截水帷幕在露天煤矿截渗减排中的应用.pdf

第 45 卷第 5 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 5 2020 年5 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMay 2020 移动阅读 张雁,黄选明,彭巍,等. 截水帷幕在露天煤矿截渗减排中的应用[J]. 煤炭学报,2020,4551865-1873. doi 10. 13225/ j. cnki. jccs. 2019. 1574 ZHANG Yan,HUANG Xuanming,PENG Wei,et al. Application of water cutoff curtain in the seepage cutoff and drain- age reduction of open-pit coal mine[J]. Journal of China Coal Society,2020,4551865-1873. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. 2019. 1574 截水帷幕在露天煤矿截渗减排中的应用 张 雁1,2,黄选明1,2,彭 巍3,朱明诚1,2,曹海东1,2,刘玉柱3,田增林1,2 1. 中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710054; 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 摘 要为解决扎尼河露天矿矿坑疏排水量大、生产成本高、环保风险大等问题,采用地下混凝土防 渗墙、防渗膜大深度垂向隐蔽铺设、高压旋喷注浆、钻孔咬合桩等 4 种帷幕技术,沿煤层北部隐伏露 头建造一座平面长度近 6 000 m、最大深度超过 50 m、有效厚度0． 6 m 的弧线型沟槽灌入式桩孔 压入式落底截水帷幕。 项目实施过程中攻克了低强度8 10 MPa抗渗P6 级混凝土配合比技 术、超长槽段开挖与护壁技术、防渗膜叠覆铺设与连接技术、高掺量粉煤灰-水泥混合浆液注浆充 填技术、砾石层中高压旋喷成桩技术等 5 项技术难题,在帷幕墙建造过程中和结束后,采用取心验 证法、抽水试验法、流场观测法和水量分析法等 4 种方法检验了帷幕墙的质量与截水效果。 结果表 明混凝土浇筑连续均匀,粉煤灰-水泥混合浆液充填密实、胶结完好,高压旋喷桩和钻孔咬合桩桩 径达标、桩体完整;墙体渗透系数为 8． 3410 -7 cm/ s,渗透性达极微透水级;墙体内外两侧最大水位 差已达 10 m 以上;矿坑疏排水量已减少 60,目前仍在减少中。 帷幕墙截水效果明显,达到了设 计要求。 该项目是我国露天煤矿采用综合帷幕技术解决疏排水问题的成功示范。 关键词截水帷幕;露天煤矿;混凝土防渗墙;防渗膜;旋喷注浆;咬合桩 中图分类号TD745 文献标志码A 文章编号0253-9993202005-1865-09 收稿日期2019-11-05 修回日期2020-03-18 责任编辑韩晋平 基金项目国家重点研发计划资助项目2017YFC0804106 作者简介张 雁1983,男,河南郑州人,副研究员,博士。 E-mailzhangyan cctegxian． com 通讯作者黄选明1962,男,陕西临潼人,研究员,硕士生导师。 E-mailhuangxuanming cctegxian． com Application of water cutoff curtain in the seepage cutoff and drainage reduction of open-pit coal mine ZHANG Yan1,2,HUANG Xuanming1,2,PENG Wei3,ZHU Mingcheng1,2, CAO Haidong1,2,LIU Yuzhu3,TIAN Zenglin1,2 1. Xi’an Research Institute Co. ,Ltd. ,China Coal Technology and Engineering Group,Xi’an 710054,China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard,Xi’an 710077,China; 3. Dayan Company of China Energy Investment Corporation,Hulunbuir 021122, China AbstractIn order to solve the problems of huge drainage volume,high production cost and high environmental risk in Zhanihe open-pit coal mine,four kinds of curtain technologies,such as underground concrete diaphragm wall,large depth vertical concealed laying of anti-seepage membrane,high-pressure rotary jet grouting and secant pile,are used for the first time to build an arc-shaped trench filling type and pile hole pressing type bottom cut-off curtain with a plane length of nearly 6 000 m,a maximum depth of more than 50 m and an effective thickness of more than 0. 6 m along the concealed outcrop in the north of the coal seam. During the implementation of the project,five technical 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 problems have been solved,including low-strength 8-10 MPaimpermeable P6 grade concrete mix proportion technology,ultra-long trench excavation and wall protection technology,geomembranes overlay laying and connection technology,high-volume fly ash cement mixed slurry grouting and filling technology,high-pressure jet grouting pile technology in gravel layer. During and after the construction of the curtain wall,the quality and water cut-off effect have been tested by four s,such as drilling core ,pumping test,flow field observation and drain- age change analysis . The results show that the concrete pouring is continuous and uni,the filling of fly ash cement mixed slurry is dense and the cementation is intact,the diameter of high-pressure rotary jet grouting pile and secant pile is up to the standard,and the pile body is complete. The permeability coefficient of the wall is 8. 3410 -7 cm/ s,and the permeability reaches the very micro permeability level. The maximum water level difference between the inside and outside of the wall has reached more than 10 m. The drainage volume of the mine has been reduced by 60, which is still in the process of reduction. The curtain wall has obvious water interception effect and meets the design re- quirements. The project is a successful demonstration of using a comprehensive curtain technology to solve the drainage problem in China’s open-pit coal mines,with significant social,economic and environmental benefits. The research re- sults of the project have important application value for the development of open-pit coal mine drainage work in China, and have reference significance for the ecological environment protection in the eastern grassland area of China. Key wordswater cutoff curtain;open-pit coal mine;concrete diaphragm wall;geomembranes;rotary jet grouting;se- cant pile 露天开采是我国煤矿开采的两大方式之一,近年 来,露天煤矿开采产量在煤炭总产量中的比例呈逐渐 增加趋势约 15。 露天煤矿在剥离、开采过程中, 对生态环境造成了严重的破坏,其中,由于长期疏排 水引起的地下水位下降、水环境污染、水资源浪费、土 地沙化、植被种群改变等问题将严重制约露天煤矿的 可持续发展。 煤炭工业“十三五”发展规划指出,煤 炭生产重点是建设安全绿色高效煤矿。 采用截水帷 幕技术对露天煤矿渗流补给通道进行帷幕截流,可达 到减少矿坑疏排水量、保护矿坑外围生态环境、保障 矿坑安全生产的目的,实现露天煤矿绿色、安全、可持 续发展。 截水帷幕是目前广泛应用的一种基坑防渗水技 术,由于我国露天煤矿工程地质与水文地质条件复 杂、工程一次性投入费用大、工艺要求高等诸多原因, 该技术并未在我国露天煤矿疏排降水工程中推广应 用。 近年来,随着帷幕技术的不断进步和施工工艺的 不断发展,将该技术应用于我国露天煤矿的时机已经 成熟。 笔者以扎尼河露天煤矿为例,结合矿区工程地 质与水文地质条件,采用 4 种帷幕技术沿煤层露头外 围建造了一大型截水帷幕,有效拦截了矿坑北侧海拉 尔河河水入渗矿坑,取得了显著的工程效果。 1 截水帷幕研究与应用现状 1． 1 国外研究与应用现状 截水帷幕是用以阻隔或减少地下水通过基坑侧 壁与坑底流入基坑和控制基坑外地下水位下降的幕 墙状竖向截水体。 这项技术起源于 20 世纪 40 年代 的欧洲[1],主要应用于建筑地基注浆、大坝防渗等领 域;20 世纪五六十年代,随着二战结束后的经济大发 展取得了飞速进步,逐步在全世界范围内推广,1954 年遍及欧洲各国,先后于 19561959 和 1962 年推广 至南美、加拿大、中国、日本和美国,主要应用于水利 水电和城市地下工程领域;1960 年以后,在施工工 艺、施工机械、泥浆材料和墙体浇筑材料等方面得到 快速发展。 近年来,国外学者[2-5]对该技术在不同领 域不同地区的应用也有新的研究成果。 截水帷幕技术从 20 世纪 60 年代开始应用于国 外露天矿山[6],前东德、波兰和前苏联等国家率先研 究了帷幕堵水工艺并在一些条件复杂的露天煤矿和 金属矿山进行应用,取得了显著的帷幕截水效果。 如 前东德在劳尔兹、莱比锡及贝尔多夫等露天煤矿共修 筑80 km 长的帷幕,在杨斯瓦尔德露天煤矿为防止尼 斯河河水渗入露天矿,修筑了长 1 250 m 的帷幕,使 疏排水量减少 40;在科特布斯城东、城西开发的 3 个露天煤矿也采用帷幕堵水工艺用于保护城市建筑 设施及布拉尼茨公园的宫殿和林木;波兰在 20 世纪 70 年代修筑了 5 个大型帷幕,其中 2 个用于露天煤 矿,而 1 个露天煤矿的黏土帷幕用来堵截距露天边坡 300 m 处的河水通过第四系含水层向露天矿坑渗水, 该帷幕长度 3 100 m,平均深 10． 5 m,厚度 45 50 cm,帷幕建成后,渗水量仅为原来的 2;前苏联 有 61煤矿可采用截水帷幕进行堵水;之后越来越 多的国家重视帷幕工艺在露天煤矿的应用。 不过此 6681 第 5 期张 雁等截水帷幕在露天煤矿截渗减排中的应用 阶段的截水帷幕工艺简单,仅通过挖槽后在槽内灌注 混凝土或黏土等不透水材料形成,帷幕深度不超过 20 m。 1． 2 国内研究与应用现状 截水帷幕技术于 1957 年引入我国,与世界其他 国家相似,其发展历程同样是先应用于水利水电工 程,19601970 年间推广至城市地下工程、建筑、环 境、铁路交通等领域,1980 年以后开始广泛应用。 我 国学者先后研究了截水帷幕的形式、施工工艺、充填 材料、防渗墙的入岩深度[7-8]、防渗墙对渗流场的影 响[9-11]、防渗墙效果检验方法[12]等内容,取得一系列 成果。 帷幕工艺在我国煤矿领域的应用分井工煤矿与 露天煤矿两个方面[13]。 在井工煤矿领域,我国矿山 水害防治工作者在借鉴水电部门坝基灌浆防渗技术 的基础上,提出了利用钻孔注浆建造帷幕、堵截矿区 地下水的帷幕注浆技术[14],开辟了矿山水害防治的 新途径,结束了多年来依靠单一疏排降水方法解决煤 炭资源开发的局面,并逐渐成为一种常用的防治水技 术方法[15-16]。 20 世纪 60 年代中期,我国第 1 个井下 帷幕在徐州矿务局青山泉煤矿的薄层灰岩中建造成 功,随后焦作演马庄煤矿与枣庄郭东井煤矿也采用帷 幕方法成功阻止了天窗渗漏与河床渗漏,这些在薄层 灰岩中建造的帷幕,深度不大,工期短,投资少,见效 快。 20 世纪 70 年代初,水口山铅锌矿、张马屯铁矿 相继在深部厚层灰岩中进行帷幕注浆并取得成 功[17]。 目前,我国矿区帷幕注浆截流技术已日渐成 熟,例如近几年在淮北矿务局朱仙庄煤矿开展的灰岩 注浆帷幕试验工程[18-19]、在陕北张家峁煤矿开展的 烧变岩水帷幕注浆工程[20],均标志着我国井工矿帷 幕注浆工艺的进步。 在露天煤矿领域,我国学者也做了大量研究和探 索工作。 黄文干[21]分析了露天矿目前采用的疏干降 水方案造成的危害,提出在条件适宜时采用堵水帷幕 方案,并研究了帷幕的应用条件、布置方式和渗透计 算;赵毅[22]研究了帷幕堵水工艺在国外露天煤矿的 应用并分析了在我国露天煤矿的应用前景; 张 雁[23-24]提出采用地下防渗墙方案对地下水补给通道 进行帷幕截渗是露天煤矿防治水工作的新方法,并研 究了露天煤矿防渗墙的构建条件和类型。 20 世纪 90 年代,煤炭科学研究总院西安分院试图在元宝山露天 矿建造截水帷幕拦截英金河与老哈河河水入渗矿坑, 但由于种种原因,项目最终并未实施。 2 截水帷幕建造条件 露天煤矿建造截水帷幕应具备一定的条件,笔者 将其分为必备条件与有利条件[24]。 必备条件有两 个一是地下水补给来源与补给方式明确且有稳定动 态补给源,二是截渗目标层底部发育有稳定隔水层, 这两个条件决定了截水帷幕的平面位置与空间结构。 有利条件有两个一是截渗目标层埋藏浅,二是帷幕 墙建造区域地质构造简单,这是从截水帷幕建造难度 和墙体稳定性方面考虑的。 通过对扎尼河露天矿水文地质与工程地质条件 研究,矿坑疏排水量主要来自矿坑北侧海拉尔河,海 拉尔河河水通过砾石层沿煤层隐伏露头入渗补给矿 坑图 1,动态补给量约占总疏排水量的 82。 砾 石层为主要含水层,即截渗目标层,煤层为透水层,煤 层底部发育的泥岩与粉砂质泥岩是稳定隔水层,可作 为帷幕墙基底。 图 1 扎尼河露天矿充水示意 Fig． 1 Water filling diagram of Zhanihe open-pit coal mine 扎尼河露天矿砾石层平均埋深在地表以下 6 m, 最大厚度约37 m,帷幕墙最大深度不超过56 m,从防 渗墙建造经验分析,墙体深度适中,技术成熟;其次矿 区范围内地质构造简单,无断层发育,对帷幕墙位置 选择十分有利。 3 截水帷幕平面布置与空间结构 截水帷幕主要拦截来自海拉尔河的动态补给量, 其设计原则是“安全有效、经济合理、环境友好”,设 计遵循“顶不越、底不漏、两端不绕、接头不渗”14 字 7681 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 准则,即地下水不能从墙顶翻越、不能从墙底渗漏、不 能在墙体两端绕流、不能在墙体接头处渗流。 3． 1 截水帷幕平面布置 依据设计原则,结合扎尼河露天矿水文地质与工 程地质条件,在满足截水要求的前提下,本着优化工 程量、减少压煤量的原则,截水帷幕基本沿煤层露头 外围呈弧线型展布,西端头嵌入砾石层缺失区的隔水 地层,东端头为砾石层底板623 m 等值线,平面长度 为 5 815 m图 2。 3． 2 截水帷幕空间结构 从剖面上看,截水帷幕顶面标高为623 m高出 海拉尔河历史最高洪水位 0． 6 m,底部进入稳定隔 水地层 1 m落底式,深度 21 56 m 不等南浅北 深,有效墙体厚度大于 0． 6 m。 结合建造工艺,该帷 幕墙是一座弧线型沟槽灌入式桩孔压入式落底帷 幕墙图 3。 4 截水帷幕综合技术的应用 4． 1 4 种截水帷幕技术的应用 本次共采用 4 种帷幕工艺,分别是地下混凝土防 渗墙工艺、防渗膜大深度垂向隐蔽铺设工艺、高压旋 图 2 截水帷幕平面布置AA′剖面为图 1 Fig． 2 Layout plan of water cutoff curtainSee Fig． 1 for AA′ section 图 3 截水帷幕剖面示意 Fig． 3 Section diagram of water cutoff curtain 喷注浆工艺和钻孔咬合桩工艺。 前 2 种工艺通过开 挖沟槽后浇筑铺设 不透水材料形成帷幕墙,笔 者[24]将其定义为沟槽灌入式工艺,后两种工艺通过 施工钻孔高压喷浆或灌注不透水材料形成帷幕墙,笔 者将其定义为桩孔压入式工艺。 4 种帷幕技术的应 用并非在立项阶段就确定的,而是根据技术研发过程 和现场施工条件不断进行调整的。 地下混凝土防渗墙是目前最成熟的帷幕技术,也 是首先确定并在第 1 年度施工过程中使用的工艺,在 此期间,开展了防渗膜铺设工艺的试验,取得成功后, 鉴于其高效、经济、效果好等优点,在第 2 年度施工过 程中全面取代地下混凝土防渗墙工艺。 由于设计帷 幕线跨越地埋光缆、电缆等诸多障碍,在障碍区无法 采用防渗膜铺设工艺,因此选择高压旋喷注浆工艺, 在旋喷试桩过程中,由于帷幕线东部的个别工段水文 地质条件复杂,无法有效成桩,最后选择钻孔咬合桩 工艺进行替代。 4． 1． 1 地下混凝土防渗墙技术 地下混凝土防渗墙技术是利用各种挖槽机械,借 助于泥浆的护壁作用,在地下挖出窄而深的沟槽,在 槽内浇筑混凝土而形成的具有防渗和承重作用的连 续墙体。 扎尼河露天矿截水帷幕建造过程中采用了液压 双轮铣与液压抓斗两类成槽机械和锁扣管接头与套 铣平接接头两种接头方式,槽内浇筑的防渗材料为低 强度8 10 MPa 抗渗P6 级 混凝土,墙体厚度 0． 8 m,单幅槽段长度不超过 8 m,最大开挖深度为 56 m。 4． 1． 2 防渗膜大深度垂向隐蔽铺设技术 在此之前,防渗膜多用于平面铺设或斜面铺设, 8681 第 5 期张 雁等截水帷幕在露天煤矿截渗减排中的应用 极少用于垂向铺设。 本次将防渗膜应用于垂向隐蔽 铺设,且最大深度突破了 50 m。 防渗膜采用厚度 1． 5 mm、最大幅宽 8． 0 m 的 HDPE高密度聚乙烯 膜,槽段内部与槽段之间叠覆 1 m 连接,采用特制机 具进行垂向铺设。 槽段开挖过程与地下混凝土防渗 墙一致,只是在防渗材料方面,用防渗膜代替了混凝 土,墙体厚度 0． 65 m。 防渗膜紧贴槽壁内侧铺设,铺 设完成后,在槽段内注入粉煤灰-水泥混合浆液进行 回填、置换护壁泥浆,同时起到压紧防渗膜的作用。 粉煤灰-水泥混合浆液固结后同样具有防渗性,与防 渗膜一起构成了具有双重防渗能力的帷幕墙。 4． 1． 3 高压旋喷注浆技术 在架空高压线、地埋光缆等特殊施工区域,无法 采用成槽机械施工的,采用高压旋喷注浆技术,施工 工法为 MJSMetro Jet System工法[25]。 设计引孔孔径 0． 25 m,喷射桩径 2． 0 m,桩间距 1． 5 m,桩间搭接 0． 5 m,墙体有效厚度 0． 66 m,喷射 桩体为半圆形柱体图 4。 图 4 高压旋喷注浆设计参数 Fig． 4 Design parameters of high pressure jet grouting 4． 1． 4 钻孔咬合桩技术 高压旋喷注浆并非适用于所有地层条件,在旋喷 注浆无法成桩的区段,采用钻孔咬合桩技术[26]。 钻 孔咬合桩属于桩排式截水帷幕形式,桩与桩之间相间 施工、相邻桩之间部分圆周相嵌形成具有良好防渗作 用的整体连续围护结构。 设计桩径 1． 0 m,咬合 0． 3 m,桩间距 0． 7 m,墙 体理论有效厚度为 0． 714 m图 5。 施工顺序为 A1 →A2→B1→A3→B2B1 桩施工时切割相邻的 A1,A2 桩相交部分实现咬合,如此往复,最终形成连 续桩体,达到截水目的。 图 5 桩排式咬合桩截水帷幕设计方案 Fig． 5 Design scheme of water cut-off curtain for secant pile 4． 2 突破的 5 项技术难题 4． 2． 1 低强度抗渗混凝土配合比技术 地下混凝土防渗墙浇筑材料为低强度抗渗混凝 土,与塑性混凝土和普通混凝土不同,该材料既要求 有一定的强度8 10 MPa和较大变形量,又要求有 一定的抗渗性P6 级,为此,通过多次配合比试验, 结合地材特点,研究出低强度抗渗混凝土配合比为 水泥 P． O 42． 5 ∶ 粉 煤 灰 Ⅱ 级 ∶ 膨 润 土 钠基 ∶ 砂 ∶ 石 180 ∶ 200 ∶ 20 ∶ 720 ∶ 880质量 比,水胶比 0． 68。 该混凝土抗渗等级达 P6 以上,抗 压强度达 8． 5 MPa。 4． 2． 2 超长槽段开挖与护壁技术 在常规截水帷幕建造过程中,槽段长度一般不超 过 8 m。 本次结合防渗膜帷幕施工工艺和成槽设备 效率,依据槽段深度不同,将槽段长度划分为 3 种规 格,即墙体深度 H50 m 时,槽段长度为7 m;50 m≤ 墙体深度 H≤35 m 时,槽段长度 14 m;墙体深度 H 35 m 时,槽段长度 21 m,即墙体深度减小,槽段长度 增加。 超长槽段开挖的重点是预防槽孔坍塌,为此,施 工过程中结合地层特征采用纳基膨润土泥浆配合重 晶石粉、羧甲基纤维素CMC等添加剂进行护壁。 4． 2． 3 防渗膜叠覆连接技术 防渗膜叠覆连接有 2 层含义一是在同一槽段内 铺设的防渗膜进行叠覆连接;二是对槽段之间连接时 的防渗膜进行叠覆,两种叠覆长度均为 1 m,并且槽 段叠覆连接时采用接头箱工艺。 接头箱为相邻槽段 连接防渗膜预留了空间,其工艺如图 6 所示。 图 6 防渗膜叠覆连接工艺示意 Fig． 6 Process diagram of geomembranes overlapping connection 7 m 长的槽段内铺设一幅防渗膜,14 m 长的槽段 内铺设 2 幅防渗膜,21 m 长的槽段内铺设 3 幅防渗 膜,待前一槽段注浆回填完毕且后续槽段开挖完成后 将接头箱顶拔出来,为后续防渗膜铺设做准备。 4． 2． 4 粉煤灰-水泥浆液注浆回填技术 在充满泥浆的槽段内把防渗膜铺设完成后,面临 槽段回填的问题,主要有两个目的一是回收泥浆,保 证泥浆能够重复使用;二是充填槽段,压实防渗膜,保 9681 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 证墙体稳定。 粉煤灰-水泥混合浆液是一种良好的 充填材料,具有以下优点① 利用比重差可以充分置 换泥浆;② 固结后具有一定防渗性与强度;③ 将粉 煤灰变废为宝,体现环保理念;④ 价格低廉,节约成 本。 实验室研究了不同配比下的混合浆液抗渗性能 与抗压强度,见表 1。 表 1 不同配比条件下混合浆液参数 Table 1 Parameters of mixed slurry under different proportioning 参数 水泥 ∶ 粉煤灰质量比 2 ∶ 83 ∶ 74 ∶ 6 密度/ gcm -3 1． 5321． 5471． 562 抗渗级别P3P4P5 90 d 抗压强度/ MPa2． 94． 87． 9 由表 1 中可以看出,随着水泥含量增加,抗渗性 能与抗压强度呈增加趋势,实施过程中,在铺设防渗 膜的槽段采用 2 ∶ 8 的配比,钻孔咬合桩采用 3 ∶ 7 的 配比,槽孔漏失量大时采用 4 ∶ 6 的配比。 4． 2． 5 砾石层中高压旋喷成桩技术 影响高压旋喷注浆成桩质量的关键因素是地层 条件和水文地质条件。 实践证明,旋喷注浆在淤泥、 淤泥质黏土、黏性土地层中应用较多且具有较好的成 桩质量,但在砂层或卵砾石层中应用的成熟案例不 多。 通过对地层条件的分析和工程试桩试验,对旋喷 参数进行调整,经过取心验证,保证了成桩质量。 砾 石层中旋喷参数见表 2。 5 截水帷幕效果验证 截水帷幕施工通常采用跳仓法分段施工,而不是 连续施工。 在帷幕完全闭合之前,由于存在绕流效 应,截水帷幕效果可能并不明显,往往需要在帷幕全 部闭合之后甚至在闭合后的一段时期内才见效,因此 在实施过程中通常采用如下手段进行检验和验证。 5． 1 取心验证法 钻孔取心验证法可实现① 检测墙体质量,如 混凝土胶结状况、有无气孔、松散或断桩等,检测 墙体强度是否符合设计要求;② 检验底部沉渣是 否符合设计或规范要求;③ 检验墙体深度是否达 到设计要求。 采用取心验证法对 4 种工艺的成墙和成桩质量 进行了检验,采取岩芯如图 7 所示,从取心质量分析, 墙体或桩体的胶结程度、强度、墙体深度等参数均达 到设计要求。 表 2 MJS 工法半圆桩试桩参数 Table 2 Semi-circular pile test of MJS construction 参数数值 桩径/ mm2 000 水灰比1 ∶ 1 水泥浆压力/ MPa40 主空气压力/ MPa0． 5 0． 8 主空气流量/ m3min -1 1． 0 2． 0 倒吸水压力/ MPa5 20 倒吸水流量/ Lmin -1 20 50 地层压力系数1． 3 1． 6 垂直度误差≤1/200 水泥掺量/ 40 提升速度/ cmmin -1 5 水泥浆液流量/ Lmin -1 100 步距行程/ cm2． 5 步距提升时间/ s30 转速/ rmin -1 3 4 水泥浆喷嘴/ mm3． 0 图 7 不同工艺帷幕墙取心验证 Fig． 7 Verification drawing of different process curtain 5． 2 抽水试验法 抽水试验法[27]是定量研究和验证帷幕墙截水效 果的一种方法。 通过抽水试验可以获取含水层的渗 透系数 K、单位涌水量 q 等水文地质参数,对比分析 不同区域的抽水试验成果,可定量分析判断帷幕墙的 截水效果。 围井抽水试验是一种直接判断帷幕墙接头防渗 质量的高效方法,首先按照帷幕墙施工工法建造一个 四周封闭的区域,在封闭区域中心施工一个抽水孔形 0781 第 5 期张 雁等截水帷幕在露天煤矿截渗减排中的应用 成围井,利用围井进行抽水,通过观测抽水孔水量变 化和水位下降与恢复情况,判断帷幕墙接头防渗质 量。 图 8 为围井抽水试验平面和剖面图,围井长 5． 0 m,宽 3． 0 m,抽水孔位于围井中心,该围井检验 了防渗膜叠覆连接接头、防渗膜与回填浆液结合接头 等多个接头处的防渗效果。 抽水结果见表 3。 图 8 围井抽水试验布置 Fig． 8 Layout of surrounding well pumping test 表 3 围井抽水试验数据统计 Table 3 Statistical table of water pumping test data 序次 稳定降 深 S/ m 围井周长 L/ m 墙体厚度 M/ m 过水高度 H/ m 稳定流量 Q/ Ls -1 16． 49160． 6210． 03 215． 20160． 6210． 06 320． 20160． 6210． 11 根据达西定律 QKAJ,可得 K Q AJ Q LHS/ M QM LHS 式中,K 为渗透系数,cm/ s;Q 为稳定抽水量,L/ s;A 为过水断面,m2;J 为水力梯度;H 为过水高度,m;S 为稳定降深,m;M 为墙体厚度,m;L 为围井周长,m。 通过计算,围井渗透系数为 8． 3410 -7 cm/ s,参 照 GB504872008水利水电工程地质勘察规范中 岩土体渗透渗透性分级表 4,可知围井墙体渗透性 级别为极微透水。 5． 3 流场观测法 流场观测法是定性分析和研究截水帷幕截水效 果的一种水文地质动态观测法。 通过在帷幕墙两侧 施工水文地质观测孔,连续观测在帷幕墙施工过程中 的钻孔水位变化,通过对比帷幕墙两侧的水位差和水 位变化趋势,定性判断帷幕墙的截渗减排效果与显现 规律,研究帷幕墙对地下水流场的控制作用。 表 4 岩土体渗透性分级 Table 4 Permeability classification of rock and soil 渗透性等级渗透系数 K/ cms -1 极微透水K10 -6 微透水10 -6 ≤K10 -5 弱透水10 -5 ≤K10 -4 中等透水10 -4 ≤K10 -2 强透水10 -2 ≤K0． 6 m 的弧线型 沟槽灌入式桩孔压入式落底截水帷幕,是帷幕截水 综合技术在我国露天煤矿领域的首次成功应用。 2通过室内与现场试验和技术研发,解决了低 强度抗渗混凝土配合比技术、超长槽段开挖与护壁技 术、防渗膜大深度垂向铺设与连接技术、粉煤灰-水 泥混合浆液注浆回填技术、砾石层中高压旋喷成桩技 术等 5 项关键技术。 3采用钻孔取心验证法、围井抽水试验法、流 场观测法和疏排水量变化分析法对截水帷幕效果进 行检验,结果表明混凝土浇筑连续均匀,粉煤灰-水 泥混合浆液充填密实、胶结完好,高压旋喷桩和钻孔 咬合桩桩径达标、桩体完整;墙体渗透性达极微透水 级;矿坑疏排水量大幅减少,帷幕墙截水效果明显,达 到了工程目的,4 种效果检验方法具有普遍适用性。 4我国露天煤矿首个大型截水帷幕的顺利实 施具有重要的环保效益和工程示范意义,对其他露天 煤矿的防排水工作具有借鉴和推广应用价值。 参考文献References [1] 丛蔼森. 地下连续墙的设计施工与应用[M]. 北京中国水利水 电出版社,2001. 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