深厚砂卵石層低溫動水條件下咬合樁帷幕材料研發

彭 巍，王 海，王仲全，卜桂玲

(1.國家能源集團大雁公司，內蒙古 呼倫貝爾 021122；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.呼倫貝爾學院，內蒙古 呼倫貝爾 021122)

我國煤炭資源露天開采的比重從2000 年的4%增加到目前的17%左右，煤炭產量達7.6 億t/a，采用疏排降水方法進行礦坑水疏降或疏干，導致礦區周圍地下水下降迅速、植被枯死、井泉干涸、土地荒漠化等生態環境問題[1-6]。在煤礦復雜水文地質條件下采用快速封堵及動水注漿可形成阻水帷幕，有效封堵頂底板、巷道和斷層等過水通道[7-9]。阻水帷幕是礦區針對強富水、強補給含水層地下水保護性開采與露天礦減少疏排水量的有效手段[10-13]。在架空高壓線、地埋管線等無法使用大型機具構建帷幕的區域，適宜采用鉆孔咬合樁帷幕方案。咬合樁適用于不同地質條件，具有地層擾動小、抗滲能力強、造價低、施工速度快等優點[14-16]。傳統咬合樁采用超緩凝素混凝土灌注，材料成本偏高、灌注工藝復雜。低溫、動水條件下咬合樁材料凝結緩慢、早期強度極低、成樁困難、抗滲性能差，無法滿足帷幕阻水要求[14-16]。為解決咬合樁材料成本高、低溫動水條件下凝結時間長、強度低、抗滲性差的問題，亟需開展針對露天煤礦深厚砂卵石層低溫動水條件下咬合樁材料的研究，研發一種成本低、凝結時間適宜、強度高、抗滲性好的咬合樁材料。

1 工程概況

研究區露天煤礦位于內蒙古呼倫貝爾大草原，礦區海拔標高+626～+687 m，設計生產能力6.0 Mt/a，主要開采9 煤，采用疏干井強排疏降地下水。目前采坑疏干井37 口，坑下水位維持在+505 m，繼續疏降非常困難。

1.1 露天礦地下水補徑排條件

露天礦區地勢南高北低，南部為低山丘陵區，地表被草原植被覆蓋，地貌單元屬沖擊平原[1]。研究區地處溫帶北部，冬季寒冷漫長，夏季溫涼短促。全年氣溫冬冷夏暖，溫度降差大，年平均氣溫在0℃以下，研究區地下水溫度常年保持在5 ℃左右。

如圖1 所示，地表腐殖土厚約0.5 m，腐殖土下為細砂層，厚3.5～6.5 m，下伏的砂卵石層滲透性好，粒徑1～5 cm，次圓狀，分選好，含少量細砂，滲透系數達80～180 m/d。

露天煤礦開采前，受地勢南高北低影響，自然狀態下地下水徑流方向由南向北。2013 年，受礦坑疏排水影響，地下水徑流方向變為向東北、北向疏降中心徑流，疏降中心形成疏降漏斗[1]。

礦坑疏排水量主要由露天煤礦北側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補給組成，動態補給量約占疏排水總量的82%以上。

圖1 露天煤礦地層結構示意Fig.1 Schematic diagram of strata structure in the open-pit coal mine

1.2 阻水帷幕方案

礦坑疏排降水影響露天煤礦正常生產與接續、破壞周邊草原生態環境、造成水資源浪費，為減少露天煤礦礦坑疏排水量、保護草原水資源和生態環境，擬采用阻水帷幕替代傳統的露天煤礦疏排降水方案。

如圖2 所示，帷幕全長5 815 m，帷幕墻厚0.6～0.8 m，深度21～56 m，分別采用低強度抗滲混凝土帷幕、充填防滲材料的HDPE 防滲膜帷幕、超高壓角域變速射流注漿帷幕、咬合樁帷幕工藝。

2 咬合樁帷幕工藝

2.1 施工工藝

咬合樁是相鄰混凝土排樁間部分圓周相嵌，使之形成具有良好防滲作用的整體連續擋土圍護結構。傳統咬合樁的排列方式為一條不配筋并采用超緩凝素混凝土樁和一條鋼筋混凝土樁間隔布置[17-18]。

如圖2 所示，受復雜地層條件、架空高壓線纜、排水管道等影響，帷幕全線有4 處需采用咬合樁工藝構建帷幕，全長372.5 m，咬合樁帷幕各段分別長328.3、9.5、14、20.7 m。露天煤礦咬合樁帷幕構建時，低強度抗滲混凝土與HDPE 防滲的阻水帷幕已建造完成1 900 m 左右，咬合樁帷幕區域的水力梯度增大為0.012～0.033，地下水流速達到1.20～5.94 m/d，且水力梯度和水流速度不斷增大。在低溫、動水條件下，咬合樁易塌孔、成孔困難、樁體凝結時間長、強度低、抗滲性差。

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

如圖3 所示，設計咬合樁樁徑1 m，樁與樁之間咬合搭接0.3 m，采用旋挖鉆機施工。受低溫和動水條件影響，咬合樁材料凝結時間長、受動水擾動大，若采用二序施工，在砂卵石層中施工樁孔時將對臨近咬合樁樁體產生進一步的擾動，破壞樁體完整性。為增大樁體施工間隔、減小樁體之間的相互影響、提高樁體完整性，咬合樁帷幕采用三序施工，先施工一序樁孔Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3，灌注咬合樁防滲材料；再施工二序樁Ⅱ-1、Ⅱ-2，灌注咬合樁防滲材料；最后施工三序樁Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3、Ⅲ-4 咬合一序和二序樁，灌注咬合樁防滲材料。

圖3 咬合樁帷幕平面示意Fig.3 Plane sketch of occluded pile curtain

2.2 防滲材料要求

受場地架空線纜和排水管線限制，采用導管法澆筑的超緩凝素混凝土無法正常澆筑。為降低防滲材料成本、克服場地架空線纜和排水管線導致材料澆筑困難、解決低溫動水條件下咬合樁樁體凝結時間長、強度低、抗滲性差的問題，擬利用煤電基地固廢材料替代傳統的超緩凝素混凝土作為咬合樁帷幕材料，提高咬合樁材料性能，降低造價，實現露天煤礦綠色環保截水。

根據施工現場5℃地下水溫、動水條件和咬合樁施工工藝要求，咬合樁帷幕材料凝結時間不低于60 h、不大于120 h(低溫環境下)。為方便三序咬合樁施工，要求咬合樁樁體早期強度較低，后期強度高，抗滲性好，3 d 強度不大于1.2 MPa，90 d 強度不低于10.0 MPa，滲透系數不大于10-7cm/s；為便于咬合樁材料輸送及帷幕灌注，咬合樁帷幕材料的結石率不低于94%，流動度不小于22 cm。

3 咬合樁帷幕材料性能

咬合樁帷幕材料擬采用粉煤灰-水泥混合防滲材料，主要原材料有：P?O42.5 普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、粉煤灰活性激發劑及飲用水，其中水泥比表面積為350 m2/kg，3 d 和28 d 抗壓強度分別為22.8 MPa 和49.9 MPa，抗折強度分別為4.0 MPa和 8.4 MPa；粉煤灰為當地電廠Ⅱ級灰，需水量81%，燒失量4.3%，SiO2質量分數為63%，Al2O3質量分數為19.7%，活性指數75%，其他參數見表1。

表1 粉煤灰主要化學成分Table 1 The main chemical components of fly ash

3.1 咬合樁防滲材料配比

為滿足咬合樁防滲材料性能要求，初步進行粉煤灰摻量(質量占比)50%、60%、70%、80%共4 種配比的室內配合比加速養護實驗，經過經濟、技術對比分析，確定粉煤灰摻量60%、水泥摻量40%的防滲材料配比。

在此基礎上，研究粉煤灰、水泥質量比為6︰4、水灰比分別為0.6︰1.0、0.7︰1.0、0.8︰1.0、0.9︰1.0這4 種工況下的防滲材料結石率與流動度，結果如圖4 所示。結果表明，結石率與水灰比呈負相關關系[16-17]，水灰比0.6︰1.0、0.7︰1.0、0.8︰1.0、0.9︰1.0的防滲材料結石率分別為96.1%、94.6%、93%、91%。

圖4 咬合樁帷幕材料結石率Fig.4 Stone rate of occluded pile curtain material

防滲材料流動度與水灰比呈正相關關系，水灰比0.6︰1.0、0.7︰1.0、0.8︰1.0、0.9︰1.0 的防滲材料流動度分別為18、23、28、34 cm。

綜合結石率和流動度參數，咬合樁帷幕材料水灰比0.7︰1.0 較佳，結石率為94.6%，流動度為23 cm，滿足泵送和灌注要求。

最終確定防滲材料的配比為水灰比0.7︰1.0、粉煤灰摻量60%、水泥摻量40%，為克服地下水低溫和動水條件影響，優選并添加適量的粉煤灰活性激發劑，所配制的咬合樁帷幕材料成本僅為當地防滲混凝土的60%左右。

3.2 凝結時間

進行5℃低溫環境下防滲材料的初凝、終凝時間測試，篩選并摻加A、B、C、D、E、F 共6 種粉煤灰激發劑，對比分析粉煤灰激發劑對防滲材料凝結時間的影響。

防滲材料裝模后放入恒溫恒濕箱中養護，溫度5℃，濕度90%，養護到維卡儀初凝試針沉至距離底板4 mm±1 mm 時所需時間為咬合樁帷幕材料初凝時間[19-21]。咬合樁帷幕材料初凝后，將試模連同漿體以平移的方式從玻璃板取下翻轉180°，直徑大端向上、小端向下放在玻璃板上，放入恒溫箱中繼續養護，維卡儀終凝試針沉入試體0.5 mm、環形附件在試體上無痕跡時，達到終凝狀態。

如圖5 所示，無粉煤灰激發劑時，防滲材料初凝時間162.5 h，終凝時間168 h。從經濟角度考慮，粉煤灰激發劑摻量選擇5%以內進行對比分析。防滲材料初凝時間、終凝時間與粉煤灰激發劑A、B、D、E 摻量呈負相關關系，最多可縮短初凝時間67.5 h、終凝時間72 h。防滲材料初凝時間、終凝時間隨著粉煤灰激發劑C、F 摻量先減小、后略增大，最多可縮短初凝時間81.5 h、終凝時間80.5 h。

圖5 不同激發劑參與下咬合樁帷幕材料凝結時間Fig.5 Setting time of occluded pile curtain material with different exciting agents

由表2 可知，在環境溫度為5℃時，無激發劑和摻加了激發劑質量分數2%A、2%B、2%C、5%D、2%E、3%F 的同配比防滲材料初凝時間為20℃環境溫度的3.46、3.31、3.06、3.18、3.79、3.4、2.36 倍，終凝時間為20℃環境溫度的3.40、2.93、2.93、3.14、3.62、3.47、2.29 倍。由此可見，環境溫度對防滲材料凝結時間影響極大，低溫環境下需摻加粉煤灰激發劑縮短防滲材料凝結時間。

表2 不同環境溫度下的凝結時間對比Table 2 Comparison of setting time under different environmental temperature

經對比、分析得出，粉煤灰激發劑B 摻量3%時效果最好，但激發劑B 的成本是激發劑A 的3 倍，效果僅提高20%左右，因此，選擇激發劑A，摻量為2%。激發劑A 2%摻量時，防滲材料凝結時間得到顯著縮短，經濟、高效、合理，在溫度5℃、濕度90%條件下，可縮短防滲材料初凝時間59 h、終凝時間63 h。

3.3 單軸抗壓強度

按照水灰比0.7︰1.0、粉煤灰摻量60%、水泥摻量40%、粉煤灰激發劑A 摻量2%的材料配比制備70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的抗壓試樣，1 d 脫模，將抗壓試樣放置在YH-90B 型標準養護箱中養護，養護溫度20℃，濕度95%。按照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》要求進行無側限單軸抗壓強度試驗[22]。

由3、7、14、28、60、90 d 的無側限單軸抗壓強度結果可知(圖6)，防滲材料的強度與養護時間呈正相關關系，摻加2%激發劑A 的防滲材料較無激發劑的強度提高39.7%～90.0%，粉煤灰激發劑對防滲材料強度的正向促進作用明顯。防滲材料的早期強度較低，3 d 時僅0.75 MPa，摻加2%激發劑A 的強度提高41.3%，達到1.06 MPa，較低的樁體強度便于三序咬合樁咬合施工。防滲材料的后期強度較高，90 d 時達到8.34 MPa，摻加2%激發劑A 的強度提高39.7%，達到11.65 MPa。

圖6 咬合樁帷幕材料單軸抗壓強度Fig.6 Uniaxial compressive strength of occluded pile curtain material

3.4 抗滲性能

按照水灰比0.7︰1.0、粉煤灰摻量60%、水泥摻量40%、粉煤灰激發劑A 摻量2%的材料配比制備上口直徑70 mm、下口直徑80 mm、高30 mm 的截頭圓錐形抗滲試樣，1 d 脫模，將圓錐形抗滲試樣放置在 YH-90B 型標準養護箱中養護，養護溫度20℃，濕度95%。按照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》要求進行抗滲試驗[22]，并計算出滲透系數，見表3。

表3 咬合樁帷幕材料滲透系數Table 3 Permeability coefficient of occluded pile curtain material

由表3 可知，進行了28 d、60 d、90 d 的防滲材料抗滲試驗。防滲材料的滲透系數與養護時間呈負相關關系，摻加2%激發劑A 的咬合樁帷幕材料較無激發劑的滲透系數分別降低84.1%、82.3%、73.6%，粉煤灰激發劑對防滲材料的抗滲性具有明顯的正向促進作用，90 d 的防滲材料滲透系數達到8.61×10-8cm/s。

3.5 微觀結構

防滲材料的致密性與養護時間呈正相關關系，90 d 的防滲材料微觀結構較28 d 的更加致密(圖7)。隨著養護時間的增長，防滲材料的粉煤灰水化反應參與度增高，粉煤灰顆粒周圍的水化產物增多，顆粒間的空隙進一步縮小，防滲材料的單軸抗壓強度進一步提高，滲透系數進一步減小。

圖7 咬合樁帷幕材料SEM 微觀結構Fig.7 SEM microstructure of occluded pile curtain material

綜合試驗結果可以看出，水灰比0.7︰1.0、粉煤灰摻量60%、水泥摻量40%、激發劑A 摻量2%的防滲材料的凝結時間、結石率、流動度、強度、滲透系數均滿足要求，可作為咬合樁帷幕材料使用。

4 咬合樁阻水帷幕效果

截至2019 年10 月，露天煤礦完成了架空高壓線纜、排水管道等4 處咬合樁帷幕372.5 m 的施工(圖2)。

在4 段咬合樁帷幕墻體分別鉆孔取心檢驗咬合樁樁身完整性、樁與樁咬合位置連續性。如圖8 所示，通過施工的多處鉆孔取心資料可以看出，深厚砂卵石層低溫動水條件下的咬合樁、咬合樁搭接段取心率高，RQD 達到92%，巖心連續、完整、密實。經試驗檢測，咬合樁帷幕巖心強度和抗滲性與設計參數吻合，滿足露天煤礦阻水要求。

圖8 咬合樁帷幕取心效果Fig.8 Cores of the occluded pile curtain

截至2019 年10 月，5 815 m 帷幕墻構筑完成，研究區露天煤礦疏排水量大幅度減少，露天煤礦水資源得到保護，帷幕墻外水位由617.94 m 逐漸抬升至620.46 m，墻內水位由617.55 m 下降至611.04 m，墻體內外兩側的水位差進一步拉大至9.42 m，墻外水位埋深減小至6～7 m。有關研究表明，草原植被的歸一化植被指數在地下水位埋深0～1 m 時最高；地下水位埋深在2～6 m 時，隨著地下水位埋深的增大，草原植被歸一化植被指數波動不明顯；當地下水位埋深超過6 m 時，草原植被歸一化植被指數呈下降趨勢[23]。露天煤礦阻水帷幕的實施將帷幕外側地下水位埋深由9 m 抬升至6.5 m 左右，草原水位抬升有利于農牧灌溉，礦區周邊生態環境得到有效保護。

5 結論

a.深厚砂卵石層低溫、動水條件下的咬合樁帷幕材料配比為水灰比0.7︰1.0、粉煤灰摻量60%、水泥摻量40%、粉煤灰激發劑摻量2%；在粉煤灰激發劑的作用下，低溫環境下初凝時間縮短59 h，標養條件下28 d強度提高61%，90 d 滲透系數達8.61×10-8cm/s。

b.將傳統咬合樁的二序施工調整為三序施工，減少砂卵石層樁間干擾，提高施工效率；在咬合樁帷幕中采用粉煤灰防滲材料替代傳統的超緩凝混凝土，合理利用了煤電基地的固廢材料，降低了咬合樁帷幕材料的成本，實現了煤電固廢無害化資源化利用。

c.粉煤灰激發劑對咬合樁帷幕材料的凝結時間、強度、抗滲性具有明顯的正向促進作用，咬合樁帷幕材料微觀結構更加致密，但其對粉煤灰基注漿材料的耐久性、耐候性有待進一步研究。

d.咬合樁搭接段巖心連續、完整，應用效果良好，露天煤礦疏排水量較帷幕建造前大幅度減少，水資源得到了有效保護，研制的低溫、動水條件下帷幕材料在煤炭基地阻水帷幕、注漿工程中具有推廣意義。

請聽作者語音介紹創新技術成果等信息，歡迎與作者進行交流

OSID 碼