基于低强度抗渗混凝土的露天煤矿帷幕截水技术

曹海东，苗贺朝，迟 赞，高思华

(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)

常规混凝土原料丰富，价格低廉，生产工艺简单，具有良好的塑性、较高的抗压强度和较好的耐久性，在土木、水利等基础设施建设领域得到广泛应用。低强度抗渗混凝土是一种以膨润土、黏土、粉煤灰等集料取代普通混凝土中的部分水泥，并根据需要掺加一定外加剂而成的大流动性混凝土，既具有低强度、低弹性模量与大变形的特性，又具有良好的抗渗性能，同时兼具材料来源广泛、低成本、施工简便、适用性强、耐久性好等诸多优点，主要应用于围堰、土石坝、病险坝加固及人工湖等工程[1-4]。

目前，国内露天煤矿开采过程中对地下水一般采用疏排降水处理[5-7]。长时间大流量地疏排降水，不仅造成地下水资源极大浪费，引发矿区周边生态系统退化，还加剧矿区周边水资源短缺的局面[8-10]；且矿坑水的排放易引起地表河流及地下水体污染。同时，大量疏排降水也会引发矿坑边坡失稳滑塌、地面沉降等一些地质灾害，其治理费用也会增加露天煤矿的吨煤生产成本[11-12]。

为保证露天煤矿防治水工作的降本增效，并充分利用低强度抗渗混凝土的优异性能，本项研究以内蒙古某露天煤矿为例，通过在矿区外围施工低强度抗渗混凝土地下连续墙与阻水帷幕，从根本上截断矿坑中地下水渗流补给通道[13]，以便为露天煤矿水害防治提供新的思路和方法。

1 工程概况

内蒙古某露天矿位于我国内蒙古东部草原区，主采9 煤，生产以来，一直采用疏干井强排方式对地下水位进行疏降。自2017 年以来，矿坑水位保持在+505 m 水平，矿坑疏排水量远大于初步设计中预计的水量，含水层渗透系数为0.56～260 m/d，平均约120 m/d。前期勘探资料与生产剥采过程中疏排水试验及水位观测等资料综合分析表明：矿坑疏排水量主要来源为海拉尔河通过第四系强渗透砾石层沿煤层隐伏露头动态补给，动态补给量约占疏排水总量的 82%以上。因此，本工程截渗减排目标层为砾石层，其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。

根据该露天矿北部水文地质条件、边坡安全要求及地表空间受限等因素影响，该工程最终采用低强度抗渗混凝土地下连续墙与其他阻水帷幕相结合的方案对渗水通道进行截流。防渗要求为墙体渗透系数小于0.001 m/d，即1.16×10-6cm/s。同时，位于煤层露头以外的帷幕墙体，要求墙体底部进入砾石层底板隔水层1 m。最终抗渗混凝土地下连续墙工程设计为：墙体长度为1 288.6 m，墙体深度21～66 m。墙体深度40 m 以浅时，墙体厚度0.6 m，墙体深度40 m 以深时，墙体厚度0.8 m。图1 为露天矿综合截水工程平面示意图。本文仅针对低强度抗渗混凝土地下连续墙在露天煤矿中的应用技术进行研究。

图1 截水工程平面示意Fig.1 Schematic diagram of water cutoff curtain project

2 混凝土配合比与抗渗机理

2.1 原材料

a.水 泥 采用 P.O 42.5 水泥，比表面积为350 m2/kg，碱质量分数为0.54%。

b.粉煤灰 F 类Ⅱ级粉煤灰，细度为9%；需水量比为91%；烧失量为1.6%，游离氧化钙质量分数为0.2%。

c.膨润土 采用钠基膨润土，其液限为82.6%，塑限为27.6%，塑性指数为55.0。

d.砂 产于内蒙古鄂温克旗大雁镇，Ⅱ区中砂，细度模数为2.7，含泥量为2.3%；泥块质量分数为0.6%；含水率小于等于6.0%。

e.石 取内蒙古鄂温克旗大雁镇5～40 mm 卵石，含泥量为1.3%；泥块质量分数小于等于0.4%；含水率小于等于1.0%；压碎指标为8.5%，针片状质量分数小于等于10%，级配连续。

f.泵送剂 主要成分为聚羧酸系减水剂，减水率为28%，含气量为3.1%，初凝时间为33 h，终凝时间为35 h，预拌混凝土2 h 坍落度损失小于15%。

g.水 搅拌混凝土用水为当地地下水。

2.2 配合比

抗渗混凝土在水利工程中已广泛应用，其配合比设计比较复杂，通常是根据工程对混凝土强度、弹性模量、抗渗性能等要求，抓住水胶比、砂率、膨润土及粉煤灰掺量等主要性能参数，依照假定密度法的设计原则，结合经验值，反复进行适配试验，直到混凝土能够满足工程性能要求。配合比设计方法及基本步骤如下。

①假定混凝土密度为ρ，取值可参考经验值，见表1。

表1 混凝土等级与对应密度Table 1 concrete grade and corresponding bulk density

② 根据基本关系式及经验值，推算各掺料相对关系。基本关系式有：

推算关系式有：

式中：ρ0为塑性混凝土假定密度，kg/m3；Ms、Mr、Mw、Mc、Mp、Mf分别为1 m3塑性混凝土中砂、石、水、水泥、膨润土、粉煤灰的质量，kg；s为砂率一般控制在50%左右；n为水胶比值，一般控制在，0.6～1.3。

③根据前一次试配混凝土性能调整各材料的掺量，直到混凝土满足工程设计要求。

本次混凝土试配试验设计方案见表2，每种配合比下混凝土的性能指标见表3。经试验验证，6 种混凝土各项性能指标均能满足本工程抗渗及强度等要求。最终依照质量可靠、成本低廉的配方选择原则，采用表2 中第6 种配合比方案。

2.3 渗透与抗渗机理

2.3.1 渗透机理

混凝土渗透性能主要由孔隙率、孔径大小、微裂隙等微观结构决定。水胶比是混凝土配合比设计中的重要指标，它对混凝土的抗渗性能有较大影响[14-15]。在其他条件一定时，水胶比越大，混凝土的抗渗性越差。这是因为水胶比越大，混凝土凝固过程中就会有越多的自由水；过量自由水的存在会导致水泥水化完成后，水化产物无法完全占据自由水的空间，进而产生大量孔隙和毛细孔，这些微观孔隙将增大低强度混凝土的渗透性。同时，施工中振捣不密实也会造成混凝土内部空隙。内部骨料在混凝土浇筑完成后，会有一定程度的沉降或上升。骨料的沉降和上升均会在混凝土内部形成贯通的毛细管，为后期液体渗透提供通道。由于温度应力差、干湿循环、冻融循环等外部因素作用，混凝土会产生收缩徐变，逐步引发混凝土内部产生微裂缝，进而导致混凝土的渗透性继续增大。

表2 混凝土试配试验设计方案Table 2 Design scheme of concrete trial fitting test

表3 试配试验混凝土性能指标Table 3 Performance index of concrete of test

2.3.2 抗渗机理

拌制抗渗混凝土的基本原则是：在保证混凝土流动性与和易性等施工条件的同时，尽量降低混凝土水胶比，提高混凝土的致密性。适度降低混凝土的水胶比可以在一定程度上减小水泥水化产物，相应地，产生的水泥水化网状结构也较普通混凝土单薄。单薄的网状结构能够组成完整的骨架，将大部分骨料粘结、包裹进去，既保证混凝土的稳定性，又提高混凝土的致密性，可以起到抗渗效果。低强度抗渗混凝土在拌合物中加入适量膨润土、粉煤灰等细集料，可能降低混凝土的强度和刚度，但可提升混凝土的塑性变形能力及抗渗性能[16-17]。这是因为：①膨润土的主要矿物成分为蒙脱石，其层状结构的剥离能有效填充水泥水化过程中的孔隙；在水泥水化过程中，水化产物针状钙矾石在无序生长过程中与蒙脱石较好地结合在一起，有的钙矾石晶体穿层而过；② 未参与化学反应的膨润土和粉煤灰细颗粒可以较好地将水泥颗粒及其水化产物间的空隙堵塞；③膨润土中黏土颗粒带有正负电荷，能够吸附大量水分子，使部分自由水变成结合水，降低渗水通道的截面，且在泥浆护壁工艺中掺加的膨润土会在地下连续墙体内外两侧形成一定的阻水层。因此，低强度混凝土地下连续墙具有较好的抗渗性能。

3 混凝土连续墙施工关键工艺

抗渗混凝土连续墙施工技术与主要施工工艺流程如图2 所示。

图2 地下连续墙施工工艺流程Fig.2 Construction process of underground continuous wall

3.1 槽段划分与开挖

3.1.1 槽段划分

受施工工艺限制，地下连续墙需划分为多幅。为保证施工质量，提高施工效率，将每个单元段分一期槽及二期槽。一期槽的分幅宽度为8 m，包括二期成槽时两端铣掉的30 cm 宽混凝土，二期槽的铣槽宽度为2.8 m。铣接法地下连续墙分幅及施工顺序如图3 所示。

3.1.2 槽段开挖

根据地勘资料，并借鉴类似工程经验，最终本工程成槽采用双轮铣配合液压抓斗的方案。一期槽25 m 以上土体采用液压抓斗机进行成槽，25 m以下土体采用双轮铣进行铣槽。这样做既保证施工效率，又提高成槽的精确度。二期槽用双轮铣一铣成槽，成槽前使用导向架进行精确定位。当槽段完成后，用超声波测壁仪在槽段内扫描壁面，测量地下连续墙垂直度及成槽状态，对成槽质量进行评价。

图3 地下连续墙分幅及施工顺序Fig.3 Layout of subterranean diaphragm wall and sequence of construction

3.2 泥浆护壁与清孔换浆

3.2.1 泥浆护壁

护壁泥浆不仅具有维持槽孔两壁稳定性的主要作用，还有携渣、冷却机具及润滑切土钻具的辅助功能。应将泥浆的密度和含砂量控制在一定范围内，保证护壁泥浆的稳定性。在使用护壁泥浆各拌合料时，应首先对材料的物理和化学性能进行实验、分析，以确保其符合相关的要求和标准。新制泥浆配比为，1 m3固壁泥浆中水为980 kg，膨润土为30 kg，纯碱为1 kg，新制及清孔后泥浆各项性能指标见表5。

表4 泥浆的性能指标Table 4 Performance indicators of mud

3.2.2 清孔换浆

槽孔开挖过程中，会有一些砂石沉降到底部，还有少量其他细渣料悬浮在泥浆中，混凝土浇筑前必须将槽孔底部淤积物清理干净。终孔后应及时清理槽内杂物并更换新配置泥浆。淤积物和砂石等沉渣用抓斗捞取，泥浆换新采用正循环置换法进行。清孔换浆完1 h 后，槽孔底的基泥厚度不得超过10 cm，槽孔内基泥的密度不得超过1.25 g/cm3，含砂量不得大于10%。

3.3 材料浇筑

3.3.1 混凝土浇筑

混凝土浇筑施工过程中，主要采用的是泥浆下、导管升的方式。一期槽段的导管与接头管之间的距离约为1.5 m，每段布设5 套导管，二期槽段每段布设2 套导管。浇筑前用直径略大于导管管径的橡皮球堵塞导管口，导管底端距槽底距离略大于橡皮球直径。首批浇筑混凝土得将导管底端口埋入，埋入深度不小于1 m。在浇筑过程中，适时提升和拆卸导管，保证导管底端埋入混凝土面以下的深度在2～6 m。槽孔里各导管灌注的低强度抗渗混凝土液面高差不宜大于0.5 m。

3.3.2 施工过程质量控制

在浇筑地下连续墙时，每幅墙体低强度抗渗混凝土坍落度检验不少于3 次。抗渗试样留置数量为每300 m3混凝土不少于一组，且每幅不少于1 组。抗压强度试样留置数量为每150 m3混凝土不少于1组，且每幅不少于2 组。将留置的抗渗试样及抗压试样在实验室养护并及时进行相应检测试验，湿度及温度等养护环境尽量与施工现场保持一致。且要根据低强度混凝土的初终凝时间严格控制好槽段两端拔管的时间与速度。

3.3.3 墙底注浆

墙底注浆可在一定程度上克服槽底局部沉渣引起的连续墙沉降。墙底注浆采用水灰比为0.5～0.6的P.O42.5 普通硅酸盐水泥浆液，在注浆前选择网眼小于40 μm 的过滤筛对水泥浆液进行过滤，注浆管选用壁厚3 mm、管径32 mm 的钢管。一期和二期槽段注浆管的数量分别为：不少于3 根和1 根。注浆管在墙体浇筑之前布设于槽段合理位置，注浆管底端位于槽底以下200～500 mm，可将声测管兼作注浆管。

在混凝土初凝后终凝前，首先利用清水对槽孔底部进行劈裂开塞，待混凝土强度达到设计强度的70%后，开始进行压浆施工。压浆施工参数是在正式注浆前，选择有代表性的墙段进行注浆试验而获取。墙底注浆终止标准采用注浆量和注浆压力双控原则，满足其中一条即终止注浆。注浆量及注浆压力控制原则分别为：注浆量达到设计要求时；注浆压力超过2 MPa 并持续3 min，且注浆量达到设计注浆量的80%时。墙底注浆可在一定程度上克服槽底局部沉渣引起的连续墙沉降。

3.4 槽段连接

抗渗连续墙相邻槽段施工接缝的形式对墙体整体抗渗及变形特性有至关重要的影响。根据墙体结构形式、受力特征和止水要求，槽段的施工接头采用“接头管”的方法。该方法的拔管时间和速度直接影响接头缝质量，因此，要进行严格控制。混凝土浇注后强度达 0.05～0.2 MPa时，或浇注开始后10.5～14 h(视温度而定)，开始逐渐缓慢拔出。初期每隔20～30 min起拔一次，每次起拔30～l00 cm，后续起拔管速度一般为2～4 m/h，且接头管在一期槽孔混凝土终凝前全部拔出。

相较于传统的煤矿止水帷幕[18-19]工艺，该低强度混凝土地下连续墙具有如下优点：①施工振动小、噪音低，对周围土体扰动小；② 可以在软弱冲积层、中硬地层、密实砂砾层、软岩等各种土质中进行施工；③施工占地少，在不排出地下水的情况下就可以施工；④ 施工机械化程度高，可缩短工期、质量安全可靠、经济效益好。该工艺存在的不足是：①泥浆护壁后产生的废泥浆处理比较麻烦；② 施工工艺控制比较严格，对相邻槽段接缝处止水要求较高。总体来讲，该工法适用范围较广，防渗止水效果较好。

4 墙体质量与效果检验

4.1 留置试样测试

对墙体混凝土浇筑过程中同步留置的试样分别进行抗压及抗渗性能测试。经测试：90 d 龄期试样抗压强度达8.5 MPa，渗透系数达5.9×10-7cm/s，与试配试验结果基本一致。

4.2 钻孔取心与超声波检测

混凝土浇筑90 d 后，在抗渗连续墙内采用钻孔取心验证。如图4 所示，所取岩心连续、完整。对所取岩心样进行抗压强度测试，其抗压强度达8.3 MPa。此外，采用超声波检查墙体的连续性及密实度，主要包括超声波高差同步及水平同步2 种方法。高差同步主要检测超声频率、超声振幅及超声波时，水平同步则主要检测超声频率及超声波时[20]。检查的抽样比例为30%，超声波检测结果显示均为I类桩[21]，即动测波形衰减较规则，无异常杂波，波速正常，桩身完好，满足设计要求。综合超声波检测数据与钻探取心试验结果分析，可得出该抗渗混凝土抗渗墙整体上质量比较均匀、密集，具有较好的抗渗性及力学性能，满足该工程功能要求。

图4 抗渗混凝土帷幕墙岩心Fig.4 Coring of impermeable concrete curtain wall

4.3 围井抽水试验与流场监测

为检验地下连续墙的防渗性能，墙体浇筑90 d后在现场进行围井抽水试验[22-23]，即选取一段地下连续墙，另外构筑3 段与其材质、厚度相同的地下连续墙，在由这4 段地下连续墙体围成的封闭四边形内进行抽水，同时在连续墙体内外两侧进行流场水位监测。当墙体内侧抽水量与外侧水位稳定后，采用达西公式进行渗透系数近似求解，公式如下：

式中：K为渗透系数，cm/s；Q为墙内稳定抽水量，m3/h；I为水力梯度；A为渗透面积，m2；ΔH为水位差，m；D为墙体厚度，m；a、b分别为围井尺寸，m。经计算得墙体的渗透系数K=8.67×10-7cm/s。

围井抽水试验和水位监测数据表明，抗渗混凝土连续墙的布设明显增大了墙体外侧与内侧的水力梯度，既提高外侧草原区地下水位，又使内侧规划矿区地下水位大幅下降。抗渗帷幕的实施从根本上大幅度减少矿坑疏排水量。

5 结论

a.依据某露天煤矿水文地质条件，研制一种低强度抗渗混凝土，其水胶比值为0.68，砂率为45%，每1 m3混凝土中各材料质量分别为：水泥180 kg，粉煤灰200 kg，膨润土20 kg，砂720 kg，石子880 kg。该混凝土90 d 龄期的强度达8.3 MPa，渗透系数为8.67×10-7cm/s，具有良好的工程性能。

b.应用低强度抗渗混凝土地下连续墙对露天煤矿矿区渗流补给通道进行截流，钻孔取心、超声波检测、围井抽水试验、水位监测等结果表明，抗渗混凝土连续墙墙体完整、稳定，低强度抗渗混凝土连续墙的应用效果良好，从根本上大幅度减少矿坑疏排水量，有力地保障矿坑安全生产，有效地保护矿区水资源及矿坑周边草原植被等生态环境。

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