张雁

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054）

露天煤矿截渗减排新技术

张雁

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054）

采用地下防渗墙方案对地下水补给通道进行帷幕截渗是露天煤矿防治水工作的新方法。从建墙条件、建墙技术和经济评价三方面分析了防渗墙的应用条件。以试验工程为例验证了常用建墙工艺的可行性，采用抽水试验检验了墙体防渗性能。

露天煤矿；截渗减排；地下防渗墙；工程试验

0 引言

露天煤矿在开采过程中需不断的疏降地下水位以保证采掘工作正常进行，截至目前我国露天煤矿均采用抽水井抽水方式进行矿坑水位控制或疏降[1-3]。这种方式的优点是技术成熟，工艺简单，抽水孔布置灵活，短时间内可进行疏降水，但也给露天矿及周边环境带来一系列问题[4-6]，主要表现在：①长期疏降水造成大面积地下水位下降，引起周边居民生活生产用水困难、浅根系植物死亡和土地沙漠化，无法保护露天矿开采范围之外的地下水资源；②矿坑水中含有重金属离子等有毒物质，矿坑水的任意排放会引发地表水污染；③地下水位大幅下降造成地面沉降，对工农业生产造成影响；④抽水钻孔经常随地下水位下降而逐渐报废，因疏排水投入的人力物力及疏排水费用较大，增加了露天矿生产的经济负担。

为实现露天煤矿绿色安全高效生产，对地下水补给通道进行帷幕截渗[7]是解决上述问题的有效方法之一。该方法已于20世纪60年代[8]在国外露天煤矿、金属矿山和国内水利水电行业应用，形式多以钻孔灌注桩[9-10]等桩排式帷幕墙为主，截渗效果明显，能有效控制地下水下降范围。由于我国露天煤矿水文地质与工程地质条件复杂、工程一次性投入高等原因，桩排式帷幕未得到应用。随着帷幕截渗工艺的发展，地下防渗墙作为深地层防渗新技术应用于诸多领域，在冶金行业及金属矿山有所应用，我国也首次将该工艺应用到露天煤矿截渗减排工程中。

1 地下防渗墙的应用条件

地下防渗墙[11-13]是利用各种挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，放下预先制作好的钢构架，并在其内浇筑适当的材料而形成的一道具有防渗（水）、挡土和承重功能的连续的地下墙体。地下防渗墙具有施工工艺成熟、防渗性能好、施工周期短、地层适应性强等优点，目前广泛应用于水利水电、铁路交通、船坞码头、地下仓库等工程领域。地下防渗墙的应用条件主要从建墙条件、建墙技术与经济评价3方面进行考虑。

1.1 建墙条件

防渗墙建设目的是进行帷幕截流，实现截渗减排。首先分析露天煤矿是否具备建墙条件及墙体位置选择问题。从水文地质条件入手，研究地下水补径排方式，明确地下水补给来源，防渗墙应建在地下水补给方向从而阻挡地下水向矿坑的入渗。其次，为阻止绕流入渗，墙体两端及底部需嵌入稳定隔水地层，形成闭合隔水墙体方可实现截渗目的。为保证墙体自身稳定，墙体位置应避开构造发育区。

1.2 建墙技术

具备建墙条件时，从建墙工艺分析是否具备建墙可行性。考虑主要因素有地层结构与岩石力学参数，墙体宽度，墙体深度，墙体材料、施工工艺、机械设备、现场施工条件等。

1.3 经济评价

经济合理性是防渗墙建设前必须考虑的一个客观问题，墙体结构与施工工艺是防渗墙工程造价中2个主要影响因素。经济是否合理需与矿坑疏排水费用进行对比，对于排水量大、疏排水钻孔多、排水费用高的露天矿，采用防渗墙方式进行帷幕截流是矿坑防治水优选方案。其次，防渗墙建成后产生的生态效益与社会效益也是衡量疏排水方案的重要因素之一。

2 工程试验

经水文地质条件分析，我国北方某露天煤矿具备建设地下防渗墙的基本条件，且与矿坑目前疏排水费用对比，具有明显经济合理性。为对施工工艺可行性与合理性进行验证，对比不同工法对地层的适应性，在防渗墙墙址中选择具有代表性的地段开展工程试验。

地下防渗墙建设工法有数10种，常用的有抓斗挖槽工法和回转钻进工法，代表性成槽设备有液压抓斗和液压双轮铣。采用SC120型液压双轮铣和SG60型液压抓斗2种成槽设备进行工艺试验，成槽设备如图1所示。墙体宽度0.8 m，平均深度47 m，试验工程长度400 m，墙体内浇筑塑性混凝土，开挖地层依次为细砂、砾石、黏土、泥岩、煤层、泥岩，开挖地层与墙体结构如图2。地表以下5 m细砂层由液压抓斗抓取地层开槽，砾石层和黏土、泥岩层可分别由液压双轮铣和液压抓斗单独开挖。

试验工程证实2种工法均能完成墙体建设，在砾石层中液压双轮铣功效高，在粘土泥岩层中液压抓斗功效高。考虑工程造价等因素，最佳施工工法为液压抓斗成槽工法。

图1 SC120液压双轮铣与SG60液压抓斗

图2 开挖地层与墙体结构示意图

3 墙体防渗效果检验

防渗墙的防渗性能是墙体效果检验的主要内容，现场主要通过墙体内外两侧钻孔抽水试验和防渗墙围井抽水试验2种方法检验了墙体防渗性能。抽水孔与观测孔布置平面示意图如图3。

图3 抽水孔与观测孔布置平面图

3.1 墙体内外两侧钻孔抽水试验

墙体外侧即地下水补给方向，抽水孔为W3，外侧抽水孔稳定抽水量为162 m3/h，孔内水位降深0.502 m，墙体内侧观测孔水位不变，外侧观测孔最大水位降深0.038 m；墙体内侧抽水孔为N3，内侧抽水孔稳定抽水量为78.74 m3/h，孔内水位降深28.50 m，墙体外侧观测孔水位不变，内侧观测孔最大水位降深0.093 m，抽水试验结果见表1。

表1 墙体内外两侧钻孔抽水试验结果

采用直线隔水边界镜像法计算含水层渗透系数，公式如下：

3.2 围井抽水试验

围井抽水是指在与地下防渗墙相连接的封闭四边形内进行抽水，抽水孔为C1，初始抽水量为47.33 m3/h，稳定抽水量为4.44 m3/h，孔内水位降深33 m，外侧观测孔水位保持不变，采用达西公式进行渗透系数近似求解，公式如下：

式中：△H为水位差，D为墙体厚度，a、b分别为围井尺寸，参数单位均为m，Q为稳定抽水量，m3/ h。计算得渗透系数为K围井=0.002 96 m/d。

由墙体内外两侧钻孔抽水试验和围井抽水试验成果及渗透系数对比可知，地下防渗墙具有极好的防渗性能，能够起到截渗减排的作用。

4 结论

1）从长远角度看，我国露天煤矿目前普遍采用的疏排水方案对生态环境和地下水资源保护均不利，采用地下防渗墙方案对补给通道进行帷幕截渗是露天煤矿防治水工程的新方法与新思路。

2）露天煤矿应结合自身地质与水文地质特征，从建墙条件、建墙技术与经济评价3方面分析采用地下防渗墙方案的可行性与合理性。

3）地下防渗墙试验工程证实常用的液压抓斗与液压双轮铣成槽工艺在开挖深度50 m之内的砂泥岩地层中具有可行性，钻孔抽水试验结果证明墙体本身具有良好的防渗性能，可达到截渗减排的效果。

［1］ 赵艳娥.露天煤矿疏干排水方式的探讨［J］.内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版），2003，32（4）：32-34.

［2］ 王宪峰.浅谈露天煤矿的防治水工作［J］.科技情报开发与经济，2011，21（33）：218-220.

［3］ 孙立勤.我国露天煤矿开采环境问题及防治对策研究［J］.煤炭技术，2007，26（11）：1-2.

［4］ 赵龙.露天煤矿工程降水设计的理论研究及应用［D］.长春：吉林大学，2008.

［5］ 孙立勤.我国露天煤矿开采环境问题及防治对策研究［J］.煤炭技术，2007，26（11）：1-2.

［6］ 王旭琴，李立军.露天煤矿开采的生态环境影响评价［J］.环境与发展，2015，27（1）：24-26.

［7］ 姬广青.露天煤矿开采对地下水环境的影响研究［D］.呼和浩特：内蒙古大学，2013.

［8］ 黄文干.露天矿疏干和堵水帷幕［J］.煤炭工程，1984，16（3）：33-36.

［9］ 赵毅.国外露天矿帷幕堵水及在我国的应用前景［J］.露天采矿技术，1987，2（3）：24-30.

［10］ 李小青，乌效鸣.钻孔灌注桩孔壁稳定性分析［J］.地质与勘探，2001，37(2)：74－76.

［11］ 陈国灿.钻孔灌注桩孔壁稳定的条件［J］.长春工程学院学报：自然科学版，2002，3（3）：36－39

［12］ 耿家祥.国外地下连续墙施工设备的现状与展望［J］.施工技术，1997（1）：49-51.

［13］ 丛蔼森.地下连续墙的设计施工与应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2001.

【责任编辑：陈 毓】

New technology of cutting off seepage channel and reducing water drainage in open-pit coal mine

ZHANG Yan
(China Coal Technology and Engineering Group Xi'an Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710054,China)

A new method to solve the water control problem is cutting off the seepage channel by curtain grouting.From the construction conditions,construction technical and economic evaluation,the article analyzes the application conditions of diaphragm wall.Taking test engineering for example,the mine verifies the feasibility of construction technology,and adopts pumping to test the impervious performance of the wall.

open-pit coal mine;cutoff seepage channel and reduce water drainage;diaphragm wall;engineering test

TD745

B

1671－9816（2017）06－0045－03

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.06.013

张雁.露天煤矿截渗减排新技术［J］.露天采矿技术，2017，32（6）：45-47.

2017-02-08

张 雁（1983—），男，河南郑州人，副研究员，从事矿井防治水工作。