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        露天煤礦截水帷幕效果檢驗(yàn)方法及截水效果分析

        2020-08-19 06:52:28曹海東
        煤田地質(zhì)與勘探 2020年4期

        王 海,彭 巍,曹海東,王 麗

        (1.中煤科工集團(tuán)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710077;3.國家能源集團(tuán)大雁公司,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021122;4.呼倫貝爾學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021122)

        2018 年,我國露天煤礦產(chǎn)量達(dá)7.59 億,占煤炭總產(chǎn)量的16.6%[1]。露天煤礦大多位于強(qiáng)富水強(qiáng)補(bǔ)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(bǔ)給。常采用疏排降水方法進(jìn)行礦坑水疏降或疏干,長時(shí)間大流量疏排降水,導(dǎo)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(hù)水資源的有效手段。數(shù)值模擬可分析、預(yù)測截水帷幕的截水效果[3-4],截水帷幕應(yīng)用效果一般需帷幕建成后才能具體體現(xiàn)出來,等待時(shí)間長,施工過程中無法驗(yàn)證帷幕效果。在施工現(xiàn)場往往采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、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(yàn)法、取心驗(yàn)證法和疏排水量分析法[6-7]評價(jià)帷幕階段性截水效果[8-13]。為及時(shí)、客觀、精確評價(jià)露天煤礦截水帷幕截水效果,筆者提出一種基于圍井試驗(yàn)的露天煤礦截水效果檢驗(yàn)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(jìn)行抽水或注水試驗(yàn)檢驗(yàn)帷幕墻截水效果[15-18]。因此,采用圍井試驗(yàn)可以及時(shí)進(jìn)行露天煤礦截水帷幕的工藝檢驗(yàn)、施工過程控制和階段性施工效果檢驗(yàn),評價(jià)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(biāo)高+626~+687 m,主要開采9 煤,開采過程一直采用疏干井強(qiáng)排方式對地下水進(jìn)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(xì)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(xì)砂,滲透系數(shù)達(dá)80~180 m/d。棕褐色黏土、含礫黏土的厚度變化大,塑性強(qiáng)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(qiáng)度低,中深部較堅(jiān)實(shí)、具硬塑、強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)力的作用下產(chǎn)生了縱橫交錯(cuò)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(yùn)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(qiáng)滲透砂卵石層沿煤層隱伏露頭動態(tài)補(bǔ)給組成,動態(tài)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)礦坑安全生產(chǎn)、保護(hù)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(fù)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(qiáng)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(yīng)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(yàn)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(fù)雜地質(zhì)條件影響,多工況的帷幕施工過程效果難以預(yù)測,亟需進(jìn)行現(xiàn)場效果檢驗(yàn),以評價(jià)各工況的應(yīng)用效果。

        2.1 結(jié) 構(gòu)

        針對露天煤礦截水帷幕工藝特點(diǎn),分別構(gòu)建如圖2 所示低強(qiáng)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(gè)帷幕墻圍井。

        圖3 低強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度抗?jié)B混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度達(dá)8.1 MPa,滲透系數(shù)達(dá)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(qiáng)度達(dá)到3.9 MPa,滲透系數(shù)2.4×10-6cm/s;90 d 強(qiáng)度達(dá)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(yàn)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(jìn)行抽水(或注水)試驗(yàn)[14],如圖7 所示。

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

        3.1 低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土圍井試驗(yàn)

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

        低強(qiáng)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(jì)算得低強(qiáng)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(yàn)

        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(qiáng)度抗?jié)B混凝土,塌落度22.5 cm,抗壓強(qiáng)度8~10 MPa,滲透系數(shù)達(dá)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(jì)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(shè)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(shè)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(qiáng)度2.5~4.0 MPa,滲透系數(shù)達(dá)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(jì)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(yàn)

        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(yàn)進(jìn)行效果檢驗(yàn),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(yàn)進(jìn)行圍井效果檢驗(yàn)。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(jì)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(yàn)結(jié)果分析

        根據(jù)4 個(gè)帷幕圍井試驗(yàn)結(jié)果(表1)可知,滲透系數(shù)最大相差2 個(gè)數(shù)量級。由表1 可知,低強(qiáng)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(qiáng)度抗?jié)B混凝土室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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?yàn)槊慷蔚蛷?qiáng)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(shí),低強(qiáng)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(yīng)用需求。

        表1 帷幕墻圍井抽水(注水)試驗(yàn)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(jìn)行了HDPE 防滲膜垂向疊覆鋪設(shè)與砂礫石原狀土或防滲材料結(jié)合的方案試驗(yàn)。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(yàn)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(dá)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(gè)數(shù)量級,防滲膜提高了復(fù)合防滲材料的抗?jié)B性能,同時(shí),防滲材料彌補(bǔ)了每幅HDPE 防滲膜搭接的縫隙,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)強(qiáng)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(yàn)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(yàn)無法正常開展,注水試驗(yàn)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(shè)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(qiáng)度抗?jié)B混凝土連續(xù)墻的滲透系數(shù)均達(dá)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(yàn)檢驗(yàn),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(shè)計(jì)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(qiáng)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(dá)到92%以上,巖心連續(xù)、完整、密實(shí)。

        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(hù),同時(shí)帷幕墻外水位逐漸抬升,墻體內(nèi)外兩側(cè)的水位差進(jìn)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(hù)。

        5 結(jié)論

        a.圍井試驗(yàn)表明,在露天煤礦深厚砂卵石層動水、低溫條件下,低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土帷幕、HDPE防滲膜垂向疊覆鋪設(shè)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(dá)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(gè)數(shù)量級,達(dá)到6.28×10-7cm/s,抗?jié)B性能提高,且材料成本較低強(qiáng)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(yàn)可及時(shí)、準(zhǔn)確地檢驗(yàn)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(dǎo)截水帷幕材料和工藝的改進(jìn)和優(yōu)化。

        d.在低強(qiáng)度抗?jié)B混凝土帷幕、HDPE 防滲膜垂向疊覆鋪設(shè)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(hù)。

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