我國露天煤礦截水帷幕關鍵技術進展

黃選明，張 雁，王明星，滕慶山，李國志

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.內蒙古平莊煤業(集團)有限責任公司，內蒙古 赤峰 024050)

露天開采和地下開采是我國煤礦開采的2 種方式，與地下開采煤礦相似，露天煤礦在開采過程中同樣面臨地下水控制問題。長久以來，我國露天煤礦地下水控制方式粗獷單一，主要通過抽水井或利用截水巷、集水坑等方式進行排水，這種方式對水資源造成極大破壞，嚴重影響煤礦周邊的生態環境[1-3]。近年來，隨著我國社會經濟的全面發展，“綠水青山就是金山銀山”環保理念日益深入人心。我國露天煤礦生產也越來越注重生態環境保護，開始向科學采礦和綠色礦山轉型[4-7]。然而，由于露天礦水文地質條件復雜，加之生產規模不斷擴大，剝采深度不斷延伸，礦坑疏排水量依然很大，露天煤礦因疏排水量巨大造成生產成本增加、環保風險加大等問題。自2007 年我國十七大首次提出生態文明建設以來，十八大、十九大都對生態文明建設提出了更高要求。2015 年，《關于加快推進生態文明建設的意見》《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)等政策相繼出臺，許多地區要求實現礦坑水零排放，這對露天煤礦生產是一項全新挑戰。因此，如何優化、轉變露天煤礦地下水控制方式，減少礦坑疏排水量是露天煤礦防治水工作普遍面臨的嶄新課題[8]。

采用截水帷幕技術取代疏排降水技術，轉變露天煤礦防治水技術思路，由被動疏水變為主動截水，是解決因疏排水帶來諸多問題的根本措施[9]。2015-2019 年，內蒙古扎尼河露天煤礦采用截水帷幕技術攔截礦坑北側海拉爾河入滲補給并取得成功，開創了我國露天煤礦利用帷幕技術進行地下水控制的先河；2020-2021 年，內蒙古元寶山露天煤礦在礦坑東南側沿+452 m 平盤開展了攔截第四系松散層水入滲補給的截水帷幕試驗工程，效果顯著，是露天煤礦截水帷幕技術的首次推廣應用；可能還將在陜西榆林西灣露天煤礦、黑龍江朝陽露天煤礦等繼續推廣，表明我國露天煤礦截水帷幕技術的成熟與進步。筆者對我國露天煤礦截水帷幕技術進行了梳理與總結，介紹了在實踐過程中突破的關鍵技術，以期為露天煤礦地下水控制及安全綠色開采提供新思路、新技術與新工藝。

1 露天煤礦發展與疏排水問題

露天煤礦是我國煤炭行業的重要組成部分，我國露天煤礦發展已有百余年歷史，先后經歷了1950-1980 年的初步發展、1980-2000 年的快速發展和2000 年后的創新發展3 個階段[10-11]，露天開采取得了長足進步。截至2018 年底，我國露天煤礦有300 余座，主要分布在內蒙古、山西、新疆、云南等省和自治區(圖1)，其中內蒙古最多，數量有160 余座。

圖1 我國露天煤礦區域分布Fig.1 Distribution of open-pit coal mines in China

露天煤礦開采產量在煤炭總產量中的占比也逐漸增加，目前我國露天煤礦總產量占煤炭總產量的比例接近20%(表1)，低于世界主要產煤國家40%以上的水平，但露天煤礦總產量已居世界第二，成為露天采礦的大國和強國。

表1 2003—2020 年來我國露天煤礦產量與占比統計Table 1 Statistics of output and proportion of open-pit coal mines in China (2003-2020)

露天煤礦在生產過程中需要對地下涌水進行預防和控制，國內外目前普遍采用疏排降水的方式[12]，我國采用疏排水的具體方式有疏干井、泄水巷、截水溝等[13-16]。露天煤礦在疏排水過程中，普遍面臨疏排水量大、影響范圍廣等問題，我國部分露天煤礦日排水量可達十幾萬立方米。露天煤礦在疏排降水的同時，也在以下方面造成影響[17-18]：(1) 浪費地下水資源[19]。個別露天煤礦每年因疏排地下水造成的水資源浪費達上千萬立方米(圖2a)。(2) 破壞生態環境。疏排水引起周邊草原、濕地水位下降[20-22]，植被多樣性降低，農業和生活用水緊張(圖2b)，如元寶山露天煤礦疏降水影響范圍達數十平方千米，扎尼河露天煤礦周邊大于5 km 范圍地下水位不同程度下降，伊敏露天煤礦受開采影響地下水位降深最大約112 m，東明露天煤礦地下水位平均降深大于10 m。露天煤礦現有疏排水方式與國家生態文明建設、生態環境保護的理念相違背。(3) 影響安全生產。疏排水位難以達到設計要求造成生產接續緊張，同時影響邊坡穩定。(4) 加重經濟負擔。2006 年2 月21 日，國務院公布了《取水許可和水資源費征收管理條例》，明確規定了礦產、石油開采排水，需按1.0 元/m3的標準繳納水資源費；2017 年11 月24 日，財政部、稅務總局、水利部下發《關于印發＜擴大水資源稅改革試點實施辦法＞的通知》，疏干排水單位和個人取水后直接排放的需繳納水資源稅，收費標準為5.0 元/m3，巨額疏排水費用和水資源費(稅)，加重了露天礦的經濟負擔。

圖2 露天煤礦疏排水引發的環境問題Fig.2 Environmental problems caused by drainage in open-pit coal mines

面對因疏排水引發的一系列問題，需要轉變露天煤礦治水思路，改變地下水控制方式。因此，轉疏為截的截水帷幕技術成為解決這一問題的根本措施[23-24]。

2 截水帷幕技術在煤炭領域的應用

截水帷幕技術并非新生事物，早在20 世紀40 年代就已出現，且工藝與形式一直隨著科學技術的進步而發展[25]。

截水帷幕技術從20 世紀60 年代開始應用于國外露天礦山，東德、波蘭和蘇聯等國家率先研究了帷幕堵水工藝并在一些條件復雜的露天煤礦和金屬礦山進行應用，取得了顯著的帷幕截水效果[26]。如東德在勞爾茲、萊比錫及貝爾多夫等露天煤礦共修筑80 km長的帷幕；為防止尼斯河河水滲入楊斯瓦爾德露天煤礦，修筑了長1 250 m 的帷幕，使疏排水量減少40%；波蘭在20 世紀70 年代修筑了5 個截水帷幕，其中2 個用于露天煤礦；蘇聯有61%煤礦可采用截水帷幕進行堵水。隨著截水帷幕技術的推廣，越來越多的國家開始重視帷幕工藝在露天煤礦的應用。但此階段的截水帷幕工藝簡單，僅通過挖槽后在槽內灌注混凝土或黏土等不透水材料形成，帷幕深度不超過20 m。

帷幕工藝在我國煤礦領域的應用分地下開采煤礦與露天煤礦2 個方面。在地下開采煤礦領域，在借鑒水電部門壩基灌漿防滲技術的基礎上，提出了利用鉆孔注漿建造帷幕、堵截礦區地下水的帷幕注漿技術，開辟了礦山水害防治新途徑，打破多年來依靠單一疏排降水方法解決受地下水威脅煤炭資源開發的局面，并逐漸成為一種常用的防治水技術方法。由于漿液擴散半徑不均，注漿形成的帷幕難以直觀描述其形態，這種帷幕是用漿液和周圍不透水地層共同組成的隔水介質[27]。1960 年以來，我國先后在徐州青山泉煤礦、焦作演馬莊煤礦、棗莊郭東煤礦和一些金屬礦山開展了注漿帷幕實踐，效果良好。近年來，淮北朱仙莊煤礦[28-29]和陜北張家峁煤礦[30]開展的大型灰巖和燒變巖注漿帷幕工程標志著我國地下開采煤礦帷幕注漿技術的成熟。

露天煤礦開展的截水帷幕是利用各類挖槽機械，在泥漿護壁作用下挖出窄而深的溝槽，并在溝槽內澆筑合適的防滲材料而形成的一道具有防滲功能的地下連續墻體，雖屬于隱蔽結構，但其形態可以直觀描述，防滲材料僅存在于開挖槽段內，基本不會向外圍擴散。相對于鉆孔咬合樁、高壓旋噴樁等樁排式帷幕和鉆孔注漿帷幕，這種形式的帷幕具有施工效率高、形態可控、材料浪費少的優點，截水效果也是最優的。扎尼河露天煤礦首次應用露天煤礦截水帷幕技術，截水帷幕平面長度5 815 m，項目實施后，礦坑動態補給水量減少89%；20 世紀90 年代，煤炭科學研究總院西安分院嘗試在元寶山露天礦建造截水帷幕，攔截英金河與老哈河河水入滲礦坑，但由于技術和經濟原因，項目最終未能實施，隨著帷幕技術的進步，元寶山露天煤礦于2021 年開展了截水帷幕試驗工程并達到預期效果；西灣露天煤礦計劃在首采區燒變巖中建造截水帷幕，目前已完成工程設計。截水帷幕在煤礦領域的應用情況見表2。

表2 截水帷幕在煤礦領域的應用情況Table 2 Application of water cutoff curtain in coal mines

3 露天煤礦截水帷幕技術現狀

3.1 帷幕設計理念

露天煤礦建造截水帷幕受多種條件的制約[8,31]，設計過程需要運用水文地質、工程地質、流體力學、地下水動力學等多個學科的知識。帷幕的目的是防滲，攔截礦坑外圍動態補給量，因此，在設計前需掌握礦坑與周邊區域水文地質條件、工程地質特征、含(隔)水層性質與參數、地下水流場變化特征等情況。

圍繞帷幕截水目的，帷幕設計需要考慮以下內容：

(1) 截水帷幕自身滲透系數要足夠小。截水帷幕作為主要防滲隔水介質，材料抗滲性能決定了墻體防滲性能。根據筆者研究[32]，當截水帷幕自身滲透系數小于1×10-3m/d 時，即可滿足防滲要求，繼續減小滲透系數時，對防滲效果的提升并不大。在成槽過程中，槽段內充填的泥漿經水力滲透作用附著在槽孔壁上形成的內外過濾層具有較強的穩定、隔水作用。

(2) 截水帷幕接頭要做好防滲處理。根據目前常用的施工工藝，截水帷幕分幅施工，一幅一幅連接起來后形成連續截水帷幕，因此，幅與幅連接處的接頭位置成為容易滲水的薄弱環節，需要采用高效的連接方式保證接頭處不滲水。

(3) 截水帷幕底部要進入相對穩定隔水地層。按照截水帷幕底部是否進入隔水地層為標準，截水帷幕形式可劃分為懸掛式和落底式[27]，露天煤礦截水帷幕必須是落底式，即帷幕墻底部必須進入相對穩定隔水地層，確保不發生底部繞流。常見的隔水地層有泥巖、細砂巖、粉砂質泥巖等，當第四系礫石層等截滲目標層與隔水地層之間有破碎帶等不穩定巖層時，需要穿過不穩定巖層，確保最終進入穩定隔水地層1～3 m。

(4) 截水帷幕頂部要確保不發生越流。帷幕墻形成以后，受帷幕墻的隔水作用影響，帷幕墻外側(來水方向)地下水位上升，設計時要考慮水位上升后的穩定水位，避免地下水越過帷幕墻頂部入滲礦坑。例如，當外側地下水受河流補給時，要考慮河流的歷史最高洪水位，以此作為帷幕墻頂面高程設計依據。

(5) 截水帷幕兩端要確保不發生繞流。當其他因素不變時，帷幕截水效果隨著帷幕長度的增加而增加，當帷幕兩端未嵌入隔水地層時，兩端會發生繞流。繞流量的大小與周邊地層特征、含水層滲透性、水力梯度等參數相關，要合理設計端頭位置，避免繞流的發生。例如，扎尼河露天煤礦截水帷幕是弧線形，目的是攔截第四系礫石層水滲入礦坑，西端頭嵌入礫石層缺失區的相對隔水地層，杜絕了繞流發生的可能性，東端頭為第四系礫石含水層的歷史最高洪水位，即使水位上漲，也無法越過該水位線，避免了繞流的發生。

除此之外，還要考慮截水帷幕建成之后與煤層開采及邊坡穩定之間的關系，確保在帷幕運行期內不受采礦影響。

因此，截水帷幕設計理念可以概括為“頂不越、底不漏、兩端不繞、接頭不滲、經濟合理、安全有效”。

3.2 帷幕施工工藝

經過幾十年的發展，截水帷幕施工工藝已形成以地下連續墻式帷幕為主、樁排式帷幕為輔的趨勢。連續墻式帷幕的施工工法也在不斷完善，但實施過程基本都經過成槽、澆筑和連接三道主要工序，本節主要介紹成槽和連接工藝，截水帷幕詳細施工流程如圖3 所示。

圖3 截水帷幕施工流程Fig.3 Schematic diagram of the water cutoff curtain construction process

3.2.1 成槽工藝

成槽就是利用成槽機械，在地下挖出窄而深的溝槽，為后續帷幕墻的施工做準備。隨著基礎工程施工技術的不斷提高和科學水平的不斷進步，成槽設備也在優化發展，最早使用的是沖擊鉆進工法，后來發展了抓斗成槽工法、垂直回轉鉆進工法、水平多軸回轉鉆進工法等[27]，在選擇不同的工法和設備時，主要考慮地層特性、開挖深度、墻體厚度和強度、施工條件和機械設備的特性等因素，選擇施工效率高、成槽質量好的設備。目前最常用的工法是抓斗成槽工法和水平多軸回轉鉆進工法。

抓斗成槽工法中常用的設備是液壓抓斗，其工作原理是利用高壓膠管(耐壓大于30 MPa)把液壓傳送到幾十米深處的抓斗斗體，通過抓斗的開啟和關閉抓取土體，隨后提升至槽口后土體外運，如此往復直至開挖至設計深度。一般來說，液壓導板抓斗成槽厚度在0.6～1.2 m，斗體開啟后的寬度為2.8 m。液壓抓斗由于其操作方便、移動靈活、施工成本低等優勢而被廣泛使用。

水平多軸回轉鉆進工法常用的設備是液壓雙輪銑，其工作原理是用液壓驅使安裝在機架上的兩個鼓輪向相反方向轉動，鼓輪上的切刀將地層旋銑、切割、擠碎，松動后的土、砂、卵石等碎塊通過鼓輪上方的高壓泵抽吸至地面。與液壓抓斗不同的是，液壓雙輪銑不需要往復提升斗體，可一次切銑至設計深度后再提出銑輪。液壓雙輪銑的優勢是對地層適應性強，可切銑強度較大的地層，能直接切割混凝土，并且成槽質量優于液壓抓斗，但其服務后臺較多，移動不靈活，施工成本偏高。

通常情況下，液壓抓斗和液壓雙輪銑配合成槽，不同設備在不同地層條件下的成槽效率不同，應結合實際情況，選擇效率較高的成槽設備組合施工。

3.2.2 槽段連接工藝

帷幕墻是一幅一幅分段施工，其施工工藝決定了墻體之間存在接頭，接頭部位是整個墻體的薄弱環節，接頭處理質量關系著整個帷幕的截水質量。

接頭的連接方式有多種[27]，如鉆鑿式接頭、接頭管、接頭箱、軟接頭、隔板接頭、預制接頭等，實際工程中用得較多的是鉆鑿接頭、接頭管或接頭箱。

鉆鑿接頭是把已經澆筑完成的槽段墻體的端頭鑿去一部分以后形成后續槽段的端頭，形式以平接接頭為主，也叫套銑接頭，即用液壓雙輪銑把之前已完成槽段的端頭銑去10～20 cm，露出新鮮槽段界面，與后續槽段連接，也是連接質量最好的接頭形式。

接頭管是應用最多的一種接頭方式，它是把光滑的圓鋼管，放到槽段的兩端或一端，用來擋住澆筑材料并形成半圓形的弧形墻面，有時也叫鎖口管接頭。接頭箱與接頭管的原理一致，只是形狀不同，接頭箱一般以方形為主。

3.2.3 特殊條件下的施工工藝

當連續墻式帷幕施工遇到無法挪移的障礙物時，如高壓線、地埋管線等，需要采用其他施工工藝進行配合，如以往的樁排式帷幕、高壓旋噴注漿、鉆孔咬合樁等形式，需要注意的是不同工藝之間端頭的連接問題。露天煤礦截水帷幕的特點一般是平面長度較大，施工條件受限，完全滿足采用連續墻帷幕的條件有限，因此，采用多種帷幕工藝組合施工是完全可行的。

3.3 截水帷幕材料

帷幕技術首先在意大利發展起來，不管是用來承重還是防滲，初期使用的材料均是高強度的混凝土或鋼筋混凝土。后來，隨著施工技術和材料研究水平的不斷提高，帷幕技術和材料向2 個方向發展，一是承受各種垂直或水平載荷的剛性墻，材料以高強度混凝土為主；二是用來防滲的柔(塑)性防滲墻，材料以柔性抗滲材料為主，露天煤礦截水帷幕類型屬于后者，選擇此類柔性材料的另外一個原因，還在于能夠抵抗由于露天礦剝采引起的一定程度的邊坡滑動變形。目前來說，我國露天煤礦截水帷幕工程中用到的防滲材料有以下幾種。

3.3.1 混凝土

露天煤礦帷幕施工所用混凝土一般有2 種，一是抗滲混凝土[33]，二是塑性混凝土。抗滲混凝土一般要求抗滲等級大于等于P6，塑性混凝土是由水、水泥、膨潤土、粗骨料、細骨料及外加劑配制而成，水泥用量較少，具有較好防滲性能和較大極限變形，要求28 d抗壓強度達1.0～5.0 MPa，滲透系數為10-6～10-8cm/s。

3.3.2 HDPE 防滲膜

HDPE 防滲膜是近年來出現的新型柔性防滲材料，主要成分是高密度聚乙烯，材料厚度0.5～2.0 mm，防滲系數可達1.0×10-11cm/s，具有很強的抗拉強度和斷裂伸長率，適應地質不均勻沉降、變形的能力強。最初多用于邊坡斜鋪或平面鋪設，目前已成功應用于垂向隱蔽鋪設。防滲膜主要技術參數見表3。

表3 HDPE 防滲膜主要技術參數Table 3 Main technical parameters of the HDPE geomembrane

3.3.3 粉煤灰-水泥混合漿

粉煤灰水泥混合漿液[34]是利用粉煤灰和水泥2 種材料制作的混合漿液，其中粉煤灰的占比較大，根據不同的地材特性，一般要求水固比0.7∶1；其次根據不同的比重要求和防滲性能要求，水泥與粉煤灰的質量比在2∶8 和4∶6 之間。這種材料是一種很好的充填材料，既可以充分置換槽段內泥漿，又能夠充填槽段，且具有良好的防滲性能。在我國許多地區，粉煤灰是一種較難處理的工業廢棄物，該材料將粉煤灰變廢為寶，既產生了環保效益，又降低了成本。

4 露天煤礦截水帷幕關鍵技術進展

我國露天煤礦截水帷幕實施始于2015 年，中煤科工集團西安研究院有限公司研發團隊研究了截滲減排影響機制，在施工工藝、防滲材料、效果檢驗方法體系等方面進行了創新，突破多項關鍵技術，成果豐碩。

4.1 防滲膜大深度垂向隱蔽鋪設與連接技術

防滲膜多用于平面或斜面鋪設，垂向鋪設深度不超過20 m，在扎尼河露天煤礦實施的截水帷幕項目中，通過自主研制的防滲膜供膜、鋪設裝置和鋪設方法[35]，實現防滲膜垂向隱蔽鋪設深度突破56 m。其次，利用接頭箱技術，實現了同一槽段內和不同槽段間的防滲膜疊覆連接(圖4)，優點是施工效率高，效果好。接頭箱工藝有效解決了不同槽段間防滲膜搭接的難題，使單幅防滲膜帷幕墻連接成整體，鋪設效率高、易控制。

圖4 防滲膜的不同連接方式Fig.4 Different connection modes of the impervious membranes

在元寶山露天煤礦截水帷幕實施過程中，實現了防滲膜的磁吸式水下連接，主要是通過在防滲膜兩端添加磁條(圖5)，使防滲膜下放完成后實現自吸。磁吸式連接進一步提升了防滲膜連接的質量，防滲效果更優。

圖5 防滲膜磁吸式連接技術Fig.5 Magnetic suction complete connection of the impervious membrane

4.2 超長槽段連續開挖澆筑與減接頭技術

通常情況下，將帷幕墻施工槽段劃分為一期槽和二期槽，一期槽段長度7.0 m，二期槽段長度2.8 m(圖6)。槽段連接處是容易滲水的薄弱環節，增加槽段長度，可以減少接頭數量，提高施工效率，增強墻體防滲性能，但同時，槽段長度增加，成槽時間延長，坍塌風險增加，泥漿、充填材料供求壓力增加。在扎尼河露天煤礦開展的帷幕工程實施中，依據地層穩定性分析，通過優化護壁泥漿工藝參數和開展大量的槽段穩定性試驗，槽段穩定時間提升至50 h 以上，單幅槽段開挖長度突破常規的7 m，實現了單幅槽段22 m 的連續開挖，接頭數量減少了2/3，提升了帷幕墻的整體性。

圖6 槽段劃分Fig.6 Groove section division

4.3 粉煤灰-水泥混合漿液與HDPE 防滲膜復合帷幕技術

HDPE 防滲膜作為主要防滲材料，在疊覆連接或磁吸連接的基礎上，防滲性能完全滿足要求。粉煤灰-水泥混合漿液作為充填材料，一是實現了槽段充填，壓緊防滲膜；二是該材料本身具有一定的防滲性能，形成雙重防滲介質，防滲效果再次得到提升(圖7)；三是降低了材料成本；四是防滲膜作為一種柔性材料，也提高了帷幕整體抗變形性能。

圖7 復合帷幕材料Fig.7 Composite curtain materials

4.4 帷幕質量與截水效果綜合檢驗體系構建

露天煤礦截水帷幕建造周期較長，截水效果并非立即見效而是逐漸顯現，因此，除了在施工過程中對關鍵環節進行質量把控外，還需采用一定的方法進行截水效果檢驗。

在我國露天煤礦截水帷幕工程實踐中，逐漸形成了定性和定量2 種類型、帷幕實施過程中和結束后2個階段的多種檢測檢驗方法[36-37]，如聲波透射法、取心驗證法、抽水試驗法、流場分析法、水量對比法和綜合物探法等6 種方法，形成了檢驗帷幕墻澆筑質量、防滲性能和生態效益的“六位一體”綜合檢驗體系。

5 展 望

(1) 截水帷幕能否在露天煤礦應用取決于露天煤礦自身的水文地質條件和面臨的水文地質問題，針對不同的條件和問題做出準確合理的設計是截水帷幕技術在露天煤礦推廣應用的關鍵。

(2) 截水帷幕的截水效果是逐步顯現的，預測不同實施階段的截水效果是有必要的。對不同階段、不同區域截水效果精準預測需要借助水文地質學、水力學、流體力學、計算機模擬等多個學科知識，目前是截水帷幕研究與應用中的技術難題。

(3) 截水帷幕槽段之間的連接部位依然是施工中的薄弱環節，是容易引起滲水的部位，接頭連接工藝的優化、改進和補救措施是未來研究的重點。

(4) 露天煤礦截水帷幕應具有抗變形性能以適應邊坡的滑動變形，柔性防滲材料的研發以及防滲膜磁吸式連接的工程應用是今后研究的方向。

6 結論

a.截水帷幕技術是解決露天煤礦因疏排水產生的生態環境破壞、地下水資源浪費等問題的根本措施，可實現露天煤礦綠色安全高效開采。該技術在我國內蒙古扎尼河、元寶山等露天煤礦得到了積極應用和快速推廣。

b.地下連續墻截水帷幕是我國露天煤礦目前采用的主要帷幕形式，在設計理念、施工工藝、防滲材料、效果檢測體系等方面日趨完善，在實踐過程中，超長槽段開挖大幅減少接頭數量、防滲膜磁吸式連接使連續墻抗滲性能有了質的提升。

c.截水帷幕技術在我國露天煤礦的成功應用，豐富了露天煤礦防治水與水資源保護技術理論，促進了行業技術進步，為露天煤礦地下水控制及安全綠色開采提供了新思路、新技術、新工藝，對我國露天煤礦開發中的生態環境與水資源保護和水害預防與控制有重要的示范意義，對其他非煤礦山及水利水電、交通等更高防滲等級要求的工程具有重要借鑒意義。

d.準確合理的設計、截水效果的精準預測、接頭工藝的優化和柔性防滲材料的研發及工程應用是截水帷幕今后研究的重點和方向。