彭 巍，王 海，王仲全，卜桂玲

(1.國家能源集團(tuán)大雁公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021122；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.呼倫貝爾學(xué)院，內(nèi)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(chǎn)量達(dá)7.6 億t/a，采用疏排降水方法進(jìn)行礦坑水疏降或疏干，導(dǎo)致礦區(qū)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(tài)環(huán)境問題[1-6]。在煤礦復(fù)雜水文地質(zhì)條件下采用快速封堵及動(dòng)水注漿可形成阻水帷幕，有效封堵頂?shù)装?、巷道和斷層等過水通道[7-9]。阻水帷幕是礦區(qū)針對強(qiáng)富水、強(qiáng)補(bǔ)給含水層地下水保護(hù)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(jī)具構(gòu)建帷幕的區(qū)域，適宜采用鉆孔咬合樁帷幕方案。咬合樁適用于不同地質(zhì)條件，具有地層擾動(dòng)小、抗?jié)B能力強(qiáng)、造價(jià)低、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)[14-16]。傳統(tǒng)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(fù)雜。低溫、動(dòng)水條件下咬合樁材料凝結(jié)緩慢、早期強(qiáng)度極低、成樁困難、抗?jié)B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(dòng)水條件下凝結(jié)時(shí)間長、強(qiáng)度低、抗?jié)B性差的問題，亟需開展針對露天煤礦深厚砂卵石層低溫動(dòng)水條件下咬合樁材料的研究，研發(fā)一種成本低、凝結(jié)時(shí)間適宜、強(qiáng)度高、抗?jié)B性好的咬合樁材料。

1 工程概況

研究區(qū)露天煤礦位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾大草原，礦區(qū)海拔標(biāo)高+626～+687 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6.0 Mt/a，主要開采9 煤，采用疏干井強(qiáng)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(xù)疏降非常困難。

1.1 露天礦地下水補(bǔ)徑排條件

露天礦區(qū)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?zèng)_擊平原[1]。研究區(qū)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(qū)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(xì)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(xì)砂，滲透系數(shù)達(dá)80～180 m/d。

露天煤礦開采前，受地勢南高北低影響，自然狀態(tài)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?yōu)橄驏|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(cè)海拉爾河河水通過第四系強(qiáng)滲透砂卵石層沿煤層隱伏露頭動(dòng)態(tài)補(bǔ)給組成，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量約占疏排水總量的82%以上。

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 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(chǎn)與接續(xù)、破壞周邊草原生態(tài)環(huán)境、造成水資源浪費(fèi)，為減少露天煤礦礦坑疏排水量、保護(hù)草原水資源和生態(tài)環(huán)境，擬采用阻水帷幕替代傳統(tǒng)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(qiáng)度抗?jié)B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(xù)擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)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(fù)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(gòu)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(gòu)建時(shí)，低強(qiáng)度抗?jié)B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(qū)域的水力梯度增大為0.012～0.033，地下水流速達(dá)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(dòng)水條件下，咬合樁易塌孔、成孔困難、樁體凝結(jié)時(shí)間長、強(qiáng)度低、抗?jié)B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(shè)計(jì)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(jī)施工。受低溫和動(dòng)水條件影響，咬合樁材料凝結(jié)時(shí)間長、受動(dòng)水?dāng)_動(dòng)大，若采用二序施工，在砂卵石層中施工樁孔時(shí)將對臨近咬合樁樁體產(chǎn)生進(jìn)一步的擾動(dòng)，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(dǎo)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(dǎo)致材料澆筑困難、解決低溫動(dòng)水條件下咬合樁樁體凝結(jié)時(shí)間長、強(qiáng)度低、抗?jié)B性差的問題，擬利用煤電基地固廢材料替代傳統(tǒng)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(jià)，實(shí)現(xiàn)露天煤礦綠色環(huán)保截水。

根據(jù)施工現(xiàn)場5℃地下水溫、動(dòng)水條件和咬合樁施工工藝要求，咬合樁帷幕材料凝結(jié)時(shí)間不低于60 h、不大于120 h(低溫環(huán)境下)。為方便三序咬合樁施工，要求咬合樁樁體早期強(qiáng)度較低，后期強(qiáng)度高，抗?jié)B性好，3 d 強(qiáng)度不大于1.2 MPa，90 d 強(qiáng)度不低于10.0 MPa，滲透系數(shù)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(jié)石率不低于94%，流動(dòng)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(fā)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(qiáng)度分別為22.8 MPa 和49.9 MPa，抗折強(qiáng)度分別為4.0 MPa和 8.4 MPa；粉煤灰為當(dāng)?shù)仉姀SⅡ級灰，需水量81%，燒失量4.3%，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.7%，活性指數(shù)75%，其他參數(shù)見表1。

表1 粉煤灰主要化學(xué)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(jìn)行粉煤灰摻量(質(zhì)量占比)50%、60%、70%、80%共4 種配比的室內(nèi)配合比加速養(yǎng)護(hù)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)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(chǔ)上，研究粉煤灰、水泥質(zhì)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(jié)石率與流動(dòng)度，結(jié)果如圖4 所示。結(jié)果表明，結(jié)石率與水灰比呈負(fù)相關(guān)關(guān)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(jié)石率分別為96.1%、94.6%、93%、91%。

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

防滲材料流動(dòng)度與水灰比呈正相關(guān)關(guān)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(dòng)度分別為18、23、28、34 cm。

綜合結(jié)石率和流動(dòng)度參數(shù)，咬合樁帷幕材料水灰比0.7︰1.0 較佳，結(jié)石率為94.6%，流動(dòng)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(dòng)水條件影響，優(yōu)選并添加適量的粉煤灰活性激發(fā)劑，所配制的咬合樁帷幕材料成本僅為當(dāng)?shù)胤罎B混凝土的60%左右。

3.2 凝結(jié)時(shí)間

進(jìn)行5℃低溫環(huán)境下防滲材料的初凝、終凝時(shí)間測試，篩選并摻加A、B、C、D、E、F 共6 種粉煤灰激發(fā)劑，對比分析粉煤灰激發(fā)劑對防滲材料凝結(jié)時(shí)間的影響。

防滲材料裝模后放入恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)，溫度5℃，濕度90%，養(yǎng)護(hù)到維卡儀初凝試針沉至距離底板4 mm±1 mm 時(shí)所需時(shí)間為咬合樁帷幕材料初凝時(shí)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(zhuǎn)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(xù)養(yǎng)護(hù)，維卡儀終凝試針沉入試體0.5 mm、環(huán)形附件在試體上無痕跡時(shí)，達(dá)到終凝狀態(tài)。

如圖5 所示，無粉煤灰激發(fā)劑時(shí)，防滲材料初凝時(shí)間162.5 h，終凝時(shí)間168 h。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，粉煤灰激發(fā)劑摻量選擇5%以內(nèi)進(jìn)行對比分析。防滲材料初凝時(shí)間、終凝時(shí)間與粉煤灰激發(fā)劑A、B、D、E 摻量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，最多可縮短初凝時(shí)間67.5 h、終凝時(shí)間72 h。防滲材料初凝時(shí)間、終凝時(shí)間隨著粉煤灰激發(fā)劑C、F 摻量先減小、后略增大，最多可縮短初凝時(shí)間81.5 h、終凝時(shí)間80.5 h。

圖5 不同激發(fā)劑參與下咬合樁帷幕材料凝結(jié)時(shí)間Fig.5 Setting time of occluded pile curtain material with different exciting agents

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

表2 不同環(huán)境溫度下的凝結(jié)時(shí)間對比Table 2 Comparison of setting time under different environmental temperature

經(jīng)對比、分析得出，粉煤灰激發(fā)劑B 摻量3%時(shí)效果最好，但激發(fā)劑B 的成本是激發(fā)劑A 的3 倍，效果僅提高20%左右，因此，選擇激發(fā)劑A，摻量為2%。激發(fā)劑A 2%摻量時(shí)，防滲材料凝結(jié)時(shí)間得到顯著縮短，經(jīng)濟(jì)、高效、合理，在溫度5℃、濕度90%條件下，可縮短防滲材料初凝時(shí)間59 h、終凝時(shí)間63 h。

3.3 單軸抗壓強(qiáng)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(fā)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度20℃，濕度95%。按照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求進(jìn)行無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[22]。

由3、7、14、28、60、90 d 的無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果可知(圖6)，防滲材料的強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，摻加2%激發(fā)劑A 的防滲材料較無激發(fā)劑的強(qiáng)度提高39.7%～90.0%，粉煤灰激發(fā)劑對防滲材料強(qiáng)度的正向促進(jìn)作用明顯。防滲材料的早期強(qiáng)度較低，3 d 時(shí)僅0.75 MPa，摻加2%激發(fā)劑A 的強(qiáng)度提高41.3%，達(dá)到1.06 MPa，較低的樁體強(qiáng)度便于三序咬合樁咬合施工。防滲材料的后期強(qiáng)度較高，90 d 時(shí)達(dá)到8.34 MPa，摻加2%激發(fā)劑A 的強(qiáng)度提高39.7%，達(dá)到11.65 MPa。

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

3.4 抗?jié)B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(fā)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?jié)B試樣，1 d 脫模，將圓錐形抗?jié)B試樣放置在 YH-90B 型標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度20℃，濕度95%。按照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)[22]，并計(jì)算出滲透系數(shù)，見表3。

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

由表3 可知，進(jìn)行了28 d、60 d、90 d 的防滲材料抗?jié)B試驗(yàn)。防滲材料的滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，摻加2%激發(fā)劑A 的咬合樁帷幕材料較無激發(fā)劑的滲透系數(shù)分別降低84.1%、82.3%、73.6%，粉煤灰激發(fā)劑對防滲材料的抗?jié)B性具有明顯的正向促進(jìn)作用，90 d 的防滲材料滲透系數(shù)達(dá)到8.61×10-8cm/s。

3.5 微觀結(jié)構(gòu)

防滲材料的致密性與養(yǎng)護(hù)時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，90 d 的防滲材料微觀結(jié)構(gòu)較28 d 的更加致密(圖7)。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，防滲材料的粉煤灰水化反應(yīng)參與度增高，粉煤灰顆粒周圍的水化產(chǎn)物增多，顆粒間的空隙進(jìn)一步縮小，防滲材料的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高，滲透系數(shù)進(jìn)一步減小。

圖7 咬合樁帷幕材料SEM 微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 SEM microstructure of occluded pile curtain material

綜合試驗(yàn)結(jié)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(fā)劑A 摻量2%的防滲材料的凝結(jié)時(shí)間、結(jié)石率、流動(dòng)度、強(qiáng)度、滲透系數(shù)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(yàn)咬合樁樁身完整性、樁與樁咬合位置連續(xù)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(dòng)水條件下的咬合樁、咬合樁搭接段取心率高，RQD 達(dá)到92%，巖心連續(xù)、完整、密實(shí)。經(jīng)試驗(yàn)檢測，咬合樁帷幕巖心強(qiáng)度和抗?jié)B性與設(shè)計(jì)參數(shù)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(gòu)筑完成，研究區(qū)露天煤礦疏排水量大幅度減少，露天煤礦水資源得到保護(hù)，帷幕墻外水位由617.94 m 逐漸抬升至620.46 m，墻內(nèi)水位由617.55 m 下降至611.04 m，墻體內(nèi)外兩側(cè)的水位差進(jìn)一步拉大至9.42 m，墻外水位埋深減小至6～7 m。有關(guān)研究表明，草原植被的歸一化植被指數(shù)在地下水位埋深0～1 m 時(shí)最高；地下水位埋深在2～6 m 時(shí)，隨著地下水位埋深的增大，草原植被歸一化植被指數(shù)波動(dòng)不明顯；當(dāng)?shù)叵滤宦裆畛^6 m 時(shí)，草原植被歸一化植被指數(shù)呈下降趨勢[23]。露天煤礦阻水帷幕的實(shí)施將帷幕外側(cè)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(nóng)牧灌溉，礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境得到有效保護(hù)。

5 結(jié)論

a.深厚砂卵石層低溫、動(dòng)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(fā)劑摻量2%；在粉煤灰激發(fā)劑的作用下，低溫環(huán)境下初凝時(shí)間縮短59 h，標(biāo)養(yǎng)條件下28 d強(qiáng)度提高61%，90 d 滲透系數(shù)達(dá)8.61×10-8cm/s。

b.將傳統(tǒng)咬合樁的二序施工調(diào)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(tǒng)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(shí)現(xiàn)了煤電固廢無害化資源化利用。

c.粉煤灰激發(fā)劑對咬合樁帷幕材料的凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、抗?jié)B性具有明顯的正向促進(jìn)作用，咬合樁帷幕材料微觀結(jié)構(gòu)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(jìn)一步研究。

d.咬合樁搭接段巖心連續(xù)、完整，應(yīng)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(hù)，研制的低溫、動(dòng)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。

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