 世紀(jì)90 年代，西安研究院嘗試在元寶山露天礦建造截水帷幕，但由于種種原因，項(xiàng)目最終并未實(shí)施[17]，隨著截水帷幕技術(shù)的進(jìn)步，元寶山露天煤礦已具備開展相關(guān)工作的條件。筆者根據(jù)元寶山露天煤礦工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合礦坑開采情況，設(shè)計(jì)截水帷幕以攔截周圍地表河水入滲礦坑，從根本上減少礦坑疏排水量，降低生產(chǎn)成本，保護(hù)周邊生態(tài)環(huán)境，并通過開展試驗(yàn)研究，提出適用于元寶山露天礦的截水帷幕工藝，獲得主要技術(shù)參數(shù)，同時(shí)，檢驗(yàn)帷幕截水效果，為后續(xù)工程實(shí)施提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

1 截水帷幕工程概況

元寶山露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市元寶山區(qū)，處于英金河和老哈河交匯附近，英金河通過露天采區(qū)中部，開采前已將河流改道，老哈河距礦區(qū)3 km。礦區(qū)地表高程為472～490 m，主采5 煤、6 煤和7 煤，最大開采深度為400 m。

自開采以來，礦區(qū)主要以疏排降水的方式控制第四系含水層水位，至2019 年，第四系含水層水位已接近含水層底板，進(jìn)入平行疏干階段，疏排水量較大，在長期疏排水的作用下形成了以礦區(qū)為中心的地下水位降落漏斗，下游老哈河對礦區(qū)已經(jīng)形成了河水倒灌的地下徑流方向(圖1)。隨著國家環(huán)保政策的逐步出臺(tái)，礦坑疏排水“零”排放已成為行業(yè)趨勢，為此，元寶山露天煤礦欲采用截水帷幕代替?zhèn)鹘y(tǒng)的疏排降水方式。

圖1 元寶山露天煤礦南北向剖面圖Fig.1 North-south section of Yuanbaoshan open-pit coal mine

1.1 可行性

露天煤礦建造截水帷幕應(yīng)具備一定條件[18]：一是地下水源與補(bǔ)給方式明確，且有穩(wěn)定動(dòng)態(tài)補(bǔ)給源；二是截滲目標(biāo)層底部發(fā)育有穩(wěn)定隔水層。此外，截滲目標(biāo)層埋藏淺及建造區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單，將有利于截水帷幕建造，保障截水帷幕墻體質(zhì)量。

通過對元寶山露天礦水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件分析，礦區(qū)含煤地層全部被英金河沖洪積形成的強(qiáng)富水第四系孔隙潛水含水層及第四系孔隙承壓含水層所覆蓋，其水源補(bǔ)給量占礦坑疏排水的95%，周邊英金河和老哈河滲流構(gòu)成礦坑疏排水主要的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給源。此外，第四系含水層主要由卵礫石、細(xì)粉砂和砂土組成，厚度15～85 m，是帷幕截水目標(biāo)層，底部發(fā)育的泥巖與細(xì)砂巖是穩(wěn)定隔水層，可作為帷幕墻隔水基底。因此，元寶山露天煤礦具備建造截水帷幕的基本條件。

1.2 方 案

元寶山露天煤礦疏排水量除了礦內(nèi)生產(chǎn)用水外，還兼顧周邊農(nóng)業(yè)灌溉、電廠用水，基本得到充分利用。截水帷幕方案布置應(yīng)以不影響周邊供水關(guān)系為前提。經(jīng)過元寶山露天煤礦水文地質(zhì)條件分析，在最大程度減少礦坑補(bǔ)給水量和兼顧周邊供水的基礎(chǔ)上，截水帷幕宜采用半封閉帷幕與群井疏干水力帷幕相結(jié)合的方式，平面形態(tài)為弧線形(圖2)，帷幕全長10.86 km，平均深度約55 m，北部群井疏降段長2.55 km。其中西南部為礦坑隔水邊界，東北部的玄武巖噴出區(qū)擬采用鉆孔注漿帷幕工藝，其他區(qū)域采用防滲膜垂向鋪設(shè)與抗?jié)B混凝土充填復(fù)合工藝。

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

截水帷幕的實(shí)施將改變地下水補(bǔ)給方向和補(bǔ)給水量，墻體建成后，地下水主要從北部帷幕缺口處入滲補(bǔ)給礦坑，在該區(qū)域施工疏降水孔，滿足對周邊供水的需求。

2 試驗(yàn)工程研究

元寶山露天煤礦第四系卵礫石層礫徑大、地層滲透系數(shù)大、富水性強(qiáng)，且局部存在大塊漂石，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，國內(nèi)尚無在該類地質(zhì)條件下建造截水帷幕的經(jīng)驗(yàn)。因此，在截水帷幕實(shí)施前，開展試驗(yàn)工程研究，其目的是提出適用于元寶山露天煤礦的截水帷幕工藝，獲得主要技術(shù)參數(shù)。試驗(yàn)工程利用礦坑+452 m 平盤作為施工場地，建造帷幕總長度1 369 m，墻體有效厚度0.8 m，深度由西(16 m)向北(43 m)逐漸加深，為防止帷幕底部發(fā)生滲漏，墻體底部嵌入穩(wěn)定隔水基巖3 m，平面位置如圖2 所示。試驗(yàn)工程采用防滲膜垂向隱蔽疊覆鋪設(shè)和抗?jié)B混凝土充填的雙重防滲工藝，在防滲膜連接方面提出了磁吸式水下連接技術(shù)，使膜與膜之間連接更加緊密，避免出現(xiàn)褶皺，防滲效果更優(yōu)。帷幕施工工藝與主要流程如圖3 所示。

圖3 帷幕施工工藝流程Fig.3 Water cutoff curtain construction process

2.1 槽段開挖

2.1.1 成槽施工

依據(jù)地勘資料和類似工程經(jīng)驗(yàn)[19]，元寶山露天煤礦截水帷幕試驗(yàn)工程挖槽時(shí)利用液壓抓斗和液壓雙輪銑相互配合的成槽方式，液壓抓斗適合抓取上部土層、細(xì)砂和卵礫石層，液壓雙輪銑可銑出底部較硬的風(fēng)化基巖層，同時(shí)又自帶泵舉反循環(huán)的清底工藝，可減少槽段底部沉渣，增強(qiáng)帷幕抗?jié)B效果。兩者結(jié)合既可提高施工效率又能保證成槽質(zhì)量，開挖完成后利用超聲波測壁儀檢驗(yàn)溝槽質(zhì)量和垂直度。

由于帷幕墻是由多個(gè)單幅槽段(一般為7 m)連接而成，單幅槽段長度直接關(guān)系到整體墻體的接頭數(shù)量，而槽段連接處往往易發(fā)生滲漏，影響帷幕整體截水效果。本項(xiàng)目施工過程中，分幅度長度7 m 為主，同時(shí)通過單幅槽段長度7、14、21 m 多次開挖試驗(yàn)，確定適用于元寶山露天煤礦的單幅槽段開挖長度為14 m，其優(yōu)點(diǎn)是：一方面減少了接頭數(shù)量，增強(qiáng)了整體防滲性，另一方面，在施工場地受限情況下提高了成槽施工效率。

2.1.2 泥漿護(hù)壁

在槽段施工開挖的同時(shí)，需要向槽孔內(nèi)注入泥漿，其主要作用是能在槽孔內(nèi)壁形成一層薄而致密，且具有一定韌性的泥皮，可有效防止槽孔內(nèi)壁坍塌，泥漿主要由鈉基膨潤土、水、添加劑等按一定比例在高速攪拌機(jī)下配制而成。泥漿的密度、黏度和含砂率應(yīng)分別控制在1.05～1.25 g/cm3、32～60 s(馬氏漏斗黏度計(jì))和4%以內(nèi)，既能保證槽壁的穩(wěn)定性，也具有攜渣和冷卻機(jī)具的輔助作用。

2.2 防滲膜鋪設(shè)與連接

2.2.1 鋪 設(shè)

防滲膜是截水帷幕防滲的關(guān)鍵材料，采用滲透系數(shù)為1×10-11cm/s 的高密度聚乙烯膜(HDPE)[20]，膜寬8 m，厚1.5 mm，是一種具有耐熱、耐寒、抗酸、抗堿的柔性防水材料，廣泛應(yīng)用于水利和環(huán)保防滲工程[21-22]。

本項(xiàng)目防滲膜鋪設(shè)主要根據(jù)扎尼河露天煤礦截水帷幕鋪膜經(jīng)驗(yàn)，利用自主研發(fā)的鋪膜機(jī)具將防滲膜卷起后進(jìn)行垂向鋪設(shè)[23]。卷膜過程中要求膜兩側(cè)順直無偏斜，保證防滲膜在槽段內(nèi)垂直下放，不發(fā)生偏斜，卷膜長度根據(jù)每幅槽段深度制定，并在頂部留0.5 m 用于固定。鋪膜時(shí)需借助配重將防滲膜沿外側(cè)槽壁(滲流補(bǔ)給方向)垂向鋪設(shè)，可保證防滲膜下放過程中緊貼槽壁，拉展無褶皺，并提高鋪設(shè)速率。

2.2.2 連 接

為保證截水帷幕的整體性，采用傳統(tǒng)的接頭箱技術(shù)實(shí)現(xiàn)防滲膜之間的連接[7]，該技術(shù)具有施工效率高、連接效果好的優(yōu)點(diǎn)。主要是利用接頭箱自身體積為防滲膜連接提供空間，通過漿液充填使膜與膜之間相互緊貼，重疊寬度為1 m(圖4)。這種防滲膜之間的疊覆連接使截水帷幕形成了一個(gè)連續(xù)的整體，有效增強(qiáng)防滲截水效果。

圖4 防滲膜連接技術(shù)Fig.4 Geomembranes connecting technology

2.2.3 磁吸式連接

在現(xiàn)有技術(shù)中，防滲膜垂向鋪設(shè)連接工藝通常采用連接鎖、接頭箱等技術(shù)[24]，當(dāng)槽段深度過長時(shí)，防滲膜連接處易出現(xiàn)褶皺，導(dǎo)致整體抗?jié)B性減弱。元寶山露天煤礦截水帷幕實(shí)施期間，提出了防滲膜水下磁吸式連接技術(shù)，改變了傳統(tǒng)技術(shù)下自然貼合的連接方式，其原理是利用陰陽磁吸的方式實(shí)現(xiàn)防滲膜疊覆處的自粘連，具有連接緊密、抗褶皺和整體性強(qiáng)等特點(diǎn)。

磁吸式連接技術(shù)包括惰性磁吸和活性磁吸2 種方式，其中，活性磁吸是在防滲膜鋪設(shè)前，將兩幅防滲膜連接處添加帶有磁性的磁條(圖5a)，使防滲膜在鋪設(shè)完成后能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)貼合。惰性磁吸是在防滲膜連接處均勻地植入磁性粒子形成待激活的防滲膜接頭，鋪膜完成后，利用充磁機(jī)產(chǎn)生的瞬間脈沖強(qiáng)電流使充磁板線圈產(chǎn)生短暫的超強(qiáng)磁場(圖5b)，進(jìn)而激活接頭處磁性粒子，之后通過電極變換形成陰極和陽極磁性接頭，自吸后連為整體(圖5c)。2 種磁吸連接方式均使防滲膜之間緊密貼合，進(jìn)一步提升了防滲膜連接質(zhì)量和有機(jī)連續(xù)性，增強(qiáng)了帷幕防滲效果。

圖5 防滲膜磁吸式連接技術(shù)Fig.5 Magnetic suction overlapping connection of impervious membrane

2.3 抗?jié)B混凝土充填

防滲膜鋪設(shè)完成后進(jìn)行混凝土充填澆筑，選用抗?jié)B等級(jí)為P6 的混凝土，抗?jié)B混凝土澆筑主要有置換泥漿、承重和防滲3 方面作用。澆筑施工時(shí)，采用較為成熟的導(dǎo)管輸送方式，該方法施工效率高，可控性強(qiáng)，能有效保證澆筑質(zhì)量。主要是借助打灰架將導(dǎo)管連接放至槽孔底部，通過適時(shí)提升和拆卸導(dǎo)管來不斷升高混凝土澆筑面，同時(shí)，利用混凝土與泥漿的密度差將槽內(nèi)泥漿置換出來，待混凝土凝固后形成一幅抗?jié)B混凝土連續(xù)墻。

2.4 槽段連接

如圖6 所示，不同槽段之間的連接采用接頭箱工藝進(jìn)行，當(dāng)一續(xù)槽段防滲膜鋪設(shè)完成之后，在其端頭下入接頭箱，待混凝土充填澆筑達(dá)到初凝時(shí)間后，頂拔、活動(dòng)一下接頭箱但不要拔出，等到二續(xù)連接槽段開挖完成、準(zhǔn)備鋪設(shè)防滲膜之前，拔出接頭箱，將二續(xù)防滲膜沿著接頭箱的位置下放，二續(xù)槽段混凝土充填后完成連接，如此往復(fù)完成全部槽段的連接。接頭箱的作用一方面在于為防滲膜提供連接空間，另一方面用來擋住混凝土澆筑漿液，保證帷幕施工有序進(jìn)行。

圖6 槽段澆筑連接方法Fig.6 Pouring connection method of the groove section

槽段連接完成后，形成的抗?jié)B混凝土連續(xù)墻與防滲膜帷幕體共同構(gòu)成具有雙重防滲功能的截水帷幕(斷面結(jié)構(gòu)如圖7 所示)，同時(shí)，防滲膜作為一種柔性材料，提高了截水帷幕整體的抗變形性能，進(jìn)一步提升截水效果。

圖7 雙重防滲帷幕斷面結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of the double anti-seepage curtain

3 試驗(yàn)段截水帷幕效果檢驗(yàn)

3.1 帷幕墻體取心驗(yàn)證

鉆孔取心是直接在帷幕墻體上鉆取一定深度的混凝土樣進(jìn)行狀態(tài)和強(qiáng)度檢驗(yàn)的檢測方法[25]。該檢測方法的主要目的有2 方面：一是檢測帷幕墻體混凝土質(zhì)量和抗?jié)B等級(jí)是否符合設(shè)計(jì)要求；二是檢驗(yàn)墻體底部沉渣和墻體深度等是否符合設(shè)計(jì)或規(guī)范要求?；炷翝仓?8 d 后，在帷幕墻內(nèi)進(jìn)行鉆孔取心驗(yàn)證，如圖8所示，所取巖心連續(xù)、密實(shí)、完整，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)均達(dá)到90%以上。

圖8 帷幕墻巖心樣Fig.8 Core samples from the water cutoff curtain wall

3.2 流場水位變化

在試驗(yàn)段帷幕墻體兩側(cè)布設(shè)水文地質(zhì)觀測孔，主要通過連續(xù)觀測各鉆孔水位，對比分析帷幕墻內(nèi)外兩側(cè)水位差和各鉆孔水位變化趨勢，依此判斷帷幕墻對地下水滲流的攔截作用。各觀測孔位置如圖9 所示，其中N1、N2 為帷幕墻內(nèi)觀測孔，W1、W2 和W3 為墻外觀測孔。

圖9 帷幕試驗(yàn)段水文觀測孔平面位置Fig.9 Position of hydrological observation boreholes at curtain test section

各觀測孔水位變化如圖10 所示，可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 在墻體建設(shè)初期，由于存在自然水力梯度，墻外和墻內(nèi)存在水位差，且墻外水位高于墻內(nèi)，隨著帷幕墻的建設(shè)推進(jìn)，墻外觀測孔水位逐漸上升，墻內(nèi)水位逐漸降低。

(2) 帷幕墻外W1 觀測孔水位呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(圖10a)，這可能是因?yàn)閃1 孔位于帷幕墻的西側(cè)邊緣，墻體建設(shè)初期阻隔了原來的滲水通道，造成地下水位上升，之后地下水可能沿著帷幕墻西側(cè)未施工段發(fā)生繞流，形成新的滲水通道，水位又逐漸降低，這表明帷幕墻對元寶山露天礦地下水滲流補(bǔ)給通道的有效攔截。

圖10 帷幕墻兩側(cè)觀測孔水位變化趨勢Fig.10 Water level changing trends of observation boreholes on both sides of curtain wall

(3) 圖10b 顯示，墻內(nèi)N1、N2 觀測孔水位逐漸降低，降幅分別為1.25、5.79 m；墻外W2 和W3 觀測孔水位逐漸上升，分別升高7.64、9.29 m，隨著時(shí)間延長，帷幕墻內(nèi)外兩側(cè)水位差逐漸增大，截至2021 年11 月下旬，最大水位差已達(dá)15.17 m。表明在截水帷幕作用下，礦坑周邊地下水位逐漸恢復(fù)，截水效果逐步顯現(xiàn)。

3.3 流量變化

堰測法是觀測礦坑內(nèi)疏排水量和涌水量的一種常用方法，通常分為三角堰、梯形堰和矩形堰[26]，該方法的實(shí)質(zhì)是使排水溝內(nèi)的水流通過一固定形狀的堰口，量測過堰水深即可算出流量，堰口處水深也是對帷幕截水效果的直觀反映。在試驗(yàn)段帷幕墻下方(428 平盤)集水坑水源補(bǔ)給盲溝內(nèi)布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)三角堰，具體位置如圖9 所示，通過連續(xù)監(jiān)測堰口處流量變化來判斷帷幕墻的截滲減排效果。具體公式如下：

式中：Q為堰口處流量；h為過堰水深；C為隨h而變化的系數(shù)，一般取0.014。

監(jiān)測結(jié)果如圖11 所示，堰口處流量呈逐漸減小的趨勢，隨著帷幕線的延長，補(bǔ)給流量初始為89.5 m3/h，至施工末期時(shí)已達(dá)到零補(bǔ)給，實(shí)現(xiàn)了水量從有到無的變化。表明在帷幕墻的截水作用下，地下水滲流通道被阻斷，礦坑內(nèi)的疏排水量逐漸減小，基本達(dá)到了對帷幕墻下方集水坑西側(cè)補(bǔ)給水源的完全阻隔。

圖11 盲溝流量變化Fig.11 Flow changes of drainage ditch

4 結(jié) 論

a.在綠色開采、生態(tài)環(huán)保等理念驅(qū)動(dòng)下，根據(jù)內(nèi)蒙古元寶山露天煤礦復(fù)雜水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件，結(jié)合礦坑生產(chǎn)情況和周邊供水關(guān)系，提出一種半封閉帷幕與群井疏干水力帷幕相結(jié)合的截水帷幕方案。

b.采用防滲膜垂向隱蔽疊覆鋪設(shè)和抗?jié)B混凝土充填雙重防滲工藝在元寶山露天煤礦開展截水帷幕試驗(yàn)研究，獲得單幅槽段開挖長度、護(hù)壁泥漿和防滲膜疊覆寬度等主要技術(shù)參數(shù)，提出防滲膜水下磁吸式連接技術(shù)。通過取心驗(yàn)證、地下水流場分析和流量變化監(jiān)測，證實(shí)元寶山露天煤礦帷幕試驗(yàn)工程截水效果顯著。

c.截水帷幕試驗(yàn)工程的成功實(shí)施，為元寶山露天礦后續(xù)帷幕工程的開展提供了關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，有望實(shí)現(xiàn)礦山降成本、減損耗、保生態(tài)的生產(chǎn)理念。