露天煤矿截水帷幕效果检验方法及截水效果分析

王 海，彭 巍，曹海东，王 丽

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077；3.国家能源集团大雁公司，内蒙古 呼伦贝尔 021122；4.呼伦贝尔学院，内蒙古 呼伦贝尔 021122)

2018 年，我国露天煤矿产量达7.59 亿，占煤炭总产量的16.6%[1]。露天煤矿大多位于强富水强补给的砂卵石层区域，地层渗透系数大，受地表河流侧向补给。常采用疏排降水方法进行矿坑水疏降或疏干，长时间大流量疏排降水，导致矿区周围地下水位下降迅速、植被枯死、井泉干涸、土地荒漠化等生态环境问题[2]。截水帷幕是露天煤矿减少疏排水量、保护水资源的有效手段。数值模拟可分析、预测截水帷幕的截水效果[3-4]，截水帷幕应用效果一般需帷幕建成后才能具体体现出来，等待时间长，施工过程中无法验证帷幕效果。在施工现场往往采用室内实验、现场取样来检测，检测效果具有一定的局限性。施工过程中通过受注介质变化和帷幕内外水文地质单元差异[5]、流场观察法、抽水试验法、取心验证法和疏排水量分析法[6-7]评价帷幕阶段性截水效果[8-13]。为及时、客观、精确评价露天煤矿截水帷幕截水效果，笔者提出一种基于围井试验的露天煤矿截水效果检验方法。为检查帷幕墙的防渗效果，以被检查的帷幕墙段为一边，在其一侧用同样的方法构筑封闭形井状结构物[14]，进行抽水或注水试验检验帷幕墙截水效果[15-18]。因此，采用围井试验可以及时进行露天煤矿截水帷幕的工艺检验、施工过程控制和阶段性施工效果检验，评价帷幕墙稳定性和可靠性，分析帷幕截水效果。

1 工程概况

露天煤矿位于内蒙古呼伦贝尔大草原，矿区海拔标高+626～+687 m，主要开采9 煤，开采过程一直采用疏干井强排方式对地下水进行疏降。目前采坑疏干井37 口，坑下水位维持在+505 m，继续疏降非常困难，拟采用截水帷幕替代传统的露天煤矿疏排降水方案。

1.1 地层条件

研究区总体地势南高北低，南部为低山丘陵区，地表被草原植被覆盖，地貌单元属冲击平原[1]。如图1 所示，地表腐殖土厚约0.5 m，腐殖土下为细砂层，厚约3.5～6.5 m，卵砾石层厚0～38 m、渗透性好，粒径1～5 cm，次圆状，分选好，含少量细砂，渗透系数达80～180 m/d。棕褐色黏土、含砾黏土的厚度变化大，塑性强并含有铁锰结核及少量砂粒、小砾石。黏土密度为 1.72～2.05 g/cm3，内摩擦角18°～23°，黏聚力17～25 kPa，隔水性能较好。

浅部泥岩质软、具塑性、强度低，中深部较坚实、具硬塑、强度增高。泥岩层理、节理和微裂隙比较发育，裂隙面光滑，密度为1.86～2.18 g/cm3，内摩擦角24.0°～31.4°，黏聚力0.08～0.63 MPa，单向抗压强度0.15～3.10 MPa。伊敏组9 煤组光泽暗淡、含丝炭、木质结构、性脆。在地应力的作用下产生了纵横交错的裂隙，煤的节理和层理发育，煤心多呈短柱状、碎块或片状，煤层为主要储水介质，断层又为地下水的运动和储存提供条件。

图1 露天煤矿地层结构示意Fig.1 Schematic diagram of strata structure in the open-pit mine

第四系底板至9 煤组顶板之间的泥岩、粉砂质泥岩、碳质泥岩、(含砾)黏土等为稳定隔水层，由于黏土、泥岩等隔水岩层沉积不均一，局部缺失区构成含水层水向煤层直接渗透的天窗区。

1.2 截水帷幕方案

矿坑疏排水量主要由露天煤矿北侧海拉尔河河水通过第四系强渗透砂卵石层沿煤层隐伏露头动态补给组成，动态补给量占疏排水总量的82%以上。采用截水帷幕可减少露天煤矿矿坑疏排水量、实现矿坑安全生产、保护草原水资源和生态环境。

如图2 所示，帷幕全长5 815 m，深度21～56 m。受复杂地层条件、301 国道、地埋光缆、架空高压线缆、排水管道等影响，帷幕全线采用地下混凝土连续墙、防渗膜、超高压角域变速射流注浆、咬合桩4 种工艺构建帷幕，其中，低强度抗渗混凝土地下连续墙、HDPE 防渗膜和超高压角域变速射流注浆工艺为首次在露天煤矿帷幕应用。

图2 露天煤矿截水帷幕平面Fig.2 Plane sketch of water barrier curtain in the open-pit coal mine

2 围井试验方案

受露天煤矿疏降水影响，帷幕区域的水力梯度为0.012～0.033，地下水流速1.20～5.94 m/d，地下水温为5℃，且在帷幕构建过程中，水力梯度和水流速度不断增大。因此，受低温、动水和复杂地质条件影响，多工况的帷幕施工过程效果难以预测，亟需进行现场效果检验，以评价各工况的应用效果。

2.1 结 构

针对露天煤矿截水帷幕工艺特点，分别构建如图2 所示低强度抗渗混凝土、HDPE 防渗膜和超高压角域变速射流注浆3 种工艺的4 个帷幕墙围井。

图3 低强度抗渗混凝土围井平面Fig.3 Plane sketch of surrounding well test with low strength impermeable concrete

混凝土围井在截水帷幕背水侧构建长2 m、宽2 m 的低强度抗渗混凝土帷幕围井，如图3 所示，墙厚0.8 m、深度53 m，墙底入9 煤底板2 m。混凝土采用研发的低强度抗渗混凝土，水胶比值0.68、砂率为45%，1 m3混凝土中水泥180 kg、粉煤灰200 kg、膨润土20 kg、砂720 kg、石子880 kg、外加剂11.4 kg。低强度抗渗混凝土28 d 抗压强度达8.1 MPa，渗透系数达5.3×10-7cm/s。

如图4 所示的HDPE 防渗膜围井a 采用原状砂砾石回填防渗膜与槽壁空隙，在截水帷幕背水侧构建长2 m、宽2 m 的围井，墙厚0.8 m、深度48 m，墙底入9 煤底板2 m。

图4 原状砂砾石回填防渗膜围井平面Fig.4 Plane sketch of surrounding well test with HDPE impermeable film backfilled undisturbed gravel

如图5 所示，HDPE 防渗膜围井b 采用防渗材料充填，在截水帷幕迎水侧构建长5 m、宽3 m 的围井，墙厚0.6 m、深度46 m，墙底入9 煤底板2 m。防渗材料采用自主研发的高掺量粉煤灰防渗材料，水固比0.7︰1.0，水泥︰粉煤灰︰膨润土︰外加剂=20︰80︰2︰2，28 d 强度达到3.9 MPa，渗透系数2.4×10-6cm/s；90 d 强度达到4.5 MPa，渗透系数7.9× 10-7cm/s。

图5 防渗材料充填防渗膜围井平面Fig.5 Plane sketch of surrounding well test with HDPE impermeable film backfilled impermeable material

如图6 所示，超高压角域变速射流注浆围井在截水帷幕迎水侧构建长2.5 m、宽1 m 的围井，桩体直径2 m，超高压角域变速射流注浆成半圆形，桩与桩搭接0.5 m。

图6 超高压角域变速射流注浆围井平面Fig.6 Plane sketch of surrounding well test with ultra-high pressure angular variable speed jet grouting

2.2 试验方法

根据DL/T 5200—2019《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》中围井法检查帷幕墙渗透性能的方法，在围井中心部位钻孔，下入过滤管，在管内进行抽水(或注水)试验[14]，如图7 所示。

在透水地层中进行围井抽水(或注水)试验，帷幕墙的渗透系数K按式(1)进行计算。

式中：K为渗透系数，m/d；Q为抽水(或注水)量，m3/d；d为帷幕墙平均厚度，m；L为围井周边帷幕墙轴线长度，m；H为围井内试验水位至井底的深度，m；h0为地下水位至井底的深度，m。

图7 围井抽水(注水)试验示意Fig.7 Schematic diagram of pumping(water injection)test for surrounding well test

3 不同围井抽(注)水试验

3.1 低强度抗渗混凝土围井试验

低强度抗渗混凝土围井四周均采用低强度抗渗混凝土，塌落度22.5 cm，抗压强度8～10 MPa，渗透系数达到5.3×10-7cm/s。

低强度抗渗混凝土围井初始抽水量为17.33 m3/h，稳定抽水量为0.34 m3/h，围井外水位埋深10.0 m，围井内钻孔水位降深33.0 m，围井周边帷幕墙轴线长度11.2 m。根据式(1)计算得低强度抗渗混凝土围井的渗透系数为8.34×10-7cm/s。

3.2 HDPE 防渗膜围井试验

3.2.1 原状砂砾石回填的HDPE 防渗膜围井

如图4 所示，原状砂砾石回填HDPE 防渗膜围井长2 m、宽2 m，周边帷幕墙轴线长度11.2 m。

HDPE 防渗膜围井迎水面一侧采用HDPE 防渗膜，厚度1.5 mm，抗穿刺，拉伸性能好，抗渗性好，每幅HDPE 防渗膜宽6 m，2 幅HDPE 防渗膜间搭接3 m，采用原状砂砾石回填槽段，压密HDPE 防渗膜搭接段。防渗膜围井背水面3 侧采用低强度抗渗混凝土，塌落度22.5 cm，抗压强度8～10 MPa，渗透系数达到5.3×10-7cm/s。

回填原状砂砾石的防渗膜围井初始抽水量为16.05 m3/h，稳定抽水量为5.47 m3/h，围井外水位埋深8.4 m，围井内钻孔水位降深25.58 m，围井周边帷幕墙轴线长度11.2 m。根据式(1)计算得砂砾石原状土的防渗膜围井渗透系数为1.71×10-5cm/s。

3.2.2 防渗材料填充的HDPE 防渗膜围井

如图6 所示，防渗材料充填的HDPE 防渗膜围井长5 m、宽3 m，围井周边帷幕墙轴线长度18.4 m。

如图5 所示，HDPE 防渗膜围井迎水面一侧采用2 幅4 m 宽的HDPE 防渗膜，每幅HDPE 防渗膜搭接1 m，帷幕轴线每幅HDPE 防渗膜宽8 m，采用防渗材料填充槽段，压密HDPE 防渗膜搭接段。HDPE 防渗膜围井左、右两侧采用4 m 宽的HDPE防渗膜U 型铺设在槽段内，防渗材料充填槽段。HDPE 防渗膜围井背水面一侧铺设8 m 宽HDPE 防渗膜，每幅HDPE 防渗膜搭接1 m，防渗材料充填槽段。防渗材料流动度22 cm，强度2.5～4.0 MPa，渗透系数达到10-6cm/s。

充填防渗材料的HDPE 防渗膜围井初始抽水量为3.5 m3/h，稳定抽水量为0.396 m3/h，围井外水位埋深8.9 m，围井孔内水位降深25.6 m，围井周边帷幕墙轴线长度18.4 m。根据式(1)计算得充填防渗材料的防渗膜围井渗透系数为6.28×10-7cm/s。

3.3 超高压角域变速射流注浆帷幕围井试验

如图7 所示，超高压角域变速射流注浆帷幕围井长2.5 m、宽1 m，围井周边帷幕墙轴线长度9.4 m，超高压角域变速射流注浆桩体直径2 m，超高压角域变速射流注浆成半圆形，桩与桩搭接0.5 m，超高压角域变速射流注浆帷幕墙有效厚度不低于0.6 m、深度25 m，墙底入黏土隔水层1 m。

超高压角域变速射流注浆帷幕围井四周均采用MJS 喷射桩径2.0 m、桩间距1.5 m、桩间搭接0.5 m的半圆形柱体。桩体材料的水灰比1︰1、水泥掺量40%，喷射压力40 MPa。

超高压角域变速射流注浆帷幕围井首先采用2次抽水试验进行效果检验，抽水量由3.5 m3/h 迅速减少，无法持续抽水，因此，改用注水试验进行围井效果检验。稳定注水量为0.015 m3/h，围井外水位埋深15.95 m，围井内钻孔水位埋深12.5 m，围井周边帷幕墙轴线长度9.4 m。根据式(1)计算得超高压角域射流注浆帷幕围井渗透系数为7.85×10-7cm/s。

3.4 围井试验结果分析

根据4 个帷幕围井试验结果(表1)可知，渗透系数最大相差2 个数量级。由表1 可知，低强度抗渗混凝土围井的抗渗性能较好，渗透系数为8.34×10-7cm/s，是低强度抗渗混凝土室内实验渗透系数5.30×10-7cm/s 的1.57 倍。初步分析，围井渗透系数较原材料降低的原因为每段低强度抗渗混凝土墙的搭接质量较差，墙体不完整，降低了整体抗渗性能。同时，低强度抗渗混凝土材料成本较高，施工现场原料无法满足露天煤矿帷幕大规模应用需求。

表1 帷幕墙围井抽水(注水)试验结果Table 1 Results of pumping(water injection) test of surrounding well of the curtain wall

为降低材料成本，提高帷幕抗渗性能，现场进行了HDPE 防渗膜垂向叠覆铺设与砂砾石原状土或防渗材料结合的方案试验。由表1 可见，防渗效果最差的为HDPE 防渗膜与砂砾石原状土结合的帷幕，渗透系数为1.71×10-5cm/s，表明每幅HDPE 防渗膜之间搭接3 m，槽段内回填砂砾石原状土的截水效果较差。施工过程中根据围井试验结果，将HDPE 防渗膜与砂砾石原状土结合的帷幕方案调整为HDPE 防渗膜与防渗材料结合的帷幕方案。由表1可知，方案调整后的HDPE 防渗膜与防渗材料结合的帷幕防渗效果最好，渗透系数达到6.28×10-7cm/s，较防渗材料的渗透系数2.4×10-6cm/s降低1个数量级，防渗膜提高了复合防渗材料的抗渗性能，同时，防渗材料弥补了每幅HDPE 防渗膜搭接的缝隙，实现了强强联合，提高了帷幕防渗性能，降低了材料成本，提升了施工效率。

在地埋光缆、国道、高压线缆附近采用超高压角域变速射流注浆方案，由现场围井试验可知，摆喷帷幕围井周边的帷幕轴线长度较短，围井体积较小，抽水试验无法正常开展，注水试验表明其抗渗效果很好，渗透系数7.85×10-7cm/s，但摆喷帷幕的施工效率低、材料成本高，仅适用于双轮铣、液压抓斗等设备无法施工的特殊场地。

4 截水帷幕效果

截至2019 年10 月，研究区露天煤矿完成了如图2 所示的地下混凝土连续墙、防渗膜、超高压角域变速射流注浆、咬合桩4 种工艺构建的截水帷幕。

根据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》中渗透系数K值分类[19](表2)可知，充填防渗材料的防渗膜截水帷幕、超高压角域变速射流注浆截水帷幕、低强度抗渗混凝土连续墙的渗透系数均达到10-7cm/s，截水帷幕的渗透性级别为极微透水；经过现场施工过程中各工况的围井试验检验，地下混凝土连续墙、防渗膜(防渗材料)、超高压角域变速射流注浆的帷幕墙抗渗性与设计参数基本吻合，满足露天煤矿截水要求。

表2 透水性按渗透系数K 的分类Table 2 Permeability classification by the permeability coefficient K

通过4 种工艺截水帷幕的多处钻孔取心资料可以看出(图8)，深厚砂卵石层低温、动水条件下的低强度抗渗混凝土、防渗膜结合防渗材料、超高压角域变速射流注浆、咬合桩均取心率高，RQD 达到92%以上，岩心连续、完整、密实。

图8 截水帷幕岩心Fig.8 The cores of the cutoff curtain

研究区露天煤矿的5 815 m 帷幕墙构筑完成后，矿坑疏排水量较帷幕建造前大幅度减少[20]，露天煤矿水资源得到保护，同时帷幕墙外水位逐渐抬升，墙体内外两侧的水位差进一步拉大，确保了草原区生产生活用水，矿区周边水资源和生态环境得到有效保护。

5 结论

a.围井试验表明，在露天煤矿深厚砂卵石层动水、低温条件下，低强度抗渗混凝土帷幕、HDPE防渗膜垂向叠覆铺设结合防渗材料帷幕、超高压角域变速射流注浆帷幕均具有良好的截水效果，渗透系数达到10-7cm/s，抗渗性能良好。

b.将HDPE 防渗膜与砂砾石原状土回填的帷幕方案调整为HDPE 防渗膜与防渗材料充填的方案，围井渗透系数降低2 个数量级，达到6.28×10-7cm/s，抗渗性能提高，且材料成本较低强度抗渗混凝土大幅降低。

c.露天煤矿截水帷幕建造前或建造过程中，采用围井试验可及时、准确地检验防渗材料及帷幕的截水效果，反映截水帷幕建造质量，指导截水帷幕材料和工艺的改进和优化。

d.在低强度抗渗混凝土帷幕、HDPE 防渗膜垂向叠覆铺设结合防渗材料帷幕、超高压角域变速射流注浆帷幕和咬合桩帷幕的共同作用下，露天煤矿疏排水量较帷幕建造前大幅度减少，露天煤矿水资源和矿区周边生态环境得到了有效保护。

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