董書寧，王 海,2，黃選明，王 皓，曹海東，王曉東，張 雁，苗賀朝

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

根據(jù)《2020年BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)[1]，2020年石油占全球一次能源消費(fèi)量的33.1%、天然氣占24.2%、煤炭在世界能源結(jié)構(gòu)中所占的比重降至16年來的最低水平，到2019年降至27%；2019年，我國全年能源消費(fèi)總量48.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的57.7%，比上年下降1.5個(gè)百分點(diǎn)；天然氣、水電、核電、風(fēng)電等清潔能源消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的23.4%[2]。煤炭仍然是我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中重要組成部分。我國14個(gè)大型煤炭基地煤炭產(chǎn)量占全國的95%以上，其中內(nèi)蒙古、山西、陜西更是我國煤炭的主產(chǎn)區(qū)。但上述地區(qū)均處于干旱、半干旱地區(qū)，水資源匱乏，植被稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，煤炭及相關(guān)產(chǎn)業(yè)用水緊張。我國每年因煤炭開采破壞地下水約80 億t[3]，相當(dāng)于西安市4年的用水總量，地下水賦存與補(bǔ)給、循環(huán)模式發(fā)生改變，地下水位下降，植物養(yǎng)分流失，加劇土壤鹽漬化和荒漠化問題。

為解決煤炭開采中的環(huán)境問題，自20世紀(jì)90時(shí)代，我國學(xué)者提出保水采煤概念，經(jīng)過近30年的發(fā)展，保水采煤的研究取得豐碩成果，科學(xué)內(nèi)涵進(jìn)一步豐富。根據(jù)陜北侏羅紀(jì)煤田特征，劃分了無水開采區(qū)、可控保水開采區(qū)、保水限采區(qū)和自然保水開采區(qū)4種保水采煤分區(qū)類型[4]。針對神東礦區(qū)不同的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，提出了神東礦區(qū)的保水采煤的基本原則，以及礦區(qū)重要水源地、厚基巖含水層、燒變巖含水層、水資源轉(zhuǎn)移存貯、礦井水資源化利用等保水采煤的關(guān)鍵技術(shù)[5]。研究發(fā)現(xiàn)第四系(N2)紅土遭受工程活動破壞后，在自然條件下，其隔水性能能夠自我恢復(fù)，是西北地區(qū)煤炭開采淺表層水保護(hù)的可再造隔水層[6-7]。西部礦區(qū)發(fā)展了充填式保水采煤技術(shù)、窄條帶保水采煤技術(shù)、分層(限高)保水采煤技術(shù)、短壁機(jī)械化保水采煤技術(shù)、長壁機(jī)械化快速推進(jìn)保水采煤技術(shù)等頂板含水層保護(hù)的采煤技術(shù)[4，8]。在東部草原區(qū)大型煤電基地厘清了煤炭開采對地下水、土壤理化性質(zhì)、植被覆蓋度的影響邊界和程度，構(gòu)建了地面和地下相結(jié)合的露天礦立體儲水技術(shù)體系，提出了井工開采地下水原位保護(hù)方法[9-10]。研究發(fā)現(xiàn)沙漠區(qū)植被對地下水水位埋深具有很強(qiáng)的依賴性，陜北榆神府礦區(qū)內(nèi)合理生態(tài)地下水位埋深為1.5～5.0 m，控制地下水水位是生態(tài)脆弱礦區(qū)科學(xué)開采的核心[11]。

我國陜北榆神府礦區(qū)保水采煤取得了豐碩的研究成果，研究對象大多是井工開采煤礦，而占我國煤炭產(chǎn)量16.6%的露天煤礦的保水采煤方式有別于井工開采煤礦[12]。露天煤礦開采主要影響第四系潛水含水層，該含水層具有強(qiáng)富水、強(qiáng)補(bǔ)給的特點(diǎn)，干旱、半干旱地區(qū)地下水與植被生態(tài)環(huán)境關(guān)系密切。露天煤礦保障了生態(tài)地下水位就保護(hù)了礦區(qū)植被生態(tài)環(huán)境，因此，亟需開展露天煤礦生態(tài)地下水位主動保護(hù)技術(shù)研究，為我國露天煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 我國露天煤礦發(fā)展現(xiàn)狀

我國煤炭資源開采方式主要有井工開采和露天開采2種。露天開采具有資源采出率高、勞動效率高、機(jī)械化程度高、安全條件好、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn)[12]，露天開采是國外煤炭開采的主要方式。受煤層埋藏較深、沉積環(huán)境和成煤條件等多種地質(zhì)因素的影響，我國以井工開采為主、露天開采為輔。

1.1 我國露天煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀

2012年底規(guī)劃露天開采的保有資源儲量為1 710.6億t，占14個(gè)國家大型煤炭基地探明保有資源量14 831億t的11.5%，規(guī)劃能力為12.6億t/a，占14個(gè)大型基地52.4億t/a的24%[13]。主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、山西、云南四省(區(qū))，四省(區(qū))可供露天開采的保有儲量合計(jì)1 676.83億t，約占全國可供露天開采儲量的98%。

我國設(shè)計(jì)和核定露天煤礦總產(chǎn)量在128 390萬t/a(表1)，但露天開采儲量中，煤化程度普遍較低，最高為氣煤，最多是褐煤。

表1 全國主要露天煤礦特征[13]

續(xù)表

截至2018年底，我國共有露天煤礦303處(不含井-露聯(lián)合開采煤礦)，占全國煤礦數(shù)量6.9%，產(chǎn)能75 908萬t/a，占總產(chǎn)能16.6%，其中在生產(chǎn)露天煤礦249處，基建露天煤礦54處[12-13]。我國露天煤礦產(chǎn)量由2003年的0.8億t增長至7.59億t，產(chǎn)量占比由4.61%上升至16.6%，露天煤礦占有越來越重要的地位[14]，千萬噸及以上露天煤礦20處,如圖1所示。

圖1 我國露天煤礦產(chǎn)量及產(chǎn)量占比Fig.1 Output and production proportion of open-pit coal mines in China

1.2 露天煤礦地下水控制技術(shù)現(xiàn)狀

露天煤礦開采的煤層埋藏深度淺，充水水源固定，主要為地表水體和大氣降水，地下水為輔。露天煤礦充水通道主要為強(qiáng)透水含水層、人為開挖通道、導(dǎo)水鉆孔和地表裂縫等。露天煤礦為防止和減少水害，保證生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率，通常采用疏干排水方式控制地下水。地下水控制方法主要有地面垂直降水孔法、水平放水孔法、明溝和暗溝、巷道法等。當(dāng)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，采用疏干排水措施難以有效降低地下水位；以補(bǔ)給量為主，且補(bǔ)給來源豐富，底部有穩(wěn)定的隔水層，深度較淺的松散含水層，可采用地下隔水墻法控制地下水[15-16]。

目前，我國露天煤礦主要采用疏干排水方法進(jìn)行礦坑水疏降或疏干，具體方式有鉆孔疏排水、專用疏水巷、地面截水溝、輻射井疏干、虹吸排水等[17-19]。我國露天煤礦分布具有明顯的區(qū)域性，多集中在中西部地區(qū)，這些地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱，大規(guī)模露天開采破壞環(huán)境后恢復(fù)起來比較困難。露天煤礦疏干排水導(dǎo)致礦區(qū)周圍地下水下降迅速、植被枯死、井泉干涸、土地荒漠化等生態(tài)環(huán)境問題。

為破解露天煤礦疏干排水引起的生態(tài)環(huán)境問題，針對元寶山露天煤礦水文地質(zhì)條件和現(xiàn)場實(shí)際需求，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司于20世紀(jì)90年代提出采用截水帷幕替代疏干降水方案[17，20]。由于多種原因，此項(xiàng)工程未能實(shí)施，元寶山露天煤礦截水帷幕方案進(jìn)一步開拓煤礦水資源保護(hù)的思路，在考慮煤礦水害防治過程中一定要考慮地下水資源的保護(hù)及生態(tài)環(huán)境保護(hù)，使煤礦生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境能持續(xù)發(fā)展。

2 露天煤礦開采對地下水和植被影響

國內(nèi)學(xué)者研究表明，呼倫貝爾伊敏礦區(qū)最適宜植被生長的地下水水位埋深為1～2 m，植被生長的極限地下水位埋深是6 m[21-22]；陜北榆神府礦區(qū)地下水位3～5 m 為喬灌木承受埋深，地下水位5～8 m為警戒埋深，地下水位8～15 m為喬木衰敗埋深，大于15 m為喬木枯梢水位埋深[11]。鄂爾多斯地區(qū)的植被覆蓋度對地下水比較敏感的水位埋深在10 m以內(nèi)[23]，海流兔流域的旱柳和小葉楊等喬木可以吸收埋深7～8 m的地下水[24]。銀川盆地地下水位埋深小于5 m時(shí)，植被覆蓋度大于60%，地下水位埋深大于8 m時(shí)，植被覆蓋降至10%以內(nèi)[25]。新疆塔里木河流域地下水位埋深2～5 m時(shí)的植被覆蓋度大于15%，地下水位埋深大于6 m時(shí)植被覆蓋度5%～10%，地下水位埋深大于 8 m的區(qū)域植被覆蓋度小于 5%[26]。

2.1 露天開采對地下水位影響

隨著地下水位的上升，露天礦邊坡滑動面不斷向外移動，其最小安全系數(shù)也伴隨減小，地下水水位超過坡腳時(shí)，滑動面越過坡頂，形成坡面和坡腳失穩(wěn)，發(fā)生局部的坡腳破壞[27]，如圖2所示，為保障露天煤礦安全生產(chǎn)、邊坡穩(wěn)定，露天煤礦采用潛水疏干孔疏降第四系潛水含水層水、煤層疏干井疏降巖層和煤層裂隙含水層水、泄水巷道疏降煤層裂隙含水層水，將露天煤礦水位疏降至礦坑底部。

圖2 露天煤礦疏干排水示意 Fig.2 Drainage of schematic in open pit coal mine

華能伊敏煤電有限責(zé)任公司露天礦疏干工程自 1983年投運(yùn)至1994年末，導(dǎo)致礦坑及其周圍地下水水位持續(xù)下降，采場內(nèi)平均地下水位從672 m 降至629.53 m；2017年，地下水位最深557.96 m，降深約112 m[21]。1985年，礦區(qū)地下水位埋深0～16 m，大部分區(qū)域地下水位埋深小于 5 m，伊敏河岸和湖泊周圍地下水位埋深0～2 m；受露天煤礦疏干排水影響，到2012 年時(shí)，以采坑為中心區(qū)域的地下水位大幅下降，地下水位埋深分布在 0～112 m。在礦區(qū)疏干排水的影響下，區(qū)域地下水位的大幅度下降，強(qiáng)烈改變了區(qū)域地下水的賦存特征和補(bǔ)徑排條件，在礦區(qū)范圍內(nèi)第四系含水層已全部疏干，從而改變了地表水體的補(bǔ)給、徑流、排泄途徑，造成地表水資源和小區(qū)域水循環(huán)的中斷，截至2017年，湖泊總面積由采前的6.94 km2縮小為1.12 km2，面積減少率達(dá)84%，導(dǎo)致伊敏煤田范圍的湖泊、泉水干涸，濕地消失，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成一定程度的破壞[21-29]。地下水位與礦坑距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[22]如圖3所示，采坑北部約2 000 m 范圍內(nèi)的柴達(dá)敏諾爾湖周圍及湖泊北部的地下水位埋深受影響不明顯。

圖3 伊敏露天礦地下水位Fig.3 Groundwater level in Yimin open pit coal mine

寶日希勒露天煤礦自2000年前后開始開發(fā)，2000—2006年，采區(qū)疏排水強(qiáng)度為2.3×104m3/d，以首采區(qū)為漏斗中心，局部地段松散含水層地下水被疏干，中心水位下降幅度約50 m，漏斗向礦區(qū)西南部拓展，礦區(qū)范圍內(nèi)平均水位降深小于5 m[10]。2007—2010年，礦區(qū)西側(cè)的東明露天煤礦與北部的呼盛和天順井工礦相繼開采，東明露天煤礦排水強(qiáng)度達(dá)18.27×104m3/d，受高強(qiáng)度疏排水影響，東明露天煤礦和寶日希勒露天煤礦首采區(qū)為中心的較大范圍松散含水層水疏干，東明露天煤礦中心水位下降幅度在100 m以上，平均水位降深大于10 m[9-10]。2010—2019年，東明露天煤礦疏排水量14.93×104m3/d，趨于穩(wěn)定，礦區(qū)范圍內(nèi)平均水位降深大于15 m，西部莫勒格爾河對松散層含水層補(bǔ)給充分，河水通過地下滲漏補(bǔ)給松散層地下水的強(qiáng)度為11.02×104m3/d，約占東明露天礦排水量的 80%[10]。

元寶山露天煤礦地下水主要在第四系含水層中，以現(xiàn)代沖積、洪積及冰水堆積物為主，由圓礫、卵石、粉細(xì)砂及泥礫組成，厚度15～85 m，一般55 m，分布面積約130 km2。區(qū)域內(nèi)有英金河和老哈河交匯通過，元寶山露天煤礦采用地表疏干孔與地下疏干巷道相結(jié)合的疏干方式，自1990年8月開始疏干，至1992年12月，水位下降26 m，日排水量約46.76×104m3/d[19，30]。至2016年，采場地下水位最大降深49 m，水位標(biāo)高416 m[31]。

勝利東二號露天礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市東北部，露天煤礦開采定期抽排地下水，導(dǎo)致地下水位不同程度下降。 在至礦坑1 000、2 500、3 700、9 500 m處設(shè)置地下水位觀測孔，受露天煤礦疏干排水影響，至礦坑越近地下水位越深，隨著距離的增大，水位埋深逐漸恢復(fù)至正常地下水位[32]如圖4所示。

圖4 勝利東二號露天礦地下水位Fig.4 Groundwater level in Shengli east No.2 open pit coal mine

2.2 露天開采對植被覆蓋度影響

露天煤礦開采過程中疏干排水導(dǎo)致地下水位下降，地下水位下降是否會影響植被生長和植被覆蓋度。根據(jù)伊敏露天煤礦、寶日希勒露天煤礦、勝利東二號露天煤礦的植被生長和植被覆蓋情況進(jìn)行分析。

王超等[21-22]研究了伊敏露天煤礦至柴達(dá)敏諾爾湖之間5 000 m范圍的植被類型、物種豐富度、植被覆蓋度等指標(biāo)變化情況。地下水位埋深與至礦坑距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，礦坑位置水位埋深112 m，柴達(dá)敏諾爾湖附近水位埋深僅1～2 m。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是目前廣泛采用反映植被生長狀況的指數(shù)，即

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

式中：NIR為近紅外波段反射率；R為紅波段反射率。

NDVI越大表明植被覆蓋度越大，隨著植被覆蓋度增大而增大。1985年伊敏露天煤礦NDVI=0.5～0.7，隨著露天煤礦的開采，到2012年，NDVI下降至0.4～0.6，礦區(qū)植被長勢總體呈下降趨勢。地下水位埋深0～1 m時(shí)，NDVI最高，地下水位埋深 2～6 m時(shí)，NDVI波動不明顯，而當(dāng)?shù)叵滤宦裆畛^6 m時(shí)，NDVI呈明顯下降趨勢。

有學(xué)者在距離寶日希勒露天煤礦礦坑0、500、1 500、3 000 m處分別觀測了植物群落科、屬、種組成及多年生植被占比情況[33]見表2，距礦坑0 和500 m位置的植物科屬中狀況大致相同，1 500 和3 000 m位置的植物科屬種基本處于同一水平，但低于0 和500 m位置。多年生植被占比隨著距礦坑距離的增加而逐漸增多，呈現(xiàn)上升趨勢。露天煤礦開采影響植被群落生長，周圍天然草地多年生植物比例與露天煤礦距離呈正比，穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。

表2 距離礦坑不同位置天然草地植被情況

植被覆蓋度可直觀量化植被生長狀況如圖5所示，分別觀測勝利東二號露天煤礦礦坑?xùn)|、西、南、北4個(gè)方向不同距離的植被情況，隨著至露天煤礦礦坑距離的增加，在東、西、南、北4個(gè)方向各個(gè)樣區(qū)的植被覆蓋度均呈現(xiàn)遞增現(xiàn)象。距離露天煤礦礦坑1 km以內(nèi)的植被覆蓋度在35%左右，6 km處植被覆蓋度最高，達(dá)到58%左右，礦坑向外4～5 km處植被覆蓋度基本穩(wěn)定在50%，表明露天煤礦疏干排水和采礦活動對植被的影響范圍為4 km[32]。

圖5 距離勝利東二號露天礦坑不同距離植被覆蓋度Fig.5 Vegetation coverage at different distances from Shengli east No.2 open pit coal mine

3 露天煤礦生態(tài)地下水位保障技術(shù)

目前的露天煤礦疏干排水降低了地下水位、影響了礦區(qū)周邊植被生長、浪費(fèi)了地下水資源、破壞了周邊生態(tài)環(huán)境，為保護(hù)地下水資源和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司開展了許多探索、科研攻關(guān)和現(xiàn)場示范應(yīng)用工作。

1993年，煤炭科學(xué)研究總院西安研究院(下稱西安研究院)在根據(jù)元寶山露天煤礦水文地質(zhì)條件，率先提出了地下防滲墻截流礦區(qū)周邊豐富地下水的方案，通過地下防滲墻阻隔礦坑與外側(cè)松散含水層水力聯(lián)系，減少礦坑側(cè)向補(bǔ)給，該方案墻體總長度為7 660 m，墻頂高出疏干前地下水位1 m，墻底嵌入風(fēng)化巖2 m，最大深度約為65 m，總截水面積約為39.1萬m2，設(shè)計(jì)墻厚0.8 m[20]。采用防滲帷幕方案后，可以制止英金河和老哈河口地區(qū)地下水位的急劇下降趨勢，保護(hù)該地區(qū)并不豐富的地下水資源，使周圍的電廠、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)和當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)、生活用水得以保障，還可防止因缺水而導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境惡化。經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，2015年，西安研究院在扎尼河露天煤礦帷幕截水工程中首次采用側(cè)向帷幕截流技術(shù)[17-18，34-38]保護(hù)露天煤礦地下水資源和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

露天煤礦主動保水技術(shù)首先探明煤礦水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，厘清礦坑水的補(bǔ)給源和補(bǔ)給通道，根據(jù)露天煤礦水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，確定適宜的截水帷幕路線、頂?shù)孜恢?，確保帷幕底部進(jìn)入穩(wěn)定隔水層、頂部高于歷史水位，因地制宜地選擇溝槽式截水帷幕或鉆孔注漿帷幕方式和防滲材料，通過構(gòu)筑連續(xù)的帷幕墻體攔截礦坑外側(cè)潛水含水層側(cè)向補(bǔ)給，可從根本上解決露天煤礦面臨的水資源和生態(tài)保護(hù)難題，變被動治理為露天煤礦主動保水保生態(tài)。

西安研究院在扎尼河露天煤礦帷幕截水工程應(yīng)用了防滲膜與防滲材料復(fù)合防滲技術(shù)、低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土地連墻截水技術(shù)、超高壓角域射流注漿帷幕截水技術(shù)，形成了1套經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的露天煤礦生態(tài)地下水位保障技術(shù)。

3.1 防滲膜與防滲材料復(fù)合防滲技術(shù)

HDPE膜是一種柔性防水材料，滲透系數(shù)1×10-13cm/s，具有良好的耐熱性和耐寒性，適用溫度-70～110 ℃，具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性能，抗強(qiáng)酸、堿、油的腐蝕，抗張力強(qiáng)度高，滿足高標(biāo)準(zhǔn)工程項(xiàng)目需要，目前主要用于水利、環(huán)保工程淺部防滲。

西安研究院針對露天煤礦截水帷幕深度大、連續(xù)鋪膜困難的現(xiàn)狀，研發(fā)了防滲膜疊覆鋪設(shè)、槽段內(nèi)灌注高摻量粉煤灰基注漿材料的復(fù)合防滲技術(shù)，如圖6所示，最大鋪設(shè)深度達(dá)56 m。采用液壓抓斗、雙輪銑等成槽機(jī)在露天煤礦帷幕線位置開挖出寬0.6 m、深30～56 m的溝槽，槽段長度8、15、22 m，開挖過程中采用泥漿保證槽壁穩(wěn)定。通過自主研發(fā)的鋪膜機(jī)從槽口向槽底垂向鋪設(shè)HDPE防滲膜，每幅防滲膜之間采用接頭箱、疊覆搭接等方式連接，形成連續(xù)的防滲膜帷幕。槽段內(nèi)注入附近電廠粉煤灰摻量高達(dá)80%的混合漿液，漿液與防滲膜形成復(fù)合防滲帷幕體。

圖6 防滲膜與防滲材料復(fù)合工藝Fig.6 Composite technology of impermeablefilm and impermeable material

槽內(nèi)灌注的高摻量粉煤灰基注漿材料強(qiáng)度4.5 MPa，滲透系數(shù)低至9×10-7cm/s，經(jīng)現(xiàn)場圍井試驗(yàn)檢驗(yàn)，防滲膜與高摻量粉煤灰基注漿材料復(fù)合防滲的滲透系數(shù)6.28×10-7cm/s[37]，防滲膜與防滲材料復(fù)合防滲技術(shù)構(gòu)筑的地下截水帷幕阻水能力強(qiáng)。

3.2 低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土地連墻截水技術(shù)

針對露天煤礦截水帷幕的低強(qiáng)度、低彈模、大應(yīng)變、高抗?jié)B等特性要求，西安研究院研發(fā)了經(jīng)濟(jì)合理的低強(qiáng)度高抗?jié)B混凝土，低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土中各原材料摻量質(zhì)量比例按水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶中砂∶卵石∶聚羧酸添加劑∶水，強(qiáng)度達(dá)到4～10 MPa，抗?jié)B等級達(dá)到P6，具有良好的抗變形能力，該抗?jié)B混凝土水膠比為0.68，砂率為45%，如圖7、圖8所示。

配比1—180∶200∶20∶720∶880∶8∶260；配比2—160∶220∶20∶720∶880∶8∶270；配比3—140∶240∶20∶720∶880∶9∶270；配比4—140∶220∶40∶720∶880∶9∶276圖7 低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土強(qiáng)度Fig.7 Strength of low strength impermeable concrete

圖8 低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土抗?jié)B等級Fig.8 Impervious grade of low strength impermeable concrete

采用液壓抓斗、雙輪銑等成槽機(jī)在露天煤礦帷幕線位置開挖出寬0.6～0.8 m、深30～60 m的溝槽，一序槽段寬8 m、二序槽段寬2.6 m，開挖過程中采用泥漿保證槽壁穩(wěn)定。通過在開挖的每幅溝槽內(nèi)灌注低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土形成連續(xù)的地下帷幕墻。露天煤礦低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土地連墻滲透系數(shù)低至8.34×10-7cm/s，具有良好的截水性能[37]。

3.3 超高壓角域射流注漿帷幕截水技術(shù)

超高壓角域射流注漿是在傳統(tǒng)高壓噴射注漿工藝的基礎(chǔ)上，采用獨(dú)特的多孔管和前端造成裝置，實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)強(qiáng)制排漿和地內(nèi)壓力監(jiān)測。噴射流壓力達(dá)40 MPa，流量90～130 L/min，平均提升速度2.5～3.3 cm/min，成樁直徑可達(dá)2.0～2.8 m。

扎尼河露天煤礦超高壓角域射流注漿首先采用鉆機(jī)引孔，引孔孔徑250 mm，MJS工法樁設(shè)備在引孔內(nèi)由下而上角域擺動提升、射流噴射成樁，樁徑2.0 m，樁間距1.5 m，樁間搭接0.5 m，形成連續(xù)的半圓形樁體帷幕墻。施工現(xiàn)場試樁形成的直徑4 m的超高壓角域射流注漿樁體如圖9所示。經(jīng)現(xiàn)場圍井試驗(yàn)檢驗(yàn)，露天煤礦超高壓角域射流注漿帷幕墻滲透系數(shù)低至7.85×10-7cm/s，截水性能良好[37]，帷幕墻體可有效阻隔礦區(qū)外側(cè)地下水的入滲。

圖9 超高壓角域射流注漿帷幕樁體Fig.9 Super high pressure angular zone jet grouting curtain pile

4 生態(tài)地下水位主動保護(hù)效果

2020年9月，扎尼河露天煤礦主動保水技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用圓滿完成，形成了“頂不越、底不漏、兩端不繞、接頭不滲”的約6 km地下截水帷幕墻，露天煤礦疏排水量已減少75%，動態(tài)補(bǔ)給量已減少89%，礦區(qū)水資源保護(hù)效果顯著。

以2014年日均疏排水量為基準(zhǔn)，分別對比自生態(tài)地下水位主動保護(hù)技術(shù)開展以來露天煤礦疏干排水減少情況(圖10)。2015年露天煤礦截水帷幕工程試驗(yàn)段施工以來，礦坑疏排水量開始出現(xiàn)減少，減少率最大達(dá)到22%；在截水帷幕試驗(yàn)段的作用下，2016—2017年的礦坑疏排水量緩慢減少，減少約32%；2018年開始全面實(shí)施地下截水帷幕工程，礦坑疏排水量逐月遞減，至2020年9月，露天煤礦疏排水量已減少75.02%。

圖10 露天煤礦礦坑疏排水減少情況Fig.10 Reduction of drainage in open pit coal mine

截水帷幕距離礦坑約1 600 m，海拉爾河距離礦坑3 500 m左右，受露天煤礦疏干排水影響，從礦坑到海拉爾河的3 500 m范圍內(nèi)地下水位均出現(xiàn)不同程度的下降，地下水位埋深與礦坑距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。采取截水帷幕主動保水措施后，截水帷幕外側(cè)水位較之前明顯抬升，帷幕位置水位由之前的埋深12.0 m左右抬升至6.5 m，地下水水位逐漸恢復(fù)至原始水位(圖11)，地下水位達(dá)到了植被正常生長的閾值地下水位埋深[23，38-39]。

圖11 露天煤礦地下水主動保護(hù)前后變化情況Fig.11 Changes of groundwater before and after active protection in open pit coal mine

據(jù)扎尼河露天煤礦周邊植被覆蓋度數(shù)據(jù)可知，自2015年帷幕截水工程實(shí)施以來，植被覆蓋度呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢，植被指數(shù)NDVI由2015年的0.21增加至2019年的0.33，植被覆蓋級別由較少植被過渡到適中植被[40]，礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境得到保護(hù)?；诒Ｕ仙鷳B(tài)水位的露天煤礦主動保水技術(shù)從源頭上解決礦區(qū)水害威脅、水資源浪費(fèi)問題，可有效減小露天煤礦開采對地下水和生態(tài)環(huán)境造成的損傷，實(shí)現(xiàn)煤礦真正意義上的減損、保水、綠色開采。

5 結(jié) 論

1)我國露天煤礦大多位于降水量少的生態(tài)脆弱區(qū)，露天煤礦數(shù)量不多，但單礦產(chǎn)量大，主要采用疏干降水方式控制地下水，降低了礦區(qū)地下水水位，破壞了生態(tài)環(huán)境，通過采用主動保水技術(shù)可保護(hù)露天礦區(qū)地下水位和生態(tài)環(huán)境。

2)主動保水技術(shù)首先探明煤礦水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件，厘清礦坑水的補(bǔ)給源和補(bǔ)給通道，確定適宜的截水帷幕路線、頂?shù)孜恢?，確保帷幕底部進(jìn)入穩(wěn)定隔水層、頂部高于歷史水位，因地制宜地選擇溝槽式截水帷幕或鉆孔注漿帷幕方式及其配套防滲材料，通過構(gòu)筑連續(xù)的帷幕墻體攔截潛水含水層側(cè)向補(bǔ)給礦坑。

3)開發(fā)的防滲膜與防滲材料復(fù)合防滲技術(shù)、低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土地連墻截水技術(shù)和超高壓角域射流注漿帷幕截水技術(shù)構(gòu)筑的截水帷幕截水效率高、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，構(gòu)筑的截水帷幕墻體穩(wěn)定、滲透系數(shù)低，應(yīng)用效果好，采用主動保水技術(shù)的露天礦區(qū)地下水位已恢復(fù)至原始水位，植被逐漸修復(fù)。

4)基于生態(tài)地下水位保障的露天煤礦主動保水技術(shù)已在扎尼河露天煤礦成功應(yīng)用，下一步將在元寶山露天煤礦推廣應(yīng)用，今后可進(jìn)一步將該技術(shù)應(yīng)用到井工煤礦、非煤礦山等領(lǐng)域，踐行綠水青山就是金山銀山理念，保障生態(tài)地下水位，實(shí)現(xiàn)礦山減損、保水、綠色開采。