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。      

露天煤矿截水帷幕防渗膜垂向隐蔽铺设施工工艺

防渗膜（HDPE土工膜）目前广泛应用于防污染、防渗漏、防扩散为主的防渗工程中,且铺设形式复杂多样。在我国某露天煤矿地下截水帷幕工程中,将防渗膜进行大深度垂向隐蔽铺设,深度可突破50 m,作为帷幕墙防渗主体;利用接头箱技术,实现了不同槽段间的防渗膜叠覆连接;通过注浆回填工艺,在压紧防渗膜的同时,提高了帷幕墙的抗渗性;最后采用围井抽水试验验证了墙体的防渗性,结果表明,防渗膜帷幕墙渗透系数仅为8.6×10^-7 cm/s,达到设计要求。防渗膜帷幕墙具有施工效率高、成本低、绿色环保等优点,其成功应用对其他类似项目具有推广借鉴意义。     

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。      

基于低强度抗渗混凝土的露天煤矿帷幕截水技术

混凝土地下连续墙具有施工方便、质量可靠、抗渗性好等优点,在水利水电、基坑支护、地铁等防渗工程中广泛应用,所用材料既有塑性混凝土,也有刚性混凝土。在内蒙古某露天煤矿截水帷幕工程中,针对其工程地质与水文地质特征,研发一种低强度（8~10 MPa）抗渗（P6级）混凝土作为墙体浇筑材料,该混凝土水胶比值为0.68,砂率为45%,1 m³混凝土中各原材料质量分别为：水泥180 kg,粉煤灰200 kg,膨润土20 kg,砂720 kg,石子880 kg。分析了其渗透与抗渗机理,并通过钻孔取心和围井抽水试验对其效果进行了验证。试验结果表明：混凝土墙体浇筑完整、连续,抗压强度达8.3 MPa,渗透系数达8.67×10^-7 cm/s。工程实施后矿坑疏排水量显著减少,该措施为矿区水资源及矿坑周边草原植被等生态环境保护奠定了基础。     

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。      

落底式竖向截水帷幕的研究与应用

论述了截水帷幕的形式及应用条件,并在实际的基坑工程中应用了落底式竖向截水帷幕治理地下水,实例证明效果非常好,既保证了基坑边坡的稳定与土方开挖、结构施工的安全,又保护了基坑周边建(构)筑物。     

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\     

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。      

生态脆弱露天矿区截水帷幕下松散层水位演化规律

我国蒙东地区生态环境脆弱,水资源匮乏,露天煤矿高强度开采引起地下水系统的补、径、排条件发生剧烈变化,导致松散层水位大幅下降、地表河流流量衰减、生态环境破坏。为揭示生态脆弱露天矿区在截水帷幕下的松散层水位演化规律,分析生态脆弱露天矿区地下水分布特征和采动对松散层水位的影响,开展截水帷幕下的松散层水位理论计算和物理模拟试验,结合现场监测数据分析截水帷幕下内蒙古扎尼河露天煤矿、元宝山露天煤矿松散层水位演化规律。结果表明:生态脆弱露天矿区松散层渗透系数大、水位埋藏浅;露天开采对矿区松散层水位影响巨大,矿区周边数千米范围内的松散层水位下降数米到数十米;理论计算和物理模拟发现,截水帷幕外侧松散层水位抬升幅度与帷幕长度呈正相关关系;远离帷幕的水位变化速率较为平稳,靠近帷幕附近的水位变化相对剧烈;扎尼河和元宝山露天煤矿现场监测结果显示,帷幕外侧松散层水位升高3.43~9.12 m,帷幕内侧水位降低3.21~10.15 m,外侧水位抬升幅度与截水帷幕完成率成正比。截水帷幕作用下的松散层水位理论计算和物理模拟结果可指导现场工程应用,截水帷幕能够显著抬升生态脆弱露天矿区周边松散层水位,保护矿区松散层水资源。      

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。      

卵砾石含水层高压旋喷注浆止水帷幕技术

高压旋喷桩主要适用于淤泥质土、黏性土、粉土、砂土、黄土和碎石土等地层,在卵砾石地层或动水条件下的应用较少。我国某露天矿在施工旋喷桩止水帷幕的过程中,采用RJP工法进行帷幕施工,成功将高压旋喷注浆技术应用于卵砾石含水层中,通过试桩和筛分试验将卵砾石层特征对桩径大小的影响进行了分析研究,结果表明,RJP工法在卵砾石含水层中成桩效果良好、质量可靠,其桩径大小与卵砾石颗粒大小及含砂量有关。围井试验结果显示,高压旋喷桩帷幕墙完整,止水效果显著。研究成果表明高压旋喷注浆技术可在卵砾石含水层的加固和止水领域进行推广应用。     

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。     

露天煤矿草原区植被指数与气象水文要素关系

内蒙古东部草原区某露天煤矿在长期疏排水条件下造成地下水位持续下降,为研究矿区周边植被生长是否受地下水位下降的影响,采用归一化植被指数法（NDVI）分析了研究区2013—2019年植被盖度变化趋势,选择气温、降水量和地下水位埋深3个气象水文要素,基于联合熵理论计算NDVI与不同要素之间的互信息,得出植被生长的主要影响因素。研究结果表明：研究区植被盖度呈逐年好转趋势,植被指数由2013年的0.10逐渐增加至2019年的0.33,年均增长约为0.03;植被生长与当地气温和降水量关系密切,与地下水位埋深相关性弱;研究区气候变暖和稳定的降水量造成植被返青期提前和生长期延长;在矿区目前疏排水强度下引起的地下水位下降不会造成周边草原植被干枯死亡。研究成果丰富了内蒙古东部草原区植被生长与地下水关系的研究内容,为类似分析评价工作提供技术支撑。     

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、...     

古韩联营煤矿3^#煤层带水压开采条件评价

提出古韩联营煤矿3^#煤属带水压开采,采掘过程中对3^#煤安全开采最大的潜在威胁是构成煤系基底的K2灰岩和奥灰岩溶裂隙水。分析和计算了这两个含水层的突水系数,评价得出K2灰岩和奥灰含水层属于可能发生底板突水危险地区,建议在矿井巷道掘进和工作面回采过程中应采取相应地防治水技术和措施来保证矿井的安全生产。     

黄土区露天煤矿排土场人工林下植被发育动态

基于安太堡露天煤矿南排土场1 hm²“刺槐(Robinia pseudoacacia)+榆树(Ulmus pumila)+臭椿(Ailanthus altissima)”配置模式动态监测样地复垦17年和22年的调查数据,采用多项指标对人工林下草本层植物物种多样性进行测度,同时利用方差比率法(VR )、χ²检验和Spearman秩相关系数检验对群落草本层物种总体关联性和主要物种的种间联结性进行了分析。结果表明:(1)复垦17年后,人工林下草本层共调查到20科46属62种植物,以菊科植物优势地位明显;复垦22年后,共记录到 18科39属53种草本层植物,禾本科植物的重要值逐渐增加。5年间,优势成分由大籽蒿(Artemisia sieversiana)变为鹅观草(Roegneria kamoji)。与原地貌自然植被相似,人工林下多年生和中生植物在两次调查中均占优势。随着复垦年限的增加,人工林下1年生、1-2年生及中生植物重要值下降,多年生和旱生、中旱生、旱中生植物的重要值有所增加。(2)复垦17年后,人工林下草本层植物物种丰富度已超过原地貌自然植被。随着演替的进展,Patrick丰富度指数有所降低,Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数均呈现增加趋势。复垦22年后,人工林下草本层植物物种多样性已修复至原地貌自然植被的94.12%。(3)人工林下草本层植物总体关联性由显著负关联变为不显著负关联。主要物种正负关联比由0.30上升至0.79,但均小于1,并且呈极显著和显著关联的种对数较少,说明人工林下草本层植物群落种间联结较为松散,各物种间的关系以竞争为主。主要种针茅(Stipa capillata)与榆树(U.pumila)幼苗呈显著正相关,它们均为地带性物种,生态适应性强,可用于该矿区植被恢复的优选物种进行混合种植。该研究可为矿区植被重组和生物多样性保护提供理论依据。