我国露天煤矿截水帷幕关键技术进展

黄选明，张 雁，王明星，滕庆山，李国志

(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)

露天开采和地下开采是我国煤矿开采的2 种方式，与地下开采煤矿相似，露天煤矿在开采过程中同样面临地下水控制问题。长久以来，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，这种方式对水资源造成极大破坏，严重影响煤矿周边的生态环境[1-3]。近年来，随着我国社会经济的全面发展，“绿水青山就是金山银山”环保理念日益深入人心。我国露天煤矿生产也越来越注重生态环境保护，开始向科学采矿和绿色矿山转型[4-7]。然而，由于露天矿水文地质条件复杂，加之生产规模不断扩大，剥采深度不断延伸，矿坑疏排水量依然很大，露天煤矿因疏排水量巨大造成生产成本增加、环保风险加大等问题。自2007 年我国十七大首次提出生态文明建设以来，十八大、十九大都对生态文明建设提出了更高要求。2015 年，《关于加快推进生态文明建设的意见》《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)等政策相继出台，许多地区要求实现矿坑水零排放，这对露天煤矿生产是一项全新挑战。因此，如何优化、转变露天煤矿地下水控制方式，减少矿坑疏排水量是露天煤矿防治水工作普遍面临的崭新课题[8]。

采用截水帷幕技术取代疏排降水技术，转变露天煤矿防治水技术思路，由被动疏水变为主动截水，是解决因疏排水带来诸多问题的根本措施[9]。2015-2019 年，内蒙古扎尼河露天煤矿采用截水帷幕技术拦截矿坑北侧海拉尔河入渗补给并取得成功，开创了我国露天煤矿利用帷幕技术进行地下水控制的先河；2020-2021 年，内蒙古元宝山露天煤矿在矿坑东南侧沿+452 m 平盘开展了拦截第四系松散层水入渗补给的截水帷幕试验工程，效果显著，是露天煤矿截水帷幕技术的首次推广应用；可能还将在陕西榆林西湾露天煤矿、黑龙江朝阳露天煤矿等继续推广，表明我国露天煤矿截水帷幕技术的成熟与进步。笔者对我国露天煤矿截水帷幕技术进行了梳理与总结，介绍了在实践过程中突破的关键技术，以期为露天煤矿地下水控制及安全绿色开采提供新思路、新技术与新工艺。

1 露天煤矿发展与疏排水问题

露天煤矿是我国煤炭行业的重要组成部分，我国露天煤矿发展已有百余年历史，先后经历了1950-1980 年的初步发展、1980-2000 年的快速发展和2000 年后的创新发展3 个阶段[10-11]，露天开采取得了长足进步。截至2018 年底，我国露天煤矿有300 余座，主要分布在内蒙古、山西、新疆、云南等省和自治区(图1)，其中内蒙古最多，数量有160 余座。

图1 我国露天煤矿区域分布Fig.1 Distribution of open-pit coal mines in China

露天煤矿开采产量在煤炭总产量中的占比也逐渐增加，目前我国露天煤矿总产量占煤炭总产量的比例接近20%(表1)，低于世界主要产煤国家40%以上的水平，但露天煤矿总产量已居世界第二，成为露天采矿的大国和强国。

表1 2003—2020 年来我国露天煤矿产量与占比统计Table 1 Statistics of output and proportion of open-pit coal mines in China (2003-2020)

露天煤矿在生产过程中需要对地下涌水进行预防和控制，国内外目前普遍采用疏排降水的方式[12]，我国采用疏排水的具体方式有疏干井、泄水巷、截水沟等[13-16]。露天煤矿在疏排水过程中，普遍面临疏排水量大、影响范围广等问题，我国部分露天煤矿日排水量可达十几万立方米。露天煤矿在疏排降水的同时，也在以下方面造成影响[17-18]：(1) 浪费地下水资源[19]。个别露天煤矿每年因疏排地下水造成的水资源浪费达上千万立方米(图2a)。(2) 破坏生态环境。疏排水引起周边草原、湿地水位下降[20-22]，植被多样性降低，农业和生活用水紧张(图2b)，如元宝山露天煤矿疏降水影响范围达数十平方千米，扎尼河露天煤矿周边大于5 km 范围地下水位不同程度下降，伊敏露天煤矿受开采影响地下水位降深最大约112 m，东明露天煤矿地下水位平均降深大于10 m。露天煤矿现有疏排水方式与国家生态文明建设、生态环境保护的理念相违背。(3) 影响安全生产。疏排水位难以达到设计要求造成生产接续紧张，同时影响边坡稳定。(4) 加重经济负担。2006 年2 月21 日，国务院公布了《取水许可和水资源费征收管理条例》，明确规定了矿产、石油开采排水，需按1.0 元/m3的标准缴纳水资源费；2017 年11 月24 日，财政部、税务总局、水利部下发《关于印发＜扩大水资源税改革试点实施办法＞的通知》，疏干排水单位和个人取水后直接排放的需缴纳水资源税，收费标准为5.0 元/m3，巨额疏排水费用和水资源费(税)，加重了露天矿的经济负担。

图2 露天煤矿疏排水引发的环境问题Fig.2 Environmental problems caused by drainage in open-pit coal mines

面对因疏排水引发的一系列问题，需要转变露天煤矿治水思路，改变地下水控制方式。因此，转疏为截的截水帷幕技术成为解决这一问题的根本措施[23-24]。

2 截水帷幕技术在煤炭领域的应用

截水帷幕技术并非新生事物，早在20 世纪40 年代就已出现，且工艺与形式一直随着科学技术的进步而发展[25]。

截水帷幕技术从20 世纪60 年代开始应用于国外露天矿山，东德、波兰和苏联等国家率先研究了帷幕堵水工艺并在一些条件复杂的露天煤矿和金属矿山进行应用，取得了显著的帷幕截水效果[26]。如东德在劳尔兹、莱比锡及贝尔多夫等露天煤矿共修筑80 km长的帷幕；为防止尼斯河河水渗入杨斯瓦尔德露天煤矿，修筑了长1 250 m 的帷幕，使疏排水量减少40%；波兰在20 世纪70 年代修筑了5 个截水帷幕，其中2 个用于露天煤矿；苏联有61%煤矿可采用截水帷幕进行堵水。随着截水帷幕技术的推广，越来越多的国家开始重视帷幕工艺在露天煤矿的应用。但此阶段的截水帷幕工艺简单，仅通过挖槽后在槽内灌注混凝土或黏土等不透水材料形成，帷幕深度不超过20 m。

帷幕工艺在我国煤矿领域的应用分地下开采煤矿与露天煤矿2 个方面。在地下开采煤矿领域，在借鉴水电部门坝基灌浆防渗技术的基础上，提出了利用钻孔注浆建造帷幕、堵截矿区地下水的帷幕注浆技术，开辟了矿山水害防治新途径，打破多年来依靠单一疏排降水方法解决受地下水威胁煤炭资源开发的局面，并逐渐成为一种常用的防治水技术方法。由于浆液扩散半径不均，注浆形成的帷幕难以直观描述其形态，这种帷幕是用浆液和周围不透水地层共同组成的隔水介质[27]。1960 年以来，我国先后在徐州青山泉煤矿、焦作演马庄煤矿、枣庄郭东煤矿和一些金属矿山开展了注浆帷幕实践，效果良好。近年来，淮北朱仙庄煤矿[28-29]和陕北张家峁煤矿[30]开展的大型灰岩和烧变岩注浆帷幕工程标志着我国地下开采煤矿帷幕注浆技术的成熟。

露天煤矿开展的截水帷幕是利用各类挖槽机械，在泥浆护壁作用下挖出窄而深的沟槽，并在沟槽内浇筑合适的防渗材料而形成的一道具有防渗功能的地下连续墙体，虽属于隐蔽结构，但其形态可以直观描述，防渗材料仅存在于开挖槽段内，基本不会向外围扩散。相对于钻孔咬合桩、高压旋喷桩等桩排式帷幕和钻孔注浆帷幕，这种形式的帷幕具有施工效率高、形态可控、材料浪费少的优点，截水效果也是最优的。扎尼河露天煤矿首次应用露天煤矿截水帷幕技术，截水帷幕平面长度5 815 m，项目实施后，矿坑动态补给水量减少89%；20 世纪90 年代，煤炭科学研究总院西安分院尝试在元宝山露天矿建造截水帷幕，拦截英金河与老哈河河水入渗矿坑，但由于技术和经济原因，项目最终未能实施，随着帷幕技术的进步，元宝山露天煤矿于2021 年开展了截水帷幕试验工程并达到预期效果；西湾露天煤矿计划在首采区烧变岩中建造截水帷幕，目前已完成工程设计。截水帷幕在煤矿领域的应用情况见表2。

表2 截水帷幕在煤矿领域的应用情况Table 2 Application of water cutoff curtain in coal mines

3 露天煤矿截水帷幕技术现状

3.1 帷幕设计理念

露天煤矿建造截水帷幕受多种条件的制约[8,31]，设计过程需要运用水文地质、工程地质、流体力学、地下水动力学等多个学科的知识。帷幕的目的是防渗，拦截矿坑外围动态补给量，因此，在设计前需掌握矿坑与周边区域水文地质条件、工程地质特征、含(隔)水层性质与参数、地下水流场变化特征等情况。

围绕帷幕截水目的，帷幕设计需要考虑以下内容：

(1) 截水帷幕自身渗透系数要足够小。截水帷幕作为主要防渗隔水介质，材料抗渗性能决定了墙体防渗性能。根据笔者研究[32]，当截水帷幕自身渗透系数小于1×10-3m/d 时，即可满足防渗要求，继续减小渗透系数时，对防渗效果的提升并不大。在成槽过程中，槽段内充填的泥浆经水力渗透作用附着在槽孔壁上形成的内外过滤层具有较强的稳定、隔水作用。

(2) 截水帷幕接头要做好防渗处理。根据目前常用的施工工艺，截水帷幕分幅施工，一幅一幅连接起来后形成连续截水帷幕，因此，幅与幅连接处的接头位置成为容易渗水的薄弱环节，需要采用高效的连接方式保证接头处不渗水。

(3) 截水帷幕底部要进入相对稳定隔水地层。按照截水帷幕底部是否进入隔水地层为标准，截水帷幕形式可划分为悬挂式和落底式[27]，露天煤矿截水帷幕必须是落底式，即帷幕墙底部必须进入相对稳定隔水地层，确保不发生底部绕流。常见的隔水地层有泥岩、细砂岩、粉砂质泥岩等，当第四系砾石层等截渗目标层与隔水地层之间有破碎带等不稳定岩层时，需要穿过不稳定岩层，确保最终进入稳定隔水地层1～3 m。

(4) 截水帷幕顶部要确保不发生越流。帷幕墙形成以后，受帷幕墙的隔水作用影响，帷幕墙外侧(来水方向)地下水位上升，设计时要考虑水位上升后的稳定水位，避免地下水越过帷幕墙顶部入渗矿坑。例如，当外侧地下水受河流补给时，要考虑河流的历史最高洪水位，以此作为帷幕墙顶面高程设计依据。

(5) 截水帷幕两端要确保不发生绕流。当其他因素不变时，帷幕截水效果随着帷幕长度的增加而增加，当帷幕两端未嵌入隔水地层时，两端会发生绕流。绕流量的大小与周边地层特征、含水层渗透性、水力梯度等参数相关，要合理设计端头位置，避免绕流的发生。例如，扎尼河露天煤矿截水帷幕是弧线形，目的是拦截第四系砾石层水渗入矿坑，西端头嵌入砾石层缺失区的相对隔水地层，杜绝了绕流发生的可能性，东端头为第四系砾石含水层的历史最高洪水位，即使水位上涨，也无法越过该水位线，避免了绕流的发生。

除此之外，还要考虑截水帷幕建成之后与煤层开采及边坡稳定之间的关系，确保在帷幕运行期内不受采矿影响。

因此，截水帷幕设计理念可以概括为“顶不越、底不漏、两端不绕、接头不渗、经济合理、安全有效”。

3.2 帷幕施工工艺

经过几十年的发展，截水帷幕施工工艺已形成以地下连续墙式帷幕为主、桩排式帷幕为辅的趋势。连续墙式帷幕的施工工法也在不断完善，但实施过程基本都经过成槽、浇筑和连接三道主要工序，本节主要介绍成槽和连接工艺，截水帷幕详细施工流程如图3 所示。

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

3.2.1 成槽工艺

成槽就是利用成槽机械，在地下挖出窄而深的沟槽，为后续帷幕墙的施工做准备。随着基础工程施工技术的不断提高和科学水平的不断进步，成槽设备也在优化发展，最早使用的是冲击钻进工法，后来发展了抓斗成槽工法、垂直回转钻进工法、水平多轴回转钻进工法等[27]，在选择不同的工法和设备时，主要考虑地层特性、开挖深度、墙体厚度和强度、施工条件和机械设备的特性等因素，选择施工效率高、成槽质量好的设备。目前最常用的工法是抓斗成槽工法和水平多轴回转钻进工法。

抓斗成槽工法中常用的设备是液压抓斗，其工作原理是利用高压胶管(耐压大于30 MPa)把液压传送到几十米深处的抓斗斗体，通过抓斗的开启和关闭抓取土体，随后提升至槽口后土体外运，如此往复直至开挖至设计深度。一般来说，液压导板抓斗成槽厚度在0.6～1.2 m，斗体开启后的宽度为2.8 m。液压抓斗由于其操作方便、移动灵活、施工成本低等优势而被广泛使用。

水平多轴回转钻进工法常用的设备是液压双轮铣，其工作原理是用液压驱使安装在机架上的两个鼓轮向相反方向转动，鼓轮上的切刀将地层旋铣、切割、挤碎，松动后的土、砂、卵石等碎块通过鼓轮上方的高压泵抽吸至地面。与液压抓斗不同的是，液压双轮铣不需要往复提升斗体，可一次切铣至设计深度后再提出铣轮。液压双轮铣的优势是对地层适应性强，可切铣强度较大的地层，能直接切割混凝土，并且成槽质量优于液压抓斗，但其服务后台较多，移动不灵活，施工成本偏高。

通常情况下，液压抓斗和液压双轮铣配合成槽，不同设备在不同地层条件下的成槽效率不同，应结合实际情况，选择效率较高的成槽设备组合施工。

3.2.2 槽段连接工艺

帷幕墙是一幅一幅分段施工，其施工工艺决定了墙体之间存在接头，接头部位是整个墙体的薄弱环节，接头处理质量关系着整个帷幕的截水质量。

接头的连接方式有多种[27]，如钻凿式接头、接头管、接头箱、软接头、隔板接头、预制接头等，实际工程中用得较多的是钻凿接头、接头管或接头箱。

钻凿接头是把已经浇筑完成的槽段墙体的端头凿去一部分以后形成后续槽段的端头，形式以平接接头为主，也叫套铣接头，即用液压双轮铣把之前已完成槽段的端头铣去10～20 cm，露出新鲜槽段界面，与后续槽段连接，也是连接质量最好的接头形式。

接头管是应用最多的一种接头方式，它是把光滑的圆钢管，放到槽段的两端或一端，用来挡住浇筑材料并形成半圆形的弧形墙面，有时也叫锁口管接头。接头箱与接头管的原理一致，只是形状不同，接头箱一般以方形为主。

3.2.3 特殊条件下的施工工艺

当连续墙式帷幕施工遇到无法挪移的障碍物时，如高压线、地埋管线等，需要采用其他施工工艺进行配合，如以往的桩排式帷幕、高压旋喷注浆、钻孔咬合桩等形式，需要注意的是不同工艺之间端头的连接问题。露天煤矿截水帷幕的特点一般是平面长度较大，施工条件受限，完全满足采用连续墙帷幕的条件有限，因此，采用多种帷幕工艺组合施工是完全可行的。

3.3 截水帷幕材料

帷幕技术首先在意大利发展起来，不管是用来承重还是防渗，初期使用的材料均是高强度的混凝土或钢筋混凝土。后来，随着施工技术和材料研究水平的不断提高，帷幕技术和材料向2 个方向发展，一是承受各种垂直或水平载荷的刚性墙，材料以高强度混凝土为主；二是用来防渗的柔(塑)性防渗墙，材料以柔性抗渗材料为主，露天煤矿截水帷幕类型属于后者，选择此类柔性材料的另外一个原因，还在于能够抵抗由于露天矿剥采引起的一定程度的边坡滑动变形。目前来说，我国露天煤矿截水帷幕工程中用到的防渗材料有以下几种。

3.3.1 混凝土

露天煤矿帷幕施工所用混凝土一般有2 种，一是抗渗混凝土[33]，二是塑性混凝土。抗渗混凝土一般要求抗渗等级大于等于P6，塑性混凝土是由水、水泥、膨润土、粗骨料、细骨料及外加剂配制而成，水泥用量较少，具有较好防渗性能和较大极限变形，要求28 d抗压强度达1.0～5.0 MPa，渗透系数为10-6～10-8cm/s。

3.3.2 HDPE 防渗膜

HDPE 防渗膜是近年来出现的新型柔性防渗材料，主要成分是高密度聚乙烯，材料厚度0.5～2.0 mm，防渗系数可达1.0×10-11cm/s，具有很强的抗拉强度和断裂伸长率，适应地质不均匀沉降、变形的能力强。最初多用于边坡斜铺或平面铺设，目前已成功应用于垂向隐蔽铺设。防渗膜主要技术参数见表3。

表3 HDPE 防渗膜主要技术参数Table 3 Main technical parameters of the HDPE geomembrane

3.3.3 粉煤灰-水泥混合浆

粉煤灰水泥混合浆液[34]是利用粉煤灰和水泥2 种材料制作的混合浆液，其中粉煤灰的占比较大，根据不同的地材特性，一般要求水固比0.7∶1；其次根据不同的比重要求和防渗性能要求，水泥与粉煤灰的质量比在2∶8 和4∶6 之间。这种材料是一种很好的充填材料，既可以充分置换槽段内泥浆，又能够充填槽段，且具有良好的防渗性能。在我国许多地区，粉煤灰是一种较难处理的工业废弃物，该材料将粉煤灰变废为宝，既产生了环保效益，又降低了成本。

4 露天煤矿截水帷幕关键技术进展

我国露天煤矿截水帷幕实施始于2015 年，中煤科工集团西安研究院有限公司研发团队研究了截渗减排影响机制，在施工工艺、防渗材料、效果检验方法体系等方面进行了创新，突破多项关键技术，成果丰硕。

4.1 防渗膜大深度垂向隐蔽铺设与连接技术

防渗膜多用于平面或斜面铺设，垂向铺设深度不超过20 m，在扎尼河露天煤矿实施的截水帷幕项目中，通过自主研制的防渗膜供膜、铺设装置和铺设方法[35]，实现防渗膜垂向隐蔽铺设深度突破56 m。其次，利用接头箱技术，实现了同一槽段内和不同槽段间的防渗膜叠覆连接(图4)，优点是施工效率高，效果好。接头箱工艺有效解决了不同槽段间防渗膜搭接的难题，使单幅防渗膜帷幕墙连接成整体，铺设效率高、易控制。

图4 防渗膜的不同连接方式Fig.4 Different connection modes of the impervious membranes

在元宝山露天煤矿截水帷幕实施过程中，实现了防渗膜的磁吸式水下连接，主要是通过在防渗膜两端添加磁条(图5)，使防渗膜下放完成后实现自吸。磁吸式连接进一步提升了防渗膜连接的质量，防渗效果更优。

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

4.2 超长槽段连续开挖浇筑与减接头技术

通常情况下，将帷幕墙施工槽段划分为一期槽和二期槽，一期槽段长度7.0 m，二期槽段长度2.8 m(图6)。槽段连接处是容易渗水的薄弱环节，增加槽段长度，可以减少接头数量，提高施工效率，增强墙体防渗性能，但同时，槽段长度增加，成槽时间延长，坍塌风险增加，泥浆、充填材料供求压力增加。在扎尼河露天煤矿开展的帷幕工程实施中，依据地层稳定性分析，通过优化护壁泥浆工艺参数和开展大量的槽段稳定性试验，槽段稳定时间提升至50 h 以上，单幅槽段开挖长度突破常规的7 m，实现了单幅槽段22 m 的连续开挖，接头数量减少了2/3，提升了帷幕墙的整体性。

图6 槽段划分Fig.6 Groove section division

4.3 粉煤灰-水泥混合浆液与HDPE 防渗膜复合帷幕技术

HDPE 防渗膜作为主要防渗材料，在叠覆连接或磁吸连接的基础上，防渗性能完全满足要求。粉煤灰-水泥混合浆液作为充填材料，一是实现了槽段充填，压紧防渗膜；二是该材料本身具有一定的防渗性能，形成双重防渗介质，防渗效果再次得到提升(图7)；三是降低了材料成本；四是防渗膜作为一种柔性材料，也提高了帷幕整体抗变形性能。

图7 复合帷幕材料Fig.7 Composite curtain materials

4.4 帷幕质量与截水效果综合检验体系构建

露天煤矿截水帷幕建造周期较长，截水效果并非立即见效而是逐渐显现，因此，除了在施工过程中对关键环节进行质量把控外，还需采用一定的方法进行截水效果检验。

在我国露天煤矿截水帷幕工程实践中，逐渐形成了定性和定量2 种类型、帷幕实施过程中和结束后2个阶段的多种检测检验方法[36-37]，如声波透射法、取心验证法、抽水试验法、流场分析法、水量对比法和综合物探法等6 种方法，形成了检验帷幕墙浇筑质量、防渗性能和生态效益的“六位一体”综合检验体系。

5 展 望

(1) 截水帷幕能否在露天煤矿应用取决于露天煤矿自身的水文地质条件和面临的水文地质问题，针对不同的条件和问题做出准确合理的设计是截水帷幕技术在露天煤矿推广应用的关键。

(2) 截水帷幕的截水效果是逐步显现的，预测不同实施阶段的截水效果是有必要的。对不同阶段、不同区域截水效果精准预测需要借助水文地质学、水力学、流体力学、计算机模拟等多个学科知识，目前是截水帷幕研究与应用中的技术难题。

(3) 截水帷幕槽段之间的连接部位依然是施工中的薄弱环节，是容易引起渗水的部位，接头连接工艺的优化、改进和补救措施是未来研究的重点。

(4) 露天煤矿截水帷幕应具有抗变形性能以适应边坡的滑动变形，柔性防渗材料的研发以及防渗膜磁吸式连接的工程应用是今后研究的方向。

6 结论

a.截水帷幕技术是解决露天煤矿因疏排水产生的生态环境破坏、地下水资源浪费等问题的根本措施，可实现露天煤矿绿色安全高效开采。该技术在我国内蒙古扎尼河、元宝山等露天煤矿得到了积极应用和快速推广。

b.地下连续墙截水帷幕是我国露天煤矿目前采用的主要帷幕形式，在设计理念、施工工艺、防渗材料、效果检测体系等方面日趋完善，在实践过程中，超长槽段开挖大幅减少接头数量、防渗膜磁吸式连接使连续墙抗渗性能有了质的提升。

c.截水帷幕技术在我国露天煤矿的成功应用，丰富了露天煤矿防治水与水资源保护技术理论，促进了行业技术进步，为露天煤矿地下水控制及安全绿色开采提供了新思路、新技术、新工艺，对我国露天煤矿开发中的生态环境与水资源保护和水害预防与控制有重要的示范意义，对其他非煤矿山及水利水电、交通等更高防渗等级要求的工程具有重要借鉴意义。

d.准确合理的设计、截水效果的精准预测、接头工艺的优化和柔性防渗材料的研发及工程应用是截水帷幕今后研究的重点和方向。