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截水帷幕综合技术研究与示范

2020-09-21

 

“扎尼河露天矿帷幕截水综合技术研究与示范工程”是由国家能源投资集团有限责任公司批复,中煤科工集团西安研究院有限公司负责实施的一项大型矿井水害防治科研项目。项目采用截水帷幕综合技术,通过在扎尼河露天煤矿北侧建造地下截水帷幕,拦截海拉尔河侧向补给,成功实现了减少矿坑疏排水量、保护矿坑外围生态环境和地下水资源、实现煤矿安全生产等多重目标。该项目是我国露天煤矿初次采用截水帷幕综合技术解决矿坑疏排水问题,具有多项重要的技术与工艺创新。
项目组研究了露天煤矿截水帷幕构建的必备条件、有利条件和经济条件,根据截水帷幕不同的结构形式、平面展布和剖面形态,将截水帷幕形式划分为桩孔压入式与沟槽灌入式、直线型与弧线型、落底式与悬挂式等不同类型。通过深入研究扎尼河露天煤矿水文地质与工程地质特征,分析了截水帷幕的构建条件,确定扎尼河截水帷幕的形式为沟槽灌入式+桩孔压入式弧线型落底式截水帷幕。
提出截水帷幕设计的“安全有效、经济合理和环境友好”3个原则,依据“顶不越、底不漏、两端不饶、接头不渗”的14字准则,对扎尼河露天矿截水帷幕的平面展布形态和空间结构进行了设计,截水帷幕总长度5815 m,深度2156 m,平均深度36 m,有效厚度大于0.6 m。结合工程地质与水文地质特征和现场施工条件,确定扎尼河截水帷幕由4种帷幕工艺组合完成,分别是地下混凝土连续墙工艺、防渗膜大深度垂向隐蔽铺设工艺、超高压角域变速射流注浆(高压旋喷注浆)工艺和钻孔咬合桩工艺。帷幕地质剖面见图1,各工艺平面线路展布见图2。
研究了4种帷幕工艺的施工工艺与参数,从泥浆质量、成槽质量、混凝土浇筑质量、防渗膜铺设质量、注浆回填质量等方面提出质量控制的关键环节,施工过程中突破了低强度抗渗混凝土配合比技术、防渗膜大深度垂向隐蔽铺设与连接技术、超长槽段开挖与泥浆护壁技术、高掺量粉煤灰-水泥混合浆液注浆回填技术、强渗透厚砾石层中高压旋喷注浆成桩技术等5项技术难题。
建立了以声波透射法、取心验证法、抽水试验法、流场观测法、水量分析法为主的效果检验体系,在截水帷幕建造过程中和结束后,从定性和定量两个角度检验和验证了截水帷幕的效果。声波透射法验证混凝土浇筑和粉煤灰-水泥混合浆液回填密实、无空洞和裂缝;取心验证法证实混凝土浇筑、粉煤灰-水泥混合浆液回填均匀、密实,高压旋喷桩和钻孔咬合桩桩径与桩间搭接符合设计要求;通过围井抽水试验法取得了墙体的渗透系数(0.64×10-30.79×10-3 m/d),达到极微渗透等级;利用墙体两侧39个水文观测孔长期观测了流场变化,得到了截水帷幕效果的显现过程,墙内外典型钻孔水位对比见图3;水量分析法直接验证了截水帷幕的效果,达到了工程目的。
运用极限平衡法和有限单元法,沿帷幕线选择3条剖面研究了截水帷幕与边坡安全的关系。结果表明,当M1、M2、M3总体边坡安全距离分别留设158 m、122 m和145 m,总体边坡角分别为18°、18°和13°时,总体边坡稳定;第四系边坡M1、M2、M3稳定系数不满足现行技术规范要求,同时M1、M2边坡所在区域A与区域B存在露头煤局部压覆,提出了减少煤炭压覆资源量的3种边坡防治方案:自然放坡、自然放坡+局部锚索支护、自然放坡+抗滑桩+局部锚索支护。按照3种方案治理后,A区压覆煤炭量粗略估算分别为576万吨、377万吨、287万吨;B区压覆煤炭量粗略估算分别为308万吨、244万吨、189万吨。
通过现场调研,运用地理信息系统(GIS)和遥感(RS)数据,研究了扎尼河露天矿近几年植被指数(NDVI)变化情况;结合联合熵和互信息理论,研究了NDVI与气象水文等变量关系,得出植被生长与大气降水和温度关系较为密切的结论。截水帷幕形成后,矿坑疏排水量显著下降,有效保护地表和地下水资源;帷幕外围地下水位抬升,逐步改善外围生态环境,促进植被的生长;帷幕范围内的地下水位下降,但不会造成地表植被死亡,但会引起植被种类和结构发生改变。2013—2019年每年7月份研究区植被覆盖率NDVI空间分布见图5。
该项目开创了我国露天煤矿建造帷幕墙的先例,实施后将产生显著经济效益、社会效益和生态效益。与此同时,该项目研究为我国露天煤矿尤其东部草原区露天煤矿地下水疏降与控制和绿色环保开采提供了技术思路,对相似条件露天煤矿的水害预防与控制具有重要的借鉴意义。