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重點實驗室，陜西 西安 710077；3.國家能源集團大雁公司，內蒙古 呼倫貝爾 021122；4.呼倫貝爾學院，內蒙古 呼倫貝爾 021122)

2018 年，我國露天煤礦產量達7.59 億，占煤炭總產量的16.6%[1]。露天煤礦大多位于強富水強補給的砂卵石層區域，地層滲透系數大，受地表河流側向補給。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、土地荒漠化等生態環境問題[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出來，等待時間長，施工過程中無法驗證帷幕效果。在施工現場往往采用室內實驗、現場取樣來檢測，檢測效果具有一定的局限性。施工過程中通過受注介質變化和帷幕內外水文地質單元差異[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，在其一側用同樣的方法構筑封閉形井狀結構物[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

露天煤礦位于內蒙古呼倫貝爾大草原，礦區海拔標高+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，繼續疏降非常困難，擬采用截水帷幕替代傳統的露天煤礦疏排降水方案。

1.1 地層條件

研究區總體地勢南高北低，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]。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核及少量砂粒、小礫石。黏土密度為 1.72～2.05 g/cm3，內摩擦角18°～23°，黏聚力17～25 kPa，隔水性能較好。

淺部泥巖質軟、具塑性、強度低，中深部較堅實、具硬塑、強度增高。泥巖層理、節理和微裂隙比較發育，裂隙面光滑，密度為1.86～2.18 g/cm3，內摩擦角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、木質結構、性脆。在地應力的作用下產生了縱橫交錯的裂隙，煤的節理和層理發育，煤心多呈短柱狀、碎塊或片狀，煤層為主要儲水介質，斷層又為地下水的運動和儲存提供條件。

圖1 露天煤礦地層結構示意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、粉砂質泥巖、碳質泥巖、(含礫)黏土等為穩定隔水層，由于黏土、泥巖等隔水巖層沉積不均一，局部缺失區構成含水層水向煤層直接滲透的天窗區。

1.2 截水帷幕方案

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、實現礦坑安全生產、保護草原水資源和生態環境。

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墻、防滲膜、超高壓角域變速射流注漿、咬合樁4 種工藝構建帷幕，其中，低強度抗滲混凝土地下連續墻、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，亟需進行現場效果檢驗，以評價各工況的應用效果。

2.1 結 構

針對露天煤礦截水帷幕工藝特點，分別構建如圖2 所示低強度抗滲混凝土、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 低強度抗滲混凝土圍井平面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構建長2 m、寬2 m 的低強度抗滲混凝土帷幕圍井，如圖3 所示，墻厚0.8 m、深度53 m，墻底入9 煤底板2 m。混凝土采用研發的低強度抗滲混凝土，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。低強度抗滲混凝土28 d 抗壓強度達8.1 MPa，滲透系數達5.3×10-7cm/s。

如圖4 所示的HDPE 防滲膜圍井a 采用原狀砂礫石回填防滲膜與槽壁空隙，在截水帷幕背水側構建長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，在截水帷幕迎水側構建長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2.4×10-6cm/s；90 d 強度達到4.5 MPa，滲透系數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構建長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DL/T 5200—2019《水電水利工程高壓噴射灌漿技術規范》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K按式(1)進行計算。

式中：K為滲透系數，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 低強度抗滲混凝土圍井試驗

低強度抗滲混凝土圍井四周均采用低強度抗滲混凝土，塌落度22.5 cm，抗壓強度8～10 MPa，滲透系數達到5.3×10-7cm/s。

低強度抗滲混凝土圍井初始抽水量為17.33 m3/h，穩定抽水量為0.34 m3/h，圍井外水位埋深10.0 m，圍井內鉆孔水位降深33.0 m，圍井周邊帷幕墻軸線長度11.2 m。根據式(1)計算得低強度抗滲混凝土圍井的滲透系數為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采用HDPE 防滲膜，厚度1.5 mm，抗穿刺，拉伸性能好，抗滲性好，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 側采用低強度抗滲混凝土，塌落度22.5 cm，抗壓強度8～10 MPa，滲透系數達到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，穩定抽水量為5.47 m3/h，圍井外水位埋深8.4 m，圍井內鉆孔水位降深25.58 m，圍井周邊帷幕墻軸線長度11.2 m。根據式(1)計算得砂礫石原狀土的防滲膜圍井滲透系數為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、右兩側采用4 m 寬的HDPE防滲膜U 型鋪設在槽段內，防滲材料充填槽段。HDPE 防滲膜圍井背水面一側鋪設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，穩定抽水量為0.396 m3/h，圍井外水位埋深8.9 m，圍井孔內水位降深25.6 m，圍井周邊帷幕墻軸線長度18.4 m。根據式(1)計算得充填防滲材料的防滲膜圍井滲透系數為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，無法持續抽水，因此，改用注水試驗進行圍井效果檢驗。穩定注水量為0.015 m3/h，圍井外水位埋深15.95 m，圍井內鉆孔水位埋深12.5 m，圍井周邊帷幕墻軸線長度9.4 m。根據式(1)計算得超高壓角域射流注漿帷幕圍井滲透系數為7.85×10-7cm/s。

3.4 圍井試驗結果分析

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

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

為降低材料成本，提高帷幕抗滲性能，現場進行了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合的帷幕，滲透系數為1.71×10-5cm/s，表明每幅HDPE 防滲膜之間搭接3 m，槽段內回填砂礫石原狀土的截水效果較差。施工過程中根據圍井試驗結果，將HDPE 防滲膜與砂礫石原狀土結合的帷幕方案調整為HDPE 防滲膜與防滲材料結合的帷幕方案。由表1可知，方案調整后的HDPE 防滲膜與防滲材料結合的帷幕防滲效果最好，滲透系數達到6.28×10-7cm/s，較防滲材料的滲透系數2.4×10-6cm/s降低1個數量級，防滲膜提高了復合防滲材料的抗滲性能，同時，防滲材料彌補了每幅HDPE 防滲膜搭接的縫隙，實現了強強聯合，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，注水試驗表明其抗滲效果很好，滲透系數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，研究區露天煤礦完成了如圖2 所示的地下混凝土連續墻、防滲膜、超高壓角域變速射流注漿、咬合樁4 種工藝構建的截水帷幕。

根據GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》中滲透系數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、低強度抗滲混凝土連續墻的滲透系數均達到10-7cm/s，截水帷幕的滲透性級別為極微透水；經過現場施工過程中各工況的圍井試驗檢驗，地下混凝土連續墻、防滲膜(防滲材料)、超高壓角域變速射流注漿的帷幕墻抗滲性與設計參數基本吻合，滿足露天煤礦截水要求。

表2 透水性按滲透系數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滲混凝土、防滲膜結合防滲材料、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、完整、密實。

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

研究區露天煤礦的5 815 m 帷幕墻構筑完成后，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，墻體內外兩側的水位差進一步拉大，確保了草原區生產生活用水，礦區周邊水資源和生態環境得到有效保護。

5 結論

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，低強度抗滲混凝土帷幕、HDPE防滲膜垂向疊覆鋪設結合防滲材料帷幕、超高壓角域變速射流注漿帷幕均具有良好的截水效果，滲透系數達到10-7cm/s，抗滲性能良好。

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

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量，指導截水帷幕材料和工藝的改進和優化。

d.在低強度抗滲混凝土帷幕、HDPE 防滲膜垂向疊覆鋪設結合防滲材料帷幕、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周邊生態環境得到了有效保護。

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