我国露天煤矿截水帷幕关键技术进展

我国露天煤矿普遍采用抽排方式进行地下水控制以满足煤炭资源安全开采要求,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。近年来,随着我国社会经济的全面发展,国家对生态环境保护、生态文明建设提出了更高要求,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。采用截水帷幕技术取代疏排降水技术,由被动疏水变为主动截水,是解决露天煤矿因疏排水带来诸多问题的根本措施。以内蒙古扎尼河露天煤矿、元宝山露天煤矿截水帷幕实施过程为例,介绍我国露天煤矿截水帷幕设计理念、施工工艺和截水帷幕材料,在实践过程中,突破了防渗膜大深度垂向隐蔽铺设与连接技术瓶颈;研发了超长槽段连续开挖及浇筑工艺,大幅减少接头数量;研制粉煤灰?水泥混合浆体与HDPE防渗膜的复合帷幕材料,提高帷幕抗渗与抗变形性能;构建帷幕质量与截水效果综合检验体系,掌握了露天煤矿截水帷幕建造关键技术。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。      

露天煤矿开采侧向帷幕控水原理与截水效果数值分析

露天煤矿开采过程中的矿坑疏排水是引起地下水资源流失的重要原因,寻求新的控水方法势在必行。以内蒙古赤峰市元宝山露天煤矿为研究对象,根据研究区水文地质与露天煤矿开发特征,分析了露天开采驱动下帷幕墙体建设对地下水系统控制的基本原理,得出帷幕墙体渗透能力越弱、厚度越大、与补给水体距离越近是帷幕墙减少露天采坑涌水的基本思路。将露天采矿疏排水与地下水系统数值仿真研究结合,对露天煤矿开采与帷幕墙建设对矿坑疏排水强度影响程度进行预测分析,模拟结果显示,采用针对主要涌水段的局部帷幕工程方案,地下水仍然以露天矿采坑为降落漏斗中心,区域流场形态基本未发生重大变化,在未帷幕区段地下水发生了强烈的侧向绕流现象,初期(300 d)矿坑残余涌水量较之现有矿坑排水量最大减幅 37.16%,而残余涌水量随时间增大趋势明显。按准全封闭型帷幕方案建墙后,地下水基本未发生绕流现象,矿井残余涌水量为先减小后增大的趋势,最大减幅达85.79%,且后期涌水量增加幅度不大,可见准封闭型帷幕建设方案较之局部帷幕方案对矿坑整体涌水量的减排作用显著。通过分析露天煤矿开采侧向帷幕控水规律,构建帷幕阻水条件下地下水系统仿真模型,评价帷幕截水减排效果,以期为露天矿区煤–水资源协调开发提供科学依据。      

截水帷幕技术在元宝山露天煤矿的应用与效果评价

内蒙古元宝山露天煤矿是国内外罕见的特大富水型露天煤矿,为解决多年疏干排水造成的生产成本高和环保风险大等问题,拟采用截水帷幕技术对矿坑渗流补给通道进行帷幕截流。通过分析矿坑水文地质和工程地质条件,提出弧形半封闭落底式帷幕与群井疏干水力帷幕相结合的地下水控制方式,采用防渗膜垂向隐蔽叠覆铺设与抗渗混凝土充填工艺,在矿坑高程+452 m平盘开展帷幕试验研究,建造一座平面长度1 369 m、平均深度29 m、有效厚度大于0.8 m、底部嵌入基岩面3 m的截水帷幕。试验研究过程中,确定了元宝山露天矿的截水帷幕工艺,获得其单幅槽段开挖长度(14 m)、护壁泥浆密度(1.05~1.25 g/cm3)和防渗膜叠覆宽度(1 m)等主要技术参数,提出防渗膜水下磁吸式连接技术,通过加装磁条,利用阴阳磁吸原理实现防渗膜叠覆处的水下自粘连。试验工程结束后,通过取心验证、流场分析和流量变化等方法检验帷幕墙的质量和截水效果。结果表明:混凝土浇筑充填连续、密实;墙体内外水位差已达15 m以上;盲沟补给流量消失,截水效果显著。试验研究证实截水帷幕技术适用于元宝山露天煤矿,为后续工程开展提供了关键技术参数,完善了我国露天煤矿截水帷幕技术体系。      

露天煤矿疏干–回灌水帷幕保水采煤模式探讨

为抑制疏干排水造成的地下水水资源量衰减,并控制露天煤矿煤炭开采对地下水资源的影响范围,采用了水帷幕保水采煤技术。以某露天煤矿为背景,建立沙槽回灌平台进行物理实验,再通过数值方法对回灌区进行模拟计算,分析疏干–回灌水帷幕的形成和变化规律。物理实验方法观察到回灌水帷幕形成定水头边界,阻止漏斗扩展的过程,获得不同回灌水帷幕水头高度对注水量的影响和注水量与排泄量平衡的最佳水头。数值模拟获得物理模拟类似的结果,回灌水帷幕位置可以有效限定疏干降落漏斗范围,回灌水帷幕定水头高度与疏干区水位和疏干时间正相关;最大回灌量受帷幕定水头高度影响显著;回灌水帷幕距离采坑越远对阻隔帷幕外水源补给的作用越大。物理模拟和数值模拟表明,改变回灌水帷幕的位置或水头高度都可以使得矿坑的排水量与帷幕的注水量相等,这就可以最大限度减少疏干水的外排水量。研究表明,疏干–回灌水帷幕可望成为我国露天煤矿区保水采煤的实用模式。      

考虑水体面积变化的鄱阳湖平原区地表-地下水相互作用模拟

湖泊的水情变化会影响其与地下水之间的物理水文过程和生态行为,鄱阳湖独特的“河湖相”转换特征使得该地区地表-地下水交换过程更加复杂。采用Visual MODFLOW构建三维非稳定流地下水流数值模型,利用LAK3子程序模块,通过输入五河入湖以及鄱阳湖流入长江的水量,实现湖水面积的动态模拟。结果表明,2019年湖水位模拟值与实测值的均方根误差为0.225 m,地下水水位模拟值与实测值的均方根误差为0.571 m;模型模拟鄱阳湖水面积环比变幅-41%～83%,与遥感影像结论吻合。该模型减少了湖泊作为边界条件的约束,可以有效刻画鄱阳湖频繁变化的湖水位和水体面积,准确模拟地下水流场和地表-地下水相互作用关系对湖泊水体高度动态变化的响应。枯水期主要由地下水补给湖水,交换量为2.03×107～10.58×107 m3/mon;丰水期湖水补给地下水,交换量为2.04×107～16.53×107 m3/mon,湖区及周边地下水水位相比枯水期平均抬升2～3 m,地下水由湖区流向周边地区。本研究为地表水体剧烈变化地区提供了有效的数值模拟方法,研究结果可为鄱阳湖平原区未来水资源管理和环境评价提供基础。     

广西平南某矿区岩溶地下水连通试验研究

广西平南某矿区在人工疏水过程中地下水位持续下降,形成以采区为降落漏斗、周边地下水向采区径流排泄的地下水流场。位于矿区东侧的秦川河成为危及矿区施工安全的最大隐患。为了查明矿区岩溶地下水径流途径、径流特征,进而了解矿区采矿排水的主要来源及周边地表河的影响,在矿区周围进行了地下水连通试验。试验结果表明:矿区岩溶含水介质渗透性差异较大,含水层各向异性明显;矿区北部、东南部存在连通性较好的地下水径流带,北部流速为0.3 ~ 20 m/h,东南部流速为3.72 ~ 98 m/h;矿区南部、西南部与周边地下水连通性较差,与矿区以南的浔江存在地下分水岭;矿区东部一采区矿坑排水主要来自东侧秦川河渗漏补给及北部地下水侧向径流补给,矿区西部二采区矿坑排水补给来源为北部地下水侧向径流及大气降水。因此,采矿疏水过程中应及时掌握秦川河水位变化情况,采取帷幕等有效手段对水害进行治理,以确保生产安全。      

碳酸盐岩区大型水库蓄水后地下水渗流场特征及？…

碳酸盐岩区大型水库蓄水引起的地下水渗流场及岩溶环境变化的研究,既是一个工程实际问题,同时也是岩溶环境学的理论问题,以高坝洲和隔河岩水库为例,运用数值模拟方法模拟了水库蓄水前后地下水渗流场的平面和剖面流网特征以及地下水渗透流速的空间变化规律。在此基础上,应用扩散边界层（ＤＢＬ）理论模型分析了研究区不同部位的岩溶环境演化趋势。结果表明,由于库水位的大幅度抬升和防渗帷幕的实施,使得研究区防渗帷幕上游岩溶     

碳酸盐岩区大型水库蓄水后地下水渗流场特征及岩溶演化趋势

碳酸盐岩区大型水库蓄水引起的地下水渗流场及岩溶环境变化的研究,既是一个工程实际问题,同时也是岩溶环境学的理论问题．以高坝洲和隔河岩水库为例,运用数值模拟方法模拟了水库蓄水前后地下水渗流场的平面和剖面流网特征以及地下水渗透流速的空间变化规律．在此基础上,应用扩散边界层（ Ｄ Ｂ Ｌ） 理论模型分析了研究区不同部位的岩溶环境演化趋势．结果表明,由于库水位的大幅度抬升和防渗帷幕的实施,使得研究区防渗帷幕上游岩溶作用的强度减弱;而防渗帷幕下游岩溶作用的强度加强,并发生方解石的沉积作用．这一现象在隔河岩水库蓄水后已经被验证     

矿山砂卵石地层中截水帷幕长幅槽段稳定性研究

露天煤矿长时间大流量疏排降水导致矿区地下水资源严重浪费、井田周围生态环境急剧退化、生产运行成本大幅增加,截水帷幕技术为露天矿山地下水控制提供了新的思路。槽段稳定性直接关系到截水帷幕施工安全、成槽效率及防渗效果。为探讨矿山截水帷幕砂卵石地层在成槽时长幅槽段的稳定性,以我国内蒙古东部某露天煤矿为例,采用二维和三维水平条分法对砂卵石地层长幅槽段稳定性影响因素及规律进行研究,并对比分析二维与三维水平条分法在安全系数计算结果上的差异;借助FLAC3D软件模拟分析砂卵石地层分别开挖17.5、22.5 m 2种长度时槽段的稳定性;结合上述分析结果给出砂卵石地层长幅槽段稳定性控制措施;再通过超声波测试手段验证长幅槽段稳定性及控制效果。研究结果表明:影响槽段稳定性的主要因素有地层岩土体性质、槽段开挖深度、泥浆液面、泥浆密度、泥浆液面与地下水位高差及单幅槽段长度;调整泥浆参数、提高泥浆液面、降低地下水位、优化成槽次序及控制成槽时间等措施可以增加长幅槽段的稳定性;该地层条件下单幅槽段长度不超过21 m时,槽段可以保持直立稳定,长幅成槽技术可行。      

基于改进的DRASTIC模型对香溪河典型岩溶流域地下水脆弱性评价

南方岩溶流域的地表水与地下水转换频繁,地下水环境对人类活动响应敏感,地下水环境脆弱。为探索岩溶流域地下水脆弱性评价的方法,以岩溶流域为评价对象,选取植被覆盖率、地形坡度、土壤类型、地下水水位埋深、地下水补给模数、土地利用类型6个指标,通过改进DRASTIC模型的评价指标体系,建立了基于VTSDRL模型的岩溶流域地下水脆弱性评价指标体系。以香溪河岩溶流域地下水为例,利用层次分析法计算了评价指标权重,基于地理信息系统的叠加分析功能对香溪河岩溶流域地下水脆弱性进行了定量评价。结果表明:香溪河岩溶流域地下水脆弱性以中等脆弱区为主,占比达到86.6%;地下水补给模数和土地利用类型对地下水脆弱性的影响作用最强,地下水脆弱性高的区域主要分布于溶丘洼地区,其面临农业活动污染的风险最大。该研究可为我国南方岩溶流域地下水脆弱性评价和岩溶水资源保护提供参考。     

我国露天煤矿水害特征与防治水技术

露天开采是我国煤矿开采的两大方式之一。与地下开采煤矿类似，露天煤矿在开采过程中同样面临防治水问题，由于我国露天煤矿水害类型相对单一，国内学者鲜有对露天煤矿的水害特征和防治水技术进行深入研究。以我国露天煤矿分布范围为出发点，从充水水源、充水通道、充水强度3方面分析露天煤矿水害特征，得出大气降水、地表水和浅层地下水是主要充水水源；人为开挖形成的直通式通道、强渗透含水层或透水层、垂向导水钻孔、滑坡形成的地表裂缝等是主要充水通道；季节性变化明显、疏排水周期长、排水量大是露天煤矿疏排水主要水害特征的结论。归纳目前我国露天煤矿常用的7种防治水技术，提出露天煤矿由远及近、由上而下、由面至点的立体防治水技术体系。从地下水资源保护和生态环保角度出发，为实现露天煤矿绿色开采和可持续发展，提出以切断补给通道、减小矿坑疏排水量为目的的帷幕截流技术是今后露天煤矿防治水的主要技术方法。      

露天煤矿截水帷幕效果检验方法及截水效果分析

某露天煤矿为减少矿坑疏排水量，通过施工截水帷幕切断矿坑北侧河流补给通道。根据现场施工条件，采用低强度抗渗混凝土地下连续墙、HDPE防渗膜、超高压角域变速射流注浆、咬合桩4种工艺构建截水帷幕。为检验施工过程中露天煤矿截水帷幕的效果，针对低强度抗渗混凝土地下连续墙、HDPE防渗膜、超高压角域变速射流注浆等3种截水帷幕工艺，进行了4次围井试验。试验结果表明，在露天煤矿深厚砂卵石层动水、低温条件下，低强度抗渗混凝土地下连续墙、HDPE防渗膜、超高压角域变速射流注浆帷幕均具有良好的截水效果，渗透系数分别达到8.34×10-7、6.28×10-7、7.85×10-7 cm/s，与原材料室内实验得出的渗透系数基本吻合。在4种帷幕工艺的共同作用下，露天煤矿矿坑疏排水量显著减少，围井试验在截水帷幕施工过程中具有良好的效果检验作用。      

MJS工法在砾石层中的应用及成桩差异性

在我国某露天煤矿截水帷幕建造过程中，由于受架空高压线、地埋光缆、地埋排水管等多处障碍物影响，局部区域直接成槽工艺无法施工，因此，选择可以"全方位"施工的MJS工法完成此类区段建造。MJS试桩结果表明，该工法在东西两侧卵砾石层施工区成桩质量差异明显，为查明成桩差异性原因，采用地质勘探、重力触探试验和抽水试验等方法，从砾石层厚度、砾径、含砂量、地层密实度和含水层渗透能力等方面进行分析。结果表明，在砾石层厚度大、含砂量小、地层密实、含水层渗透性强的施工东区无法成桩，而在条件相反的施工西区成桩质量符合要求。研究成果拓宽了MJS工法的应用范围，对类似条件下MJS工法施工参数的选择具有指导意义。      

基于不同开采方式的煤矿涌水量预测及其环境影响分析

煤矿开采不当会对水资源与水环境造成破坏,尤其在生态环境相对脆弱地区更是如此。针对目前矿井涌水量预测大多以单一工作面或煤矿为评价单元,对沟域内煤矿群同时长期开采的地下水环境影响重视不够。选择头道河则沟域为研究区,以地下水勘查、井田勘探资料为依据,构建了头道河则完整沟域的地下水三维非稳定流数值模型,根据地下水、地表水监测数据和煤矿群开采涌水量的长观资料进行模型的识别与验证,以9#煤矿为典型矿区,分析综采和条带充填2种不同开采方式下矿井涌水量及其对水环境的影响。研究结果表明：(1)综采状态下,矿井涌水量增加0.70×10⁴ m³/d,导致地下水溢出量减少0.20×10⁴ m³/d,引发矿区及区域地下水水位下降0.21～17.92 m;条带充填开采状态下,矿井涌水量增加0.11×10⁴ m³/d,导致地下水溢出量减少0.04×10⁴ m³/d,引发矿区及区域地下水水位下降0.01～0.44 m。(2)煤矿按综采方式开采,...     

新疆荒漠露天矿区生态受损及砾幕层重构方法研究

露天矿开采过程中的岩土剥离、土地压占导致大面积的地表、植被及地下水系被破坏和景观格局的改变,带来一系列生态环境问题。西北荒漠矿区作为我国未来煤炭资源战略的重要接替区,若无针对性的生态修复对策,将会严重威胁到我国国土生态安全。选取西北荒漠区7座典型露天煤矿,采用实地调研与实证研究法、遥感影像法、比较研究法等,从地貌重塑、砾幕层重构、荒漠植被重建3方面进行研究。结果如下:(1)新疆7座露天煤矿均有不同程度的土地扰动情况,白石湖矿区土地压占情况最严重,达到1 190.3 hm²;五彩湾矿区土地占用面积最大,为2 251.0 hm²;将军戈壁土地挖损面积最严重,达到1 007.3 hm²;大南湖矿区裸地面积最多,达到20 164.2 hm²;伊犁露天煤矿周边植被较多,达到343.3 hm²;西黑山矿区周边交通用地最多,达到194.3 hm²。(2)选择最具有代表性的五彩湾露天矿区进行砾幕层研究,其砾幕层面积比例由2000年的60.12%下降到2010年的31.28%,再上升至2017年的42.75%。(3)五彩湾矿区生物量为12.53 g/(m²·a),景观多样性指数为0.219 3,景观优势度为1.780 7,景观均匀度为0.109 7,其生态承载能力较弱,生态体系阻抗干扰能力较差,且区域的生态完整性较低。(4)五彩湾矿区植被覆盖率在2000年至2005年呈现上升趋势,2005年达7.72%,2005年至2015年呈现下降趋势,2015年降至3.89%。总的来说,西北荒漠露天矿区生态受损程度较为严重,应以砾幕层重构为主,采取人工支持引导的方式,提高自然生态修复的速率与效果,使受损生境通过自身主动反馈,走向自发恢复的良性循环。