深厚砂卵石层低温动水条件下咬合桩帷幕材料研发_彭巍.pdf

第 48 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.4 2020 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Xian Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xian 710077, China; 3. Hulun Buir University, Hulun Buir 021122, China Abstract In order to reduce the water drainage of the studied open-pit mine, a curtain wall is proposed to cut off the river supply on the north side. With full consideration of the realities of construction site, the occluded pile curtain is applied in an areas with a high voltage line overhead. The gravel layer thickness of the construc- tion area is 45 m and the permeability coefficient is up to 100 m/d, with 0.033 hydraulic gradient and 5℃ ground- water temperature maintained for a long time. In order to ensure fast pile ation in deep gravel layer and low temperature dynamic water condition, a mixed impermeable material with fly ash as the main and cement and fly ash additives as the auxiliary was developed. Then, tests were carried out on the setting time, setting rate, fluidity and impermeability of the material. The mixed materials with water cement ratio of 0.7︰1.0, cement content of 40, fly ash content of 60 and fly ash activator content of 2 shows the best perance setting time, 102 h; setting rate, 94.6; fluidity, 23 cm; 3 d strength, 1.06 MPa; 90 d strength, 11.65 MPa; and the permeability coeffi- cient was as low as 8.6110-8 cm/s. By coring verification, the pile quality met the requirements and the water cut off effect was remarkable. The material can be used in similar projects given its anti-permeability, competitive price as well as environmental protection. ChaoXing 第 4 期 彭巍等 深厚砂卵石层低温动水条件下咬合桩帷幕材料研发 81 Keywords sand and gravel; low temperature; under dynamic water condition; occluded pile; material perance 我国煤炭资源露天开采的比重从2000年的4增 加到目前的 17左右，煤炭产量达 7.6 亿 t/a，采用疏 排降水方法进行矿坑水疏降或疏干，导致矿区周围地 下水下降迅速、植被枯死、井泉干涸、土地荒漠化等 生态环境问题[1-6]。 在煤矿复杂水文地质条件下采用快 速封堵及动水注浆可形成阻水帷幕， 有效封堵顶底板、 巷道和断层等过水通道[7-9]。 阻水帷幕是矿区针对强富 水、强补给含水层地下水保护性开采与露天矿减少疏 排水量的有效手段[10-13]。在架空高压线、地埋管线等 无法使用大型机具构建帷幕的区域，适宜采用钻孔咬 合桩帷幕方案。咬合桩适用于不同地质条件，具有 地层扰动小、抗渗能力强、造价低、施工速度快等 优点[14-16]。传统咬合桩采用超缓凝素混凝土灌注，材 料成本偏高、灌注工艺复杂。低温、动水条件下咬合 桩材料凝结缓慢、早期强度极低、成桩困难、抗渗性 能差，无法满足帷幕阻水要求[14-16]。为解决咬合桩材 料成本高、低温动水条件下凝结时间长、强度低、抗 渗性差的问题，亟需开展针对露天煤矿深厚砂卵石层 低温动水条件下咬合桩材料的研究， 研发一种成本低、 凝结时间适宜、强度高、抗渗性好的咬合桩材料。 1 工程概况 研究区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，设计生产能力 6.0 Mt/a，主 要开采 9 煤，采用疏干井强排疏降地下水。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。 1.1 露天矿地下水补径排条件 露天矿区地势南高北低，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]。研 究区地处温带北部，冬季寒冷漫长，夏季温凉短促。 全年气温冬冷夏暖， 温度降差大， 年平均气温在 0℃ 以下，研究区地下水温度常年保持在 5 ℃左右。 如图 1 所示，地表腐殖土厚约 0.5 m，腐殖土下 为细砂层， 厚 3.5～6.5 m， 下伏的砂卵石层渗透性好， 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。 露天煤矿开采前，受地势南高北低影响，自然 状态下地下水径流方向由南向北。2013 年，受矿坑 疏排水影响，地下水径流方向变为向东北、北向疏 降中心径流，疏降中心形成疏降漏斗[1]。 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， 动态补给量约占疏排水总量的 82以上。 图 1 露天煤矿地层结构示意 Fig.1 Schematic diagram of strata structure in the open-pit coal mine 1.2 阻水帷幕方案 矿坑疏排降水影响露天煤矿正常生产与接续、 破坏周边草原生态环境、造成水资源浪费，为减少 露天煤矿矿坑疏排水量、保护草原水资源和生态环 境，拟采用阻水帷幕替代传统的露天煤矿疏排降水 方案。 如图 2 所示，帷幕全长 5 815 m，帷幕墙厚 0.6～0.8 m，深度 21～56 m，分别采用低强度抗渗混 凝土帷幕、充填防渗材料的 HDPE 防渗膜帷幕、超 高压角域变速射流注浆帷幕、咬合桩帷幕工艺。 2 咬合桩帷幕工艺 2.1 施工工艺 咬合桩是相邻混凝土排桩间部分圆周相嵌， 使之形成具有良好防渗作用的整体连续挡土围护 结构。传统咬合桩的排列方式为一条不配筋并采 用超缓凝素混凝土桩和一条钢筋混凝土桩间隔布 置[17-18]。 如图 2 所示，受复杂地层条件、架空高压线缆、 排水管道等影响，帷幕全线有 4 处需采用咬合桩工 艺构建帷幕，全长 372.5 m，咬合桩帷幕各段分别长 328.3、9.5、14、20.7 m。露天煤矿咬合桩帷幕构建 时，低强度抗渗混凝土与 HDPE 防渗的阻水帷幕已 建造完成 1 900 m 左右，咬合桩帷幕区域的水力梯度 增大为 0.012～0.033，地下水流速达到 1.20～5.94 m/d， 且水力梯度和水流速度不断增大。在低温、动水条 件下，咬合桩易塌孔、成孔困难、桩体凝结时间长、 强度低、抗渗性差。 ChaoXing 82 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 2 露天矿截水帷幕平面示意 Fig.2 Plane sketch of water barrier curtain in the open-pit coal mine 如图 3 所示，设计咬合桩桩径 1 m，桩与桩之 间咬合搭接 0.3 m，采用旋挖钻机施工。受低温和动 水条件影响，咬合桩材料凝结时间长、受动水扰动 大，若采用二序施工，在砂卵石层中施工桩孔时将 对临近咬合桩桩体产生进一步的扰动，破坏桩体完 整性。为增大桩体施工间隔、减小桩体之间的相互 影响、提高桩体完整性，咬合桩帷幕采用三序施工， 先施工一序桩孔Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3，灌注咬合桩防渗 材料；再施工二序桩Ⅱ-1、Ⅱ-2，灌注咬合桩防渗 材料；最后施工三序桩Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3、Ⅲ-4 咬合 一序和二序桩，灌注咬合桩防渗材料。 图 3 咬合桩帷幕平面示意 Fig.3 Plane sketch of occluded pile curtain 2.2 防渗材料要求 受场地架空线缆和排水管线限制，采用导管法 浇筑的超缓凝素混凝土无法正常浇筑。为降低防渗 材料成本、克服场地架空线缆和排水管线导致材料 浇筑困难、解决低温动水条件下咬合桩桩体凝结时 间长、强度低、抗渗性差的问题，拟利用煤电基地 固废材料替代传统的超缓凝素混凝土作为咬合桩帷 幕材料，提高咬合桩材料性能，降低造价，实现露 天煤矿绿色环保截水。 根据施工现场 5℃地下水温、动水条件和咬合桩 施工工艺要求， 咬合桩帷幕材料凝结时间不低于 60 h、 不大于 120 h低温环境下。为方便三序咬合桩施工， 要求咬合桩桩体早期强度较低，后期强度高，抗渗 性好，3 d 强度不大于 1.2 MPa，90 d 强度不低于 10.0 MPa，渗透系数不大于 10-7 cm/s；为便于咬合桩 材料输送及帷幕灌注，咬合桩帷幕材料的结石率不低 于 94，流动度不小于 22 cm。 3 咬合桩帷幕材料性能 咬合桩帷幕材料拟采用粉煤灰-水泥混合防 渗材料， 主要原材料有 P⋅O42.5 普通硅酸盐水泥、 粉煤灰、粉煤灰活性激发剂及饮用水，其中水泥 比表面积为 350 m2/kg，3 d 和 28 d 抗压强度分别 为 22.8 MPa 和 49.9 MPa， 抗折强度分别为 4.0 MPa 和 8.4 MPa；粉煤灰为当地电厂Ⅱ级灰，需水量 81，烧失量 4.3，SiO2质量分数为 63，Al2O3 质量分数为 19.7，活性指数 75，其他参数见 表 1。 表 1 粉煤灰主要化学成分 Table 1 The main chemical components of fly ash 各化学成分质量分数 ω/ SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO TiO 63.0019.70 15.000.66 0.62 0.32 ChaoXing 第 4 期 彭巍等 深厚砂卵石层低温动水条件下咬合桩帷幕材料研发 83 3.1 咬合桩防渗材料配比 为满足咬合桩防渗材料性能要求，初步进行粉煤 灰掺量质量占比50、60、70、80共 4 种配比 的室内配合比加速养护实验，经过经济、技术对比分 析，确定粉煤灰掺量 60、水泥掺量 40的防渗材料 配比。 在此基础上，研究粉煤灰、水泥质量比为 6︰4、 水灰比分别为 0.6︰1.0、0.7︰1.0、0.8︰1.0、0.9︰1.0 这 4 种工况下的防渗材料结石率与流动度，结果如 图 4 所示。结果表明，结石率与水灰比呈负相关关 系[16-17]，水灰比 0.6︰1.0、0.7︰1.0、0.8︰1.0、0.9︰1.0 的防渗材料结石率分别为 96.1、94.6、93、91。 图 4 咬合桩帷幕材料结石率 Fig.4 Stone rate of occluded pile curtain material 防渗材料流动度与水灰比呈正相关关系，水灰 比 0.6︰1.0、0.7︰1.0、0.8︰1.0、0.9︰1.0 的防渗材 料流动度分别为 18、23、28、34 cm。 综合结石率和流动度参数，咬合桩帷幕材料水 灰比 0.7︰1.0 较佳， 结石率为 94.6， 流动度为 23 cm， 满足泵送和灌注要求。 最终确定防渗材料的配比为水灰比 0.7︰1.0、 粉煤灰掺量 60、水泥掺量 40，为克服地下水低 温和动水条件影响，优选并添加适量的粉煤灰活性 激发剂，所配制的咬合桩帷幕材料成本仅为当地防 渗混凝土的 60左右。 3.2 凝结时间 进行 5℃低温环境下防渗材料的初凝、终凝时 间测试，筛选并掺加 A、B、C、D、E、F 共 6 种粉 煤灰激发剂，对比分析粉煤灰激发剂对防渗材料凝 结时间的影响。 防渗材料装模后放入恒温恒湿箱中养护，温度 5℃，湿度 90，养护到维卡仪初凝试针沉至距离底 板 4 mm1 mm 时所需时间为咬合桩帷幕材料初凝 时间[19-21]。咬合桩帷幕材料初凝后，将试模连同浆 体以平移的方式从玻璃板取下翻转 180，直径大端 向上、小端向下放在玻璃板上，放入恒温箱中继续 养护，维卡仪终凝试针沉入试体 0.5 mm、环形附件 在试体上无痕迹时，达到终凝状态。 如图 5 所示，无粉煤灰激发剂时，防渗材料初 凝时间 162.5 h，终凝时间 168 h。从经济角度考虑， 粉煤灰激发剂掺量选择 5以内进行对比分析。 防渗 材料初凝时间、 终凝时间与粉煤灰激发剂 A、 B、 D、 E 掺量呈负相关关系，最多可缩短初凝时间 67.5 h、 终凝时间 72 h。防渗材料初凝时间、终凝时间随 着粉煤灰激发剂 C、F 掺量先减小、后略增大，最 多可缩短初凝时间 81.5 h、终凝时间 80.5 h。 图 5 不同激发剂参与下咬合桩帷幕材料凝结时间 Fig.5 Setting time of occluded pile curtain material with different exciting agents 由表 2 可知， 在环境温度为 5℃时， 无激发剂和掺 加了激发剂质量分数 2A、2B、2C、5D、2E、 3F 的同配比防渗材料初凝时间为 20℃环境温度的 3.46、3.31、3.06、3.18、3.79、3.4、2.36 倍，终凝时间 为 20℃环境温度的 3.40、 2.93、 2.93、 3.14、 3.62、 3.47、 2.29 倍。由此可见，环境温度对防渗材料凝结时间影 响极大，低温环境下需掺加粉煤灰激发剂缩短防渗材 料凝结时间。 ChaoXing 84 煤田地质与勘探 第 48 卷 表 2 不同环境温度下的凝结时间对比 Table 2 Comparison of setting time under different environmental temperature 20℃ 5℃ 激发剂掺量 初凝时间/h 终凝时间/h 初凝时间/h 终凝时间/h 无激发剂 47.0 49.4 162.5 168 2A 31.3 35.8 103.5 105 2B 46.1 49.1 141.0 144 2C 27.0 29.0 86.0 91 5D 36.9 38.9 140.0 141 2E 34.7 37.2 118.0 129 3F 37.2 40.2 88.0 92 经对比、分析得出，粉煤灰激发剂 B 掺量 3 时效果最好， 但激发剂 B 的成本是激发剂 A 的 3 倍， 效果仅提高 20左右，因此，选择激发剂 A，掺量 为 2。激发剂 A 2掺量时，防渗材料凝结时间得 到显著缩短，经济、高效、合理，在温度 5℃、湿 度 90条件下，可缩短防渗材料初凝时间 59 h、终 凝时间 63 h。 3.3 单轴抗压强度 按照水灰比 0.7︰1.0、粉煤灰掺量 60、水泥 掺量 40、粉煤灰激发剂 A 掺量 2的材料配比制 备 70.7 mm70.7 mm70.7 mm 的抗压试样，1 d 脱 模，将抗压试样放置在 YH-90B 型标准养护箱中养 护， 养护温度 20℃， 湿度 95。 按照 JGJ/T 702009 建筑砂浆基本性能试验方法标准要求进行无侧 限单轴抗压强度试验[22]。 由 3、7、14、28、60、90 d 的无侧限单轴抗压 强度结果可知图 6， 防渗材料的强度与养护时间呈 正相关关系，掺加 2激发剂 A 的防渗材料较无激 发剂的强度提高 39.7～90.0，粉煤灰激发剂对防 渗材料强度的正向促进作用明显。防渗材料的早期 强度较低，3 d 时仅 0.75 MPa，掺加 2激发剂 A 的 图 6 咬合桩帷幕材料单轴抗压强度 Fig.6 Uniaxial compressive strength of occluded pile curtain material 强度提高 41.3，达到 1.06 MPa，较低的桩体强度 便于三序咬合桩咬合施工。防渗材料的后期强度较 高，90 d 时达到 8.34 MPa，掺加 2激发剂 A 的强 度提高 39.7，达到 11.65 MPa。 3.4 抗渗性能 按照水灰比 0.7︰1.0、粉煤灰掺量 60、水泥 掺量 40、粉煤灰激发剂 A 掺量 2的材料配比制 备上口直径 70 mm、下口直径 80 mm、高 30 mm 的 截头圆锥形抗渗试样，1 d 脱模，将圆锥形抗渗试样 放置在 YH-90B 型标准养护箱中养护，养护温度 20℃，湿度 95。按照 JGJ/T 702009建筑砂浆 基本性能试验方法标准要求进行抗渗试验[22]，并 计算出渗透系数，见表 3。 表 3 咬合桩帷幕材料渗透系数 Table 3 Permeability coefficient of occluded pile curtain material 渗透系数/10-7 cms-1 时间/d 无激发剂 掺激发剂 28 22.91 3.620 60 10.28 2.410 90 3.49 0.861 由表 3 可知，进行了 28 d、60 d、90 d 的防渗材 料抗渗试验。防渗材料的渗透系数与养护时间呈负相 关关系，掺加 2激发剂 A 的咬合桩帷幕材料较无激 发剂的渗透系数分别降低 84.1、82.3、73.6，粉 煤灰激发剂对防渗材料的抗渗性具有明显的正向促进 作用，90 d 的防渗材料渗透系数达到 8.6110-8 cm/s。 3.5 微观结构 防渗材料的致密性与养护时间呈正相关关系， 90 d 的防渗材料微观结构较 28 d 的更加致密图 7。 随着养护时间的增长，防渗材料的粉煤灰水化反应 参与度增高，粉煤灰颗粒周围的水化产物增多，颗 粒间的空隙进一步缩小，防渗材料的单轴抗压强度 进一步提高，渗透系数进一步减小。 ChaoXing 第 4 期 彭巍等 深厚砂卵石层低温动水条件下咬合桩帷幕材料研发 85 图 7 咬合桩帷幕材料 SEM 微观结构 Fig.7 SEM microstructure of occluded pile curtain material 综合试验结果可以看出，水灰比 0.7︰1.0、粉 煤灰掺量 60、水泥掺量 40、激发剂 A 掺量 2 的防渗材料的凝结时间、结石率、流动度、强度、 渗透系数均满足要求， 可作为咬合桩帷幕材料使用。 4 咬合桩阻水帷幕效果 截至 2019 年 10 月，露天煤矿完成了架空高压线 缆、 排水管道等 4 处咬合桩帷幕 372.5 m 的施工图 2。 在 4 段咬合桩帷幕墙体分别钻孔取心检验咬合 桩桩身完整性、桩与桩咬合位置连续性。如图 8 所 示，通过施工的多处钻孔取心资料可以看出，深厚 砂卵石层低温动水条件下的咬合桩、咬合桩搭接段 取心率高，RQD 达到 92，岩心连续、完整、密实。 经试验检测，咬合桩帷幕岩心强度和抗渗性与设计 参数吻合，满足露天煤矿阻水要求。 图 8 咬合桩帷幕取心效果 Fig.8 Cores of the occluded pile curtain 截至 2019 年 10 月，5 815 m 帷幕墙构筑完成， 研究区露天煤矿疏排水量大幅度减少，露天煤矿水 资源得到保护，帷幕墙外水位由 617.94 m 逐渐抬升 至 620.46 m， 墙内水位由 617.55 m 下降至 611.04 m， 墙体内外两侧的水位差进一步拉大至 9.42 m，墙外 水位埋深减小至 6～7 m。有关研究表明，草原植被 的归一化植被指数在地下水位埋深 0～1 m 时最高； 地下水位埋深在 2～6 m 时， 随着地下水位埋深的增大， 草原植被归一化植被指数波动不明显；当地下水位埋 深超过 6 m 时，草原植被归一化植被指数呈下降趋 势[23]。露天煤矿阻水帷幕的实施将帷幕外侧地下水位 埋深由 9 m 抬升至 6.5 m 左右，草原水位抬升有利于 农牧灌溉，矿区周边生态环境得到有效保护。 5 结 论 a. 深厚砂卵石层低温、动水条件下的咬合桩帷幕 材料配比为水灰比 0.7︰1.0、粉煤灰掺量 60、水泥掺 量 40、粉煤灰激发剂掺量 2；在粉煤灰激发剂的作 用下， 低温环境下初凝时间缩短 59 h， 标养条件下 28 d 强度提高 61，90 d 渗透系数达 8.6110-8 cm/s。 b. 将传统咬合桩的二序施工调整为三序施工， 减少砂卵石层桩间干扰， 提高施工效率； 在咬合桩帷 幕中采用粉煤灰防渗材料替代传统的超缓凝混凝土， 合理利用了煤电基地的固废材料， 降低了咬合桩帷幕 材料的成本，实现了煤电固废无害化资源化利用。 c. 粉煤灰激发剂对咬合桩帷幕材料的凝结时 间、强度、抗渗性具有明显的正向促进作用，咬合 桩帷幕材料微观结构更加致密，但其对粉煤灰基注 浆材料的耐久性、耐候性有待进一步研究。 d. 咬合桩搭接段岩心连续、 完整， 应用效果良好， 露天煤矿疏排水量较帷幕建造前大幅度减少，水资源 得到了有效保护，研制的低温、动水条件下帷幕材料 在煤炭基地阻水帷幕、注浆工程中具有推广意义。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 张雁. 露天煤矿防渗墙截渗减排机制及工程应用研究[D]. 北 京煤炭科学研究总院，20181-3，112-119. 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