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。     

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。     

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。      

塑性混凝土截水连续墙“快速施工工法”的构想与实施

塑性混凝土截水连续墙“快速施工工法”的构想，是基于北京市海淀锡华保龄球综合运动馆基坑防渗工程提出的一种经济、简便、快捷的施工方法，从挖槽、搅拌、成墙一次连续完成，取得了截流防渗和有利基坑边坡稳定的良好效果。     

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。     

混凝土抗渗性能试验密封材料的改进

采用水泥加黄油的拌合物作为混凝土抗渗性能试验的密封材料,可使试件与试件套之间能够很好地密封,使水压按规定的制度稳定地作用在试件上,保证试验顺利进行,具有操作简便、劳动强度低、无污染的特点。     

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。      

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\     

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。     

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。     

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。     

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。     

榆神矿区采煤失水危险性分区研究

以榆神矿区区域地质资料为依据,总结了该区煤层与含(隔)水层空间组合类型; 采用三维数值模拟方法,根据塑性条件、破坏准则及应力判别,模拟首采煤层与含(隔)水层空间组合类型下导水裂隙带高度; 通过对比钻孔探测法与数值模拟法,发现数值模拟法具有可行性; 利用模拟结果,绘制矿区导水裂隙带高度空间分布图,总结矿区导水裂隙带高度的整体分布规律; 对比导水裂隙带高度与其首采煤层上覆岩层厚度,总结矿区采煤失水危险性,并进行采煤失水危险性分区; 通过控制采煤失水危险区域的采厚可以达到“保水采煤”的效果。本研究对榆神矿区后期安全生产具有重要的理论意义与实际价值。     

基于AHP-TOPSIS方法的薛家湾—龙口镇露天煤矿大型排土场生态修复效果评价

排土场修复是矿山生态修复取得突破性进展和显著成效的关键之一。为进一步优选排土场生态修复技术组合,支撑矿山生态修复和绿色矿山建设,以薛家湾—龙口镇露天煤矿5个不同修复技术组合排土场板块为研究对象,选取生态效益和经济效益2类9个评价指标,运用层次分析(analytic hierarchy process,AHP)法和优劣解距离(technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS)法构建排土场生态修复效果综合评价模型,确定最终权重并进行综合评价。研究区排土场修复最优解决方案为: 工程措施采用平整覆土+挡水围堰+坡面整形+条播技术; 植被措施采用柳树+沙打旺+草木犀+苜蓿+冰草+老芒麦。研究表明,在矿山生态修复效果的成效评价中,使用定性加定量的评价方法,能更好地反映出生态修复效果,可为科学评价生态修复效果提供支撑。     

煤矿水害精准探查钻探技术

为了保证煤矿井下安全生产,对煤矿水害精准探查钻探技术进行了系统的分析与研究。针对桑树坪煤矿3110工作面230 m皮带巷道物探探测结果,对富水异常区域布设探查钻孔,采用随钻测量定向钻探技术与常规回转钻探技术相结合的钻探方法进行区域探查试验。桑树坪煤矿现场试验结果表明,精准钻探技术能通过富水区域空间位置灵活布设钻孔的方式对煤矿井下富水异常区域进行探查,同时,可以有效地推断出地质异常区域范围,避免异常富水区域突水淹井事故,确保了桑树坪矿11号煤巷道的安全掘进,为煤矿区地质异常区探测提供技术支持,为煤矿井下安全生产提供保障。