露天煤矿在开采过程中需要对地下水进行疏降和控制,常用的疏降与控制方法有疏排降水和帷幕截流。目前,我国在建和生产的露天煤矿均采用疏排降水方法进行矿坑水疏降或疏干。这种方式由于长时间大流量疏排地下水,造成矿区周边地下水位快速下降,引起植被枯死、井泉干枯、土地沙漠化等现象,对矿区自然环境破坏严重,并导致矿区周边居民生活用水困难;同时,大量疏排地下水造成地下水资源极大浪费,且矿坑水的排放引起地表河流水质变差。露天煤矿在剥离表土层及含水层水位疏降过程中易造成水土流失,引起边坡稳定性能下降,给疏排水工程和矿坑边坡维护与治理带来困难,加之矿坑疏排水工程占用了大量的人员与设备,每年上千万元的疏排水费用为矿坑生产带来严重的经济负担,增加了露天煤矿的生产成本。为解决露天煤矿因疏排降水在矿坑“生态环境、生产安全、经济效益”等方面带来的一系列问题,实现露天煤矿的绿色、安全、可持续发展,本文以扎尼河露天煤矿为例,通过采用防渗墙技术取代常规的疏排降水技术,对露天煤矿渗流补给通道进行帷幕截流,从根本上减少矿坑疏排水量,达到截渗减排的目的,主要开展了以下研究:1、以矿区水文地质与工程地质条件为基础,结合防渗墙成墙工艺,提出露天煤矿防渗墙建造应具备的必备条件、有利条件与应满足的经济条件;根据防渗墙成墙工艺与墙体结构、防渗墙平面展布形态和墙体底部是否进入稳定隔水地层,将防渗墙从墙体结构、平面展布形式、剖面形态等角度划分为桩孔压入式和沟槽灌入式、直线型和弧线型、落底式和悬挂式等多种形式。2、分析影响截渗减排效果的主控因素,以地下水渗流原理和复变函数理论为基础,推导了通过防渗墙两侧与底部的绕流量计算公式和通过墙体自身的渗流量计算公式。结果表明,绕流量与含水层渗透系数K和水头损失H呈正比,与防渗墙长度l和深度d呈负相关关系;渗流量与防渗墙厚度B呈负相关关系,与防渗墙渗透系数K₂呈正相关关系。3、选择防渗墙连续长度为研究参数,采用室内渗流物理模型模拟了地下水流场与渗流量随地下水水头高度和防渗墙连续长度的变化过程与规律,拟合了渗流量与防渗墙长度的函数关系,建立截渗减排效果与防渗墙闭合度的关系。结果表明,截渗效果与防渗墙闭合度呈三次函数关系,截渗减排效果随帷幕长度增加而显著增加,进一步研究了防渗墙截渗减排机制。4、通过建立数值模型,运用MODFLOW数值模拟软件开展防渗墙长度、深度、厚度与渗透系数等主控因素的变化对地下水流场和疏排水量的影响,进而研究防渗墙不同参数对截渗减排效果的影响程度。研究结果表明,防渗墙长度越长,将抽水中心水位降低至同一标高时所需抽水量越小,抽水量减小的速度随防渗墙长度的增加越来越快;防渗墙深度对抽水量的影响主要取决于防渗墙底部所处的地层,落底式防渗墙截渗效果明显优于悬挂式;防渗墙厚度与抽水量的关系可用二次多项式函数表示,抽水量减小的速度随着防渗墙厚度增加而逐渐变缓;当防渗墙渗透系数减小到0.001m/d以下时,继续减小渗透系数对截渗减排效果的影响程度不大。研究结果完善并建立了防渗墙截渗减排机制。5、以扎尼河露天煤矿为例,开展露天煤矿防渗墙建造工程试验,验证了露天煤矿建造防渗墙的可行性,采用流场观测法与抽水试验法检验了防渗墙的防渗性能,研究了防渗墙试验工程对地下水流场和矿坑疏排水量的控制作用,验证了截渗减排机制的合理性与有效性。6、建立水文地质概念模型与数值模型,利用MODFLOW数值模拟软件模拟工程试验结束后和墙体全部建成后的地下水流场与疏排水量,进一步验证了截渗减排机制并预测了截渗减排效果,依据研究成果建立墙体参数优化模型,对扎尼河露天煤矿防渗墙主体工程关键技术参数进行了设计和优化。本文运用地下水渗流原理与复变函数理论推导了防渗墙绕流量和渗流量计算公式,研究了防渗墙长度、深度、厚度和渗透系数等主控因素对截渗减排效果的影响程度,建立了露天煤矿防渗墙截渗减排机制。开展了露天煤矿防渗墙建造工程试验,检验了截渗减排机制的合理性与有效性,预测了防渗墙全部建成后的截渗减排效果,形成一套在露天煤矿建造防渗墙的理论研究、分析设计、工艺实现及效果检验与预测的理论与方法,为露天煤矿水害防治及水资源保护提供技术支撑。