露天煤礦截水帷幕效果檢驗方法及截水效果分析

王 海，彭 巍，曹海東，王 麗

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077；3.國家能源集團大雁公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021122；4.呼倫貝爾學院，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021122)

2018 年，我國露天煤礦產(chǎn)量達7.59 億，占煤炭總產(chǎn)量的16.6%[1]。露天煤礦大多位于強富水強補給的砂卵石層區(qū)域，地層滲透系數(shù)大，受地表河流側(cè)向補給。常采用疏排降水方法進行礦坑水疏降或疏干，長時間大流量疏排降水，導致礦區(qū)周圍地下水位下降迅速、植被枯死、井泉干涸、土地荒漠化等生態(tài)環(huán)境問題[2]。截水帷幕是露天煤礦減少疏排水量、保護水資源的有效手段。數(shù)值模擬可分析、預測截水帷幕的截水效果[3-4]，截水帷幕應用效果一般需帷幕建成后才能具體體現(xiàn)出來，等待時間長，施工過程中無法驗證帷幕效果。在施工現(xiàn)場往往采用室內(nèi)實驗、現(xiàn)場取樣來檢測，檢測效果具有一定的局限性。施工過程中通過受注介質(zhì)變化和帷幕內(nèi)外水文地質(zhì)單元差異[5]、流場觀察法、抽水試驗法、取心驗證法和疏排水量分析法[6-7]評價帷幕階段性截水效果[8-13]。為及時、客觀、精確評價露天煤礦截水帷幕截水效果，筆者提出一種基于圍井試驗的露天煤礦截水效果檢驗方法。為檢查帷幕墻的防滲效果，以被檢查的帷幕墻段為一邊，在其一側(cè)用同樣的方法構(gòu)筑封閉形井狀結(jié)構(gòu)物[14]，進行抽水或注水試驗檢驗帷幕墻截水效果[15-18]。因此，采用圍井試驗可以及時進行露天煤礦截水帷幕的工藝檢驗、施工過程控制和階段性施工效果檢驗，評價帷幕墻穩(wěn)定性和可靠性，分析帷幕截水效果。

1 工程概況

露天煤礦位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾大草原，礦區(qū)海拔標高+626～+687 m，主要開采9 煤，開采過程一直采用疏干井強排方式對地下水進行疏降。目前采坑疏干井37 口，坑下水位維持在+505 m，繼續(xù)疏降非常困難，擬采用截水帷幕替代傳統(tǒng)的露天煤礦疏排降水方案。

1.1 地層條件

研究區(qū)總體地勢南高北低，南部為低山丘陵區(qū)，地表被草原植被覆蓋，地貌單元屬沖擊平原[1]。如圖1 所示，地表腐殖土厚約0.5 m，腐殖土下為細砂層，厚約3.5～6.5 m，卵礫石層厚0～38 m、滲透性好，粒徑1～5 cm，次圓狀，分選好，含少量細砂，滲透系數(shù)達80～180 m/d。棕褐色黏土、含礫黏土的厚度變化大，塑性強并含有鐵錳結(jié)核及少量砂粒、小礫石。黏土密度為 1.72～2.05 g/cm3，內(nèi)摩擦角18°～23°，黏聚力17～25 kPa，隔水性能較好。

淺部泥巖質(zhì)軟、具塑性、強度低，中深部較堅實、具硬塑、強度增高。泥巖層理、節(jié)理和微裂隙比較發(fā)育，裂隙面光滑，密度為1.86～2.18 g/cm3，內(nèi)摩擦角24.0°～31.4°，黏聚力0.08～0.63 MPa，單向抗壓強度0.15～3.10 MPa。伊敏組9 煤組光澤暗淡、含絲炭、木質(zhì)結(jié)構(gòu)、性脆。在地應力的作用下產(chǎn)生了縱橫交錯的裂隙，煤的節(jié)理和層理發(fā)育，煤心多呈短柱狀、碎塊或片狀，煤層為主要儲水介質(zhì)，斷層又為地下水的運動和儲存提供條件。

圖1 露天煤礦地層結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of strata structure in the open-pit mine

第四系底板至9 煤組頂板之間的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖、(含礫)黏土等為穩(wěn)定隔水層，由于黏土、泥巖等隔水巖層沉積不均一，局部缺失區(qū)構(gòu)成含水層水向煤層直接滲透的天窗區(qū)。

1.2 截水帷幕方案

礦坑疏排水量主要由露天煤礦北側(cè)海拉爾河河水通過第四系強滲透砂卵石層沿煤層隱伏露頭動態(tài)補給組成，動態(tài)補給量占疏排水總量的82%以上。采用截水帷幕可減少露天煤礦礦坑疏排水量、實現(xiàn)礦坑安全生產(chǎn)、保護草原水資源和生態(tài)環(huán)境。

如圖2 所示，帷幕全長5 815 m，深度21～56 m。受復雜地層條件、301 國道、地埋光纜、架空高壓線纜、排水管道等影響，帷幕全線采用地下混凝土連續(xù)墻、防滲膜、超高壓角域變速射流注漿、咬合樁4 種工藝構(gòu)建帷幕，其中，低強度抗?jié)B混凝土地下連續(xù)墻、HDPE 防滲膜和超高壓角域變速射流注漿工藝為首次在露天煤礦帷幕應用。

圖2 露天煤礦截水帷幕平面Fig.2 Plane sketch of water barrier curtain in the open-pit coal mine

2 圍井試驗方案

受露天煤礦疏降水影響，帷幕區(qū)域的水力梯度為0.012～0.033，地下水流速1.20～5.94 m/d，地下水溫為5℃，且在帷幕構(gòu)建過程中，水力梯度和水流速度不斷增大。因此，受低溫、動水和復雜地質(zhì)條件影響，多工況的帷幕施工過程效果難以預測，亟需進行現(xiàn)場效果檢驗，以評價各工況的應用效果。

2.1 結(jié) 構(gòu)

針對露天煤礦截水帷幕工藝特點，分別構(gòu)建如圖2 所示低強度抗?jié)B混凝土、HDPE 防滲膜和超高壓角域變速射流注漿3 種工藝的4 個帷幕墻圍井。

圖3 低強度抗?jié)B混凝土圍井平面Fig.3 Plane sketch of surrounding well test with low strength impermeable concrete

混凝土圍井在截水帷幕背水側(cè)構(gòu)建長2 m、寬2 m 的低強度抗?jié)B混凝土帷幕圍井，如圖3 所示，墻厚0.8 m、深度53 m，墻底入9 煤底板2 m?；炷敛捎醚邪l(fā)的低強度抗?jié)B混凝土，水膠比值0.68、砂率為45%，1 m3混凝土中水泥180 kg、粉煤灰200 kg、膨潤土20 kg、砂720 kg、石子880 kg、外加劑11.4 kg。低強度抗?jié)B混凝土28 d 抗壓強度達8.1 MPa，滲透系數(shù)達5.3×10-7cm/s。

如圖4 所示的HDPE 防滲膜圍井a(chǎn) 采用原狀砂礫石回填防滲膜與槽壁空隙，在截水帷幕背水側(cè)構(gòu)建長2 m、寬2 m 的圍井，墻厚0.8 m、深度48 m，墻底入9 煤底板2 m。

圖4 原狀砂礫石回填防滲膜圍井平面Fig.4 Plane sketch of surrounding well test with HDPE impermeable film backfilled undisturbed gravel

如圖5 所示，HDPE 防滲膜圍井b 采用防滲材料充填，在截水帷幕迎水側(cè)構(gòu)建長5 m、寬3 m 的圍井，墻厚0.6 m、深度46 m，墻底入9 煤底板2 m。防滲材料采用自主研發(fā)的高摻量粉煤灰防滲材料，水固比0.7︰1.0，水泥︰粉煤灰︰膨潤土︰外加劑=20︰80︰2︰2，28 d 強度達到3.9 MPa，滲透系數(shù)2.4×10-6cm/s；90 d 強度達到4.5 MPa，滲透系數(shù)7.9× 10-7cm/s。

圖5 防滲材料充填防滲膜圍井平面Fig.5 Plane sketch of surrounding well test with HDPE impermeable film backfilled impermeable material

如圖6 所示，超高壓角域變速射流注漿圍井在截水帷幕迎水側(cè)構(gòu)建長2.5 m、寬1 m 的圍井，樁體直徑2 m，超高壓角域變速射流注漿成半圓形，樁與樁搭接0.5 m。

圖6 超高壓角域變速射流注漿圍井平面Fig.6 Plane sketch of surrounding well test with ultra-high pressure angular variable speed jet grouting

2.2 試驗方法

根據(jù)DL/T 5200—2019《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》中圍井法檢查帷幕墻滲透性能的方法，在圍井中心部位鉆孔，下入過濾管，在管內(nèi)進行抽水(或注水)試驗[14]，如圖7 所示。

在透水地層中進行圍井抽水(或注水)試驗，帷幕墻的滲透系數(shù)K按式(1)進行計算。

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；Q為抽水(或注水)量，m3/d；d為帷幕墻平均厚度，m；L為圍井周邊帷幕墻軸線長度，m；H為圍井內(nèi)試驗水位至井底的深度，m；h0為地下水位至井底的深度，m。

圖7 圍井抽水(注水)試驗示意Fig.7 Schematic diagram of pumping(water injection)test for surrounding well test

3 不同圍井抽(注)水試驗

3.1 低強度抗?jié)B混凝土圍井試驗

低強度抗?jié)B混凝土圍井四周均采用低強度抗?jié)B混凝土，塌落度22.5 cm，抗壓強度8～10 MPa，滲透系數(shù)達到5.3×10-7cm/s。

低強度抗?jié)B混凝土圍井初始抽水量為17.33 m3/h，穩(wěn)定抽水量為0.34 m3/h，圍井外水位埋深10.0 m，圍井內(nèi)鉆孔水位降深33.0 m，圍井周邊帷幕墻軸線長度11.2 m。根據(jù)式(1)計算得低強度抗?jié)B混凝土圍井的滲透系數(shù)為8.34×10-7cm/s。

3.2 HDPE 防滲膜圍井試驗

3.2.1 原狀砂礫石回填的HDPE 防滲膜圍井

如圖4 所示，原狀砂礫石回填HDPE 防滲膜圍井長2 m、寬2 m，周邊帷幕墻軸線長度11.2 m。

HDPE 防滲膜圍井迎水面一側(cè)采用HDPE 防滲膜，厚度1.5 mm，抗穿刺，拉伸性能好，抗?jié)B性好，每幅HDPE 防滲膜寬6 m，2 幅HDPE 防滲膜間搭接3 m，采用原狀砂礫石回填槽段，壓密HDPE 防滲膜搭接段。防滲膜圍井背水面3 側(cè)采用低強度抗?jié)B混凝土，塌落度22.5 cm，抗壓強度8～10 MPa，滲透系數(shù)達到5.3×10-7cm/s。

回填原狀砂礫石的防滲膜圍井初始抽水量為16.05 m3/h，穩(wěn)定抽水量為5.47 m3/h，圍井外水位埋深8.4 m，圍井內(nèi)鉆孔水位降深25.58 m，圍井周邊帷幕墻軸線長度11.2 m。根據(jù)式(1)計算得砂礫石原狀土的防滲膜圍井滲透系數(shù)為1.71×10-5cm/s。

3.2.2 防滲材料填充的HDPE 防滲膜圍井

如圖6 所示，防滲材料充填的HDPE 防滲膜圍井長5 m、寬3 m，圍井周邊帷幕墻軸線長度18.4 m。

如圖5 所示，HDPE 防滲膜圍井迎水面一側(cè)采用2 幅4 m 寬的HDPE 防滲膜，每幅HDPE 防滲膜搭接1 m，帷幕軸線每幅HDPE 防滲膜寬8 m，采用防滲材料填充槽段，壓密HDPE 防滲膜搭接段。HDPE 防滲膜圍井左、右兩側(cè)采用4 m 寬的HDPE防滲膜U 型鋪設在槽段內(nèi)，防滲材料充填槽段。HDPE 防滲膜圍井背水面一側(cè)鋪設8 m 寬HDPE 防滲膜，每幅HDPE 防滲膜搭接1 m，防滲材料充填槽段。防滲材料流動度22 cm，強度2.5～4.0 MPa，滲透系數(shù)達到10-6cm/s。

充填防滲材料的HDPE 防滲膜圍井初始抽水量為3.5 m3/h，穩(wěn)定抽水量為0.396 m3/h，圍井外水位埋深8.9 m，圍井孔內(nèi)水位降深25.6 m，圍井周邊帷幕墻軸線長度18.4 m。根據(jù)式(1)計算得充填防滲材料的防滲膜圍井滲透系數(shù)為6.28×10-7cm/s。

3.3 超高壓角域變速射流注漿帷幕圍井試驗

如圖7 所示，超高壓角域變速射流注漿帷幕圍井長2.5 m、寬1 m，圍井周邊帷幕墻軸線長度9.4 m，超高壓角域變速射流注漿樁體直徑2 m，超高壓角域變速射流注漿成半圓形，樁與樁搭接0.5 m，超高壓角域變速射流注漿帷幕墻有效厚度不低于0.6 m、深度25 m，墻底入黏土隔水層1 m。

超高壓角域變速射流注漿帷幕圍井四周均采用MJS 噴射樁徑2.0 m、樁間距1.5 m、樁間搭接0.5 m的半圓形柱體。樁體材料的水灰比1︰1、水泥摻量40%，噴射壓力40 MPa。

超高壓角域變速射流注漿帷幕圍井首先采用2次抽水試驗進行效果檢驗，抽水量由3.5 m3/h 迅速減少，無法持續(xù)抽水，因此，改用注水試驗進行圍井效果檢驗。穩(wěn)定注水量為0.015 m3/h，圍井外水位埋深15.95 m，圍井內(nèi)鉆孔水位埋深12.5 m，圍井周邊帷幕墻軸線長度9.4 m。根據(jù)式(1)計算得超高壓角域射流注漿帷幕圍井滲透系數(shù)為7.85×10-7cm/s。

3.4 圍井試驗結(jié)果分析

根據(jù)4 個帷幕圍井試驗結(jié)果(表1)可知，滲透系數(shù)最大相差2 個數(shù)量級。由表1 可知，低強度抗?jié)B混凝土圍井的抗?jié)B性能較好，滲透系數(shù)為8.34×10-7cm/s，是低強度抗?jié)B混凝土室內(nèi)實驗滲透系數(shù)5.30×10-7cm/s 的1.57 倍。初步分析，圍井滲透系數(shù)較原材料降低的原因為每段低強度抗?jié)B混凝土墻的搭接質(zhì)量較差，墻體不完整，降低了整體抗?jié)B性能。同時，低強度抗?jié)B混凝土材料成本較高，施工現(xiàn)場原料無法滿足露天煤礦帷幕大規(guī)模應用需求。

表1 帷幕墻圍井抽水(注水)試驗結(jié)果Table 1 Results of pumping(water injection) test of surrounding well of the curtain wall

為降低材料成本，提高帷幕抗?jié)B性能，現(xiàn)場進行了HDPE 防滲膜垂向疊覆鋪設與砂礫石原狀土或防滲材料結(jié)合的方案試驗。由表1 可見，防滲效果最差的為HDPE 防滲膜與砂礫石原狀土結(jié)合的帷幕，滲透系數(shù)為1.71×10-5cm/s，表明每幅HDPE 防滲膜之間搭接3 m，槽段內(nèi)回填砂礫石原狀土的截水效果較差。施工過程中根據(jù)圍井試驗結(jié)果，將HDPE 防滲膜與砂礫石原狀土結(jié)合的帷幕方案調(diào)整為HDPE 防滲膜與防滲材料結(jié)合的帷幕方案。由表1可知，方案調(diào)整后的HDPE 防滲膜與防滲材料結(jié)合的帷幕防滲效果最好，滲透系數(shù)達到6.28×10-7cm/s，較防滲材料的滲透系數(shù)2.4×10-6cm/s降低1個數(shù)量級，防滲膜提高了復合防滲材料的抗?jié)B性能，同時，防滲材料彌補了每幅HDPE 防滲膜搭接的縫隙，實現(xiàn)了強強聯(lián)合，提高了帷幕防滲性能，降低了材料成本，提升了施工效率。

在地埋光纜、國道、高壓線纜附近采用超高壓角域變速射流注漿方案，由現(xiàn)場圍井試驗可知，擺噴帷幕圍井周邊的帷幕軸線長度較短，圍井體積較小，抽水試驗無法正常開展，注水試驗表明其抗?jié)B效果很好，滲透系數(shù)7.85×10-7cm/s，但擺噴帷幕的施工效率低、材料成本高，僅適用于雙輪銑、液壓抓斗等設備無法施工的特殊場地。

4 截水帷幕效果

截至2019 年10 月，研究區(qū)露天煤礦完成了如圖2 所示的地下混凝土連續(xù)墻、防滲膜、超高壓角域變速射流注漿、咬合樁4 種工藝構(gòu)建的截水帷幕。

根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中滲透系數(shù)K值分類[19](表2)可知，充填防滲材料的防滲膜截水帷幕、超高壓角域變速射流注漿截水帷幕、低強度抗?jié)B混凝土連續(xù)墻的滲透系數(shù)均達到10-7cm/s，截水帷幕的滲透性級別為極微透水；經(jīng)過現(xiàn)場施工過程中各工況的圍井試驗檢驗，地下混凝土連續(xù)墻、防滲膜(防滲材料)、超高壓角域變速射流注漿的帷幕墻抗?jié)B性與設計參數(shù)基本吻合，滿足露天煤礦截水要求。

表2 透水性按滲透系數(shù)K 的分類Table 2 Permeability classification by the permeability coefficient K

通過4 種工藝截水帷幕的多處鉆孔取心資料可以看出(圖8)，深厚砂卵石層低溫、動水條件下的低強度抗?jié)B混凝土、防滲膜結(jié)合防滲材料、超高壓角域變速射流注漿、咬合樁均取心率高，RQD 達到92%以上，巖心連續(xù)、完整、密實。

圖8 截水帷幕巖心Fig.8 The cores of the cutoff curtain

研究區(qū)露天煤礦的5 815 m 帷幕墻構(gòu)筑完成后，礦坑疏排水量較帷幕建造前大幅度減少[20]，露天煤礦水資源得到保護，同時帷幕墻外水位逐漸抬升，墻體內(nèi)外兩側(cè)的水位差進一步拉大，確保了草原區(qū)生產(chǎn)生活用水，礦區(qū)周邊水資源和生態(tài)環(huán)境得到有效保護。

5 結(jié)論

a.圍井試驗表明，在露天煤礦深厚砂卵石層動水、低溫條件下，低強度抗?jié)B混凝土帷幕、HDPE防滲膜垂向疊覆鋪設結(jié)合防滲材料帷幕、超高壓角域變速射流注漿帷幕均具有良好的截水效果，滲透系數(shù)達到10-7cm/s，抗?jié)B性能良好。

b.將HDPE 防滲膜與砂礫石原狀土回填的帷幕方案調(diào)整為HDPE 防滲膜與防滲材料充填的方案，圍井滲透系數(shù)降低2 個數(shù)量級，達到6.28×10-7cm/s，抗?jié)B性能提高，且材料成本較低強度抗?jié)B混凝土大幅降低。

c.露天煤礦截水帷幕建造前或建造過程中，采用圍井試驗可及時、準確地檢驗防滲材料及帷幕的截水效果，反映截水帷幕建造質(zhì)量，指導截水帷幕材料和工藝的改進和優(yōu)化。

d.在低強度抗?jié)B混凝土帷幕、HDPE 防滲膜垂向疊覆鋪設結(jié)合防滲材料帷幕、超高壓角域變速射流注漿帷幕和咬合樁帷幕的共同作用下，露天煤礦疏排水量較帷幕建造前大幅度減少，露天煤礦水資源和礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境得到了有效保護。

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