王 海 ，黃選明 ，張 雁 ，曹海東 ，孫 浩 ，苗賀朝 ，田增林

（1.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司, 陜西 西安 710077；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116；3.國(guó)家能源集團(tuán)內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 赤峰 024076）

0 引 言

礦產(chǎn)資源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，礦業(yè)支撐了我國(guó)70%以上的國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)[1]，2020 年我國(guó)能源消費(fèi)總量49.8 億t 標(biāo)煤，一次能源消費(fèi)量預(yù)計(jì)在2030 年前后達(dá)峰，峰值52.9 億～61.4 億t 標(biāo)煤[2]。我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，但開(kāi)發(fā)利用難度較大，整體開(kāi)發(fā)利用效率較低[1]。截至2019 年，我國(guó)煤礦數(shù)量5 268 處，非煤礦山大體3 萬(wàn)多座[3-4]。礦業(yè)開(kāi)發(fā)導(dǎo)致礦區(qū)周邊地下水位下降、水資源浪費(fèi)、水質(zhì)污染、地表塌陷、土地退化、植被覆蓋度減少、地下水資源和生態(tài)環(huán)境受到不同程度影響[5-8]。王雙明等[9]指出礦產(chǎn)資源是地球演化過(guò)程形成的層狀沉積礦產(chǎn)，是近地表地殼的組成部分，開(kāi)采會(huì)對(duì)地質(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境造成損害。顧大釗等[10]調(diào)研了全國(guó)11 個(gè)省、自治區(qū)的396 座生產(chǎn)礦井，統(tǒng)計(jì)分析得出我國(guó)平均煤礦富水系數(shù)約為1.87，礦井水平均利用率約為35%，每年外排礦井水40 多億m3[10]。我國(guó)部分礦山位于強(qiáng)富水強(qiáng)補(bǔ)給的砂卵石層區(qū)域，松散層滲透系數(shù)大，受地表河流側(cè)向補(bǔ)給，常采用抽水井抽水方式控制或疏降礦坑水位，疏降水量巨大。以內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)集團(tuán)元寶山露天礦為例，露天礦位于英金河與老哈河交匯處，受深厚砂卵石層強(qiáng)滲透性影響，地表英金河與老哈河河水源源不斷滲入礦坑，造成礦坑水量巨大[11]。

針對(duì)礦山開(kāi)采造成的地下水和生態(tài)環(huán)境影響，王雙明[9,12]、顧大釗[10]、董書(shū)寧[6]等分別提出了減損開(kāi)采、煤礦地下水庫(kù)（疏導(dǎo)法）和充填開(kāi)采（堵截法）、基于截水帷幕的礦山主動(dòng)保水技術(shù)?，F(xiàn)有水資源保護(hù)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的礦山以疏排為主的地下水控制方式，減少了環(huán)境破壞，保護(hù)了地下水資源，保障了礦區(qū)生態(tài)地下水位，實(shí)現(xiàn)減損、保水、綠色開(kāi)采。近年來(lái)，強(qiáng)滲松散層截水帷幕相繼在朱仙莊煤礦[13]、張家峁煤礦[14]、西灣露天煤礦[15]、扎尼河露天煤礦[16-18]應(yīng)用，并取得了良好的截水效果。截水帷幕技術(shù)由地面直鉆孔注漿帷幕向地面定向水平孔注漿、溝槽式地下連續(xù)墻帷幕發(fā)展[19]，溝槽式地下連續(xù)墻帷幕是礦山淺表強(qiáng)滲松散層有效的截水方式?，F(xiàn)有礦山強(qiáng)滲松散層截水帷幕存在抗變形能力弱、接頭連接差、阻水率低的問(wèn)題[6,19]。針對(duì)礦山強(qiáng)滲松散層截水需求和存在的問(wèn)題，根據(jù)磁吸密貼原理，研發(fā)了柔性磁吸防滲膜材料及工藝，通過(guò)磁吸防滲膜材料將相鄰的防滲膜帷幕連接為連續(xù)的整體，解決現(xiàn)有截水帷幕抗變形能力弱、接頭連接效果差、阻水率低的問(wèn)題。并開(kāi)展了垂向柔性磁吸防滲膜帷幕室內(nèi)試驗(yàn)、元寶山露天煤礦現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)及效果分析，豐富了截水帷幕技術(shù)體系，為類似工況的礦山提供參考。

1 試驗(yàn)區(qū)工程與水文地質(zhì)條件

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市，年降雨量為340～400 mm，年蒸發(fā)量為1 950～2 000 mm，最大凍結(jié)深度2.01 m。試驗(yàn)區(qū)露天煤礦位于英金河河谷平原上，英金河在露天區(qū)的中部通過(guò)。整個(gè)露天礦區(qū)內(nèi)含煤地層全部被英金河沖積、洪積形成富水性強(qiáng)的第四系含水層覆蓋。

1.1 地形地貌

試驗(yàn)礦區(qū)為低山丘陵地貌，東、西元寶山構(gòu)成玄武巖臺(tái)地。試驗(yàn)礦區(qū)位于東、西元寶山構(gòu)成的2 個(gè)玄武巖臺(tái)地之間的英金河沖積平原上，其兩側(cè)有元寶山礦、風(fēng)水溝礦，兩礦區(qū)地形為第三系玄武巖臺(tái)地，標(biāo)高為+670～+700 m。臺(tái)地周圍為黃土掩蓋的丘陵區(qū)，標(biāo)高為+480～+600 m，試驗(yàn)礦區(qū)地表標(biāo)高+472～+490 m。比東、西元寶山低約200 m。區(qū)外最高點(diǎn)為西元寶山，海拔標(biāo)高為+673.2 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)礦區(qū)第四系地層上部為2～5 m 亞黏土或亞砂土，土層細(xì)而致密，具直立節(jié)理。下部為10～60 m厚的圓礫、卵石及砂礫石層，磨圓度較好，多呈扁圓狀，粒徑一般為2～30 mm，最大可達(dá)200 mm，礫石成分為安山巖、花崗巖、片麻巖、玄武巖等。砂礫層為富水性強(qiáng)的含水層。

全新統(tǒng)地層主要分布于老哈河、英金河等河谷地帶。由現(xiàn)代河流沖積物組成，以砂礫為主，風(fēng)成砂、亞砂土、亞黏土次之。地層厚14～85 m，一般厚55 m，西南薄、東北厚。

試驗(yàn)礦區(qū)松散層和巖層物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical of physical and mechanical properties of strata

1.3 水文地質(zhì)條件

露天礦區(qū)附近有英金河和老哈河兩條河流。英金河發(fā)源于河北省圍場(chǎng)北部山區(qū)熱水附近，在露天礦區(qū)中部通過(guò)，把露天礦區(qū)分成東北、西南2 部分。英金河河床主要沉積物為卵石、圓礫和少量砂子，透水性較強(qiáng)，河水對(duì)其下的第四系潛水層的補(bǔ)給條件好；英金河河床寬度變化較大，為200～900 m，下游比降1/700～1/800，從上游夾帶下的大量泥、砂、礫石淤積在河床上部，形成了厚0.05～1.0 m 的淤土或泥、砂、礫的混合層，降低了河水的垂直滲透能力，河水位與淺水相差3～8 m，形成懸浮段。

老哈河發(fā)源于河北省平泉縣七老圖山脈的光頭山，河床寬500～1 000 m，河流比降1/800～1/900，河床及河漫灘主要由砂、砂土及礫石組成。由于英金河河水中的細(xì)顆粒在上游已大部沉積，河床的下滲能力也逐漸加大，英金河與老哈河匯口地帶，河水位與其下的第四系潛水層水位漸趨一致，連成一體，英金河河水與第四系潛水共同瀉入老哈河。

試驗(yàn)礦區(qū)的主要含水層為第四系沖積、洪積孔隙潛水層，主要受英金河上游河水和大氣降水的滲入補(bǔ)給，其次是處于河谷兩側(cè)地勢(shì)較高的基巖裂隙水和黃土丘陵區(qū)的孔隙水，通過(guò)沖溝或坡積地層匯集滲入補(bǔ)給含水層。

富水性弱的侏羅紀(jì)含煤系承壓含水層主要在英金河河谷兩側(cè)地勢(shì)較高的沖溝中，侏羅紀(jì)含水層出露部分直接接受大氣降水的滲入和上覆黃土孔隙水及玄武巖裂隙水的補(bǔ)給。侏羅紀(jì)含煤系承壓含水層，一方面在一些露頭處有水瀉出，經(jīng)地表滲入補(bǔ)給第四系潛水；另一方面，在第四系潛水層底部與該承壓含水層接觸處，在承壓的條件下，通過(guò)裂隙瀉入其上覆的第四系潛水層。

露天礦區(qū)連續(xù)疏排地下水形成了以礦區(qū)為中心的水位降落漏斗，下游的老哈河對(duì)礦區(qū)已經(jīng)形成了河水倒灌的徑流方向。排泄方式由原有的下降泉變?yōu)橐缘V坑疏排為主。

2 柔性防滲膜垂向帷幕材料與工藝

常規(guī)截水帷幕技術(shù)主要有鉆孔注漿帷幕、地下連續(xù)墻、旋噴樁排、黏土芯墻等，為克服采礦活動(dòng)對(duì)帷幕墻體的擾動(dòng)影響，提出了通過(guò)雙輪銑、液壓成槽機(jī)、鋸槽機(jī)等成槽設(shè)備在地層中施工矩形槽段，通過(guò)地面鋪膜機(jī)具在槽段內(nèi)垂向隱蔽鋪設(shè)防滲膜，在防滲膜與槽段間空隙回填原狀土、充填水泥-粉煤灰漿液、砂漿、自凝灰漿或混凝土等，可滿足礦山強(qiáng)滲松散層截水帷幕嚴(yán)苛的抗?jié)B和抗變形要求，極大地提高防滲效果。

2.1 柔性防滲膜帷幕材料

HDPE（高密度聚乙烯）防滲膜主要由97.5%的高密度聚乙烯、約2.5%的碳黑、抗老化劑、抗氧劑、紫外線吸收劑、穩(wěn)定劑等輔料組成，滲透系數(shù)達(dá)10-13cm/s。防滲性能好、經(jīng)久耐用，是截流、控污、防滲的良好材料，防滲膜主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 防滲膜主要參數(shù)Table 2 Main parameters of the impermeable membrane

目前防滲膜的生產(chǎn)工藝有流延法和吹塑法。流延法通過(guò)熔體流延驟冷生產(chǎn)無(wú)拉伸、非定向的平擠薄膜，有單層流延和多層共擠流延2 種方式。流延法的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，不同厚度之間可隨意調(diào)整，成本低，土工膜成品光澤度高，柔韌性好，最低厚度可以做到0.2 mm，缺點(diǎn)是厚度不夠均勻、成膜寬度不大于6 m。吹塑法的生產(chǎn)工藝是3 層共擠吹塑生產(chǎn)，將原料通過(guò)3 個(gè)加熱螺桿送料進(jìn)入吹塑機(jī)模頭，加熱熔化成熔體，擠出機(jī)頭并形成圓筒狀，吹起形成一定直徑的膜泡，冷卻形成土工膜，牽引分割后經(jīng)展膜架將土工膜展開(kāi)最后成卷。吹塑工藝的優(yōu)點(diǎn)是土工膜厚度均勻，拉伸強(qiáng)度高，膜的質(zhì)量穩(wěn)定，缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高，光澤度和伸長(zhǎng)率不如流延法生產(chǎn)的防滲膜。流延法因?yàn)槌杀镜?，產(chǎn)品柔韌性好，目前隧道工程及民用工程使用較多，而吹塑法因?yàn)楫a(chǎn)品厚度均勻，質(zhì)量穩(wěn)定性較高，更適用于垃圾填埋場(chǎng)、水庫(kù)、油罐區(qū)防滲等質(zhì)量要求較高的工程。

圖1 顯示了防滲膜放大5 000 倍情況下的微觀結(jié)構(gòu)，圖1a 為防滲膜平面微觀結(jié)構(gòu)，整體平面致密、光滑、無(wú)空隙，具有良好的阻水作用。圖1b 為防滲膜斷面微觀結(jié)構(gòu)，斷面形狀清晰，可見(jiàn)纖維狀組成物，整體致密、抗撕裂、抗穿刺能力強(qiáng)。

圖1 防滲膜微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of the impermeable membrane

2.2 垂向隱蔽鋪設(shè)防滲膜帷幕連接工藝

垂直鋪塑防滲技術(shù)是在20 世紀(jì)80 年代研制并發(fā)展起來(lái)的一種新型防滲技術(shù)，該技術(shù)將土工膜這一廉價(jià)的新型材料引入垂直防滲水利工程中，以期達(dá)到降低工程造價(jià)、滿足防滲要求的目的[20]。

受防滲膜接頭處縫隙影響，防滲膜帷幕滲透系數(shù)由10-13cm/s 增大到10-5cm/s，無(wú)法保證防滲膜的連續(xù)性，降低了防滲效果。為解決每幅防滲膜之間存在縫隙、連接性弱、整體抗?jié)B性降低的問(wèn)題，防滲膜垂直鋪設(shè)連接工藝采用疊覆搭接、連接鎖、接頭箱等方式連接為一體，提高阻水效果。

如圖2a 所示，初始成槽后將第一幅HDPE 防滲膜置入槽內(nèi)，為保證鋪膜深度，HDPE 防滲膜底進(jìn)入下部相對(duì)隔水層深度≥2.0 m。在上一幅 HDPE 防滲膜鋪設(shè)完成后，將下一幅 HDPE 防滲膜置入槽內(nèi)，與上一幅防滲膜搭接連接，搭接寬度1～2 m。同時(shí)在槽段內(nèi)灌注防滲材料，提高整體封堵和阻隔效果。采用疊覆搭接連接工藝的防滲膜帷幕深度大，目前最深已施工56 m 防滲膜截水帷幕。

圖2 防滲膜接頭連接工藝示意Fig.2 Connecting process of impermeable membrane joint

如圖2b 所示，初始成槽后將已焊接成整體的HDPE 防滲膜置入槽內(nèi)，下一幅HDPE 防滲膜置入槽內(nèi)，與上一幅防滲膜進(jìn)行互鎖連接。同時(shí)在槽段底部灌注防滲材料，封堵和阻隔污染區(qū)域。防滲膜幅間采用連接鎖進(jìn)行連接，鎖扣間孔洞插入膨脹止水條。鋪膜完成后在防滲膜兩側(cè)接頭下放注漿管至膜的底部，灌注防滲材料。連接鎖連接工藝主要用于水庫(kù)圍壩、堤防等水工建筑物垂直防滲和危廢污染場(chǎng)地治理，鋪設(shè)深度由開(kāi)始的3～4 m 發(fā)展到目前的13～14 m[21]。如圖2c 所示，初始成槽后將“H”型鋼制作的接頭箱下放在槽段內(nèi)，接頭箱采用法蘭接頭形式，用螺栓連接。已與限位端連接的HDPE 防滲膜置入槽內(nèi)，再將下一幅HDPE 防滲膜置入槽內(nèi)，與上一幅防滲膜通過(guò)接頭箱連接。防滲膜兩側(cè)端安裝“［”型限位，內(nèi)側(cè)安裝遇水膨脹橡膠，防滲膜下放結(jié)束后，遇水膨脹橡膠遇水膨脹，將水流隔斷。鋪膜完成后在接頭箱內(nèi)下放注漿管至底部，灌注防滲材料至地表。2018 年10 月進(jìn)行了多次防滲接頭箱連接試驗(yàn)，最大深度達(dá)到18.6 m。如圖2d 所示，初始成槽后將兩端已粘附磁吸接頭的HDPE 防滲膜置入槽內(nèi)，在上一幅HDPE 防滲膜鋪設(shè)完成之后，將下一幅已黏附磁吸接頭的HDPE 防滲膜置入槽內(nèi)，與上一幅防滲膜通過(guò)磁吸接頭粘附連接。磁吸接頭連接的防滲膜帷幕施工深度將不受連接條件的限制，防滲膜鋪設(shè)深度可滿足設(shè)計(jì)深度要求。

2.3 不同柔性防滲膜連接工藝效果對(duì)比

因連接鎖連接深度較淺，本次研究主要對(duì)比分析截水帷幕垂向鋪設(shè)的防滲膜在疊覆搭接、接頭箱連接、磁吸接頭連接、熱熔連接等不同連接工藝時(shí)柔性防滲膜的整體抗?jié)B性能。

如圖3 所示，使用截水帷幕試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖淠M帷幕開(kāi)挖的圍井槽段，在截水帷幕試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)進(jìn)行不同柔性防滲膜連接試驗(yàn)，玻璃膠密封底部接縫，用砂石混合料模擬原始地層材料回填，對(duì)防滲膜外側(cè)“槽段”進(jìn)行填充。打開(kāi)進(jìn)水閥門，對(duì)防滲膜外側(cè)“地層”進(jìn)行回灌模擬帷幕外側(cè)水位，觀測(cè)防滲膜帷幕圍井內(nèi)側(cè)滲漏水情況，并定量測(cè)試滲水量大小。

圖3 防滲膜接頭連接工藝效果對(duì)比試驗(yàn)Fig.3 Comparison test on the effect of anti-seepage membrane joint connection

防滲膜接頭連接工藝效果對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，熱熔連接防滲效果最好，試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)不滲水；其次是磁吸連接80 cm 寬度時(shí)，滲水率為9.5×10-6m3/h；疊覆搭接80 cm 寬度時(shí)，滲水率為1.43×10-4m3/h，且隨著搭接寬度的減小而增大；接頭箱連接工藝的接頭滲水稍大，主要是由于是試驗(yàn)時(shí)接頭箱的接頭縫隙處理不夠，導(dǎo)致滲水量較大。防滲膜搭接位置的鋪設(shè)平整度對(duì)防滲效果有很大影響，當(dāng)防滲膜鋪設(shè)平整時(shí)，回填的砂石材料擠密防滲膜，其抗?jié)B效果有很大提高。從試驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作方便性，磁吸接頭連接的搭接工藝效果較好。

表3 不同柔性防滲膜連接工藝防滲效果統(tǒng)計(jì)Table 3 Anti-seepage effect of different flexible anti-seepage membrane connection techniques

3 柔性磁吸防滲膜垂向帷幕技術(shù)

試驗(yàn)礦區(qū)礦坑主要充水水源為第四系潛水含水層，占礦坑疏排水量的95%左右。在剝采充分揭露第四系潛水含水層底板后，礦坑的疏排水量達(dá)到最大值53 萬(wàn)m3/d，疏排水量中以第四系潛水含水層的靜儲(chǔ)量為主，動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量為輔；其后隨著靜儲(chǔ)量的持續(xù)疏放，疏排水量中動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量占比逐年增大，靜儲(chǔ)量占比降低，礦坑疏排水量呈逐年下降并漸趨穩(wěn)定。

為減少礦坑疏排水量，沿現(xiàn)有礦坑?xùn)|南側(cè)一級(jí)邊坡平臺(tái)向北延伸，建造除礦坑西南角（隔水邊界或弱給水邊界）的礦坑邊界全封閉截水帷幕，對(duì)礦坑所有來(lái)水邊界進(jìn)行阻截，可最大程度減少礦坑疏排水量。如圖4 所示，先期在礦坑南側(cè)開(kāi)展1 380 m 的試驗(yàn)工程，進(jìn)行柔性磁吸防滲膜垂向帷幕技術(shù)試驗(yàn)和驗(yàn)證，深度13～39 m，試驗(yàn)區(qū)域揭露地層主要為圓礫夾砂、卵石層、黃土及風(fēng)化砂巖、泥巖；圓礫石粒徑大小為50～150 mm，滲透系數(shù)17～700 m/d。

圖4 試驗(yàn)區(qū)截水帷幕平面示意Fig.4 Schematic plan of water cutting curtain in test area

3.1 柔性防滲膜垂向隱蔽鋪設(shè)

元寶山露天煤礦截水帷幕試驗(yàn)工程的槽段采取分段開(kāi)挖方式，開(kāi)挖槽寬0.8 m，液壓抓斗抓出的槽內(nèi)土（巖）體直接由自動(dòng)裝卸車運(yùn)至棄土場(chǎng)。在抓斗施工中，如果遇到堅(jiān)硬土層或巖石，則采用銑槽機(jī)進(jìn)行入巖。如圖5 所示，在柔性防滲膜兩側(cè)端分別黏結(jié)1.0 m 寬自帶磁或后充磁磁膜，或在柔性防滲膜制作過(guò)程中在兩側(cè)端加入磁性材料，使柔性防滲膜兩側(cè)端本身具有磁吸功能或經(jīng)充磁后具有磁吸功能。利用圖2d 所示的鋪膜機(jī)將第一幅柔性自帶磁或后充磁磁吸防滲膜下放至已開(kāi)挖的帷幕槽段，第一幅柔性自帶磁或后充磁磁吸防滲膜下放完成之后用固釘機(jī)對(duì)磁膜進(jìn)行固定；下放第二幅柔性自帶磁或后充磁磁吸防滲膜時(shí)移動(dòng)鋪膜機(jī)，控制第二幅膜與第一幅膜的水平距離在30 cm 以上，下放完第二幅柔性自帶磁或后充磁磁吸防滲膜之后，移動(dòng)鋪膜機(jī)使第二幅柔性自帶磁或后充磁磁吸防滲膜逐漸靠近第一幅膜，直至兩幅膜搭接處粘結(jié)，搭接長(zhǎng)度控制在1.0 m。

3.2 柔性防滲膜接頭磁吸連接

柔性自帶磁防滲膜鋪設(shè)完第一幅和第二幅防滲膜后，在移動(dòng)鋪膜機(jī)使第二幅柔性自帶磁磁吸防滲膜逐漸靠近第一幅膜的過(guò)程中，兩幅防滲膜搭接處因磁力相互吸引，連接為連續(xù)的整體。

柔性后充磁防滲膜連接方式如圖6a 所示，充磁機(jī)通過(guò)電纜線與充磁板連接，充磁板在柔性磁吸防滲膜接頭的帷幕槽口位置由上而下逐段充磁，充磁板在線圈中通過(guò)瞬間的脈沖大電流，使線圈產(chǎn)生短暫的超強(qiáng)磁場(chǎng)，從而使磁吸膜磁化，具備磁吸功能。如圖6b 所示，在磁膜搭接處充磁完成后，通過(guò)一個(gè)長(zhǎng)度為100 cm、直徑為75 cm 的圓柱形滾筒壓膜器壓緊、連接磁膜搭接處。使用吊機(jī)將壓膜器吊起，自上而下反復(fù)滾壓搭接處磁膜（反復(fù)兩次），速度控制在4 m/min，促使搭接處磁膜黏結(jié)緊密。

圖6 磁吸防滲膜充磁及接頭壓膜Fig.6 Magnetization and joint pressure membrane of the magnetic suction impermeable membrane

如圖7a 所示，防滲膜常規(guī)鋪設(shè)搭接后接頭處存在5～20 cm 的縫隙，而且中間部分的凸起縫隙更大，導(dǎo)致防滲膜搭接處縫隙成了截水帷幕的最大過(guò)水通道，嚴(yán)重影響截水帷幕效果。如圖7b 所示，防滲膜采用磁吸連接后接頭處無(wú)縫隙，相鄰兩幅防滲膜緊密的連接為一體，避免縫隙成為截水帷幕的過(guò)水通道，提高了帷幕截水效果。傳統(tǒng)的注漿帷幕通過(guò)地面施工直鉆孔、地面定向鉆孔、井下水平鉆孔或井上下聯(lián)合鉆孔，在鉆孔中分段注漿，漿液通過(guò)鉆孔進(jìn)入地層，在地層中擴(kuò)散、凝結(jié)形成連續(xù)的帷幕墻體。注漿帷幕主要適用于巖溶、溶隙、裂隙地層，具有施工方便、工藝流程簡(jiǎn)單、截水率較高的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)鉆孔注漿帷幕的漿液擴(kuò)散方向和注漿量不可控，在強(qiáng)滲松散層擴(kuò)散范圍大，不易形成連續(xù)帷幕墻體，注漿帷幕形成的帷幕墻體剛性大，抗變形能力弱，易產(chǎn)生裂縫，形成過(guò)水通道。柔性磁吸防滲膜實(shí)現(xiàn)了防滲膜的緊密、連續(xù)粘貼，防滲膜帷幕整體具有良好的阻水性能，通過(guò)磁吸防滲膜材料將相鄰的防滲膜帷幕連接為連續(xù)的整體，解決現(xiàn)有截水帷幕抗變形能力弱、接頭連接效果差、阻水率低、漿液擴(kuò)散不可控的問(wèn)題。柔性磁吸防滲膜帷幕適用于松散層、巖層，可滿足150 m 以淺的工程需求，相比傳統(tǒng)注漿帷幕具有造價(jià)低、施工效率高、耐用、效果好的優(yōu)點(diǎn)。

圖7 柔性磁吸防滲膜與常規(guī)鋪設(shè)效果對(duì)比Fig.7 Laying effect comparison of the flexible magnetic suction impermeable membrane and conventional membrane

3.3 柔性防滲膜垂向帷幕填充成墻

如圖8 所示，柔性磁吸防滲膜鋪設(shè)、連接后，在防滲膜與帷幕槽段間空隙填充原狀土、水泥-粉煤灰漿液、砂漿、自凝灰漿或混凝土等材料，填充材料與柔性防滲膜擠壓、粘結(jié)為一體，形成整體截水帷幕墻體。

圖8 柔性磁吸防滲膜帷幕填充示意Fig.8 Curtain filling of the flexible magnetic suction impermeable membrane

在已灌注充填材料帷幕槽段的相鄰槽段一端插入接頭箱，接頭箱外側(cè)包裹一層絕緣材料，固定槽段充填材料擴(kuò)散范圍，防止磁吸防滲膜位置進(jìn)入充填材料，為防滲膜磁吸連接騰出空間。在相鄰帷幕槽段內(nèi)填充混凝土、砂漿、自凝灰漿、回填原狀土等充填材料，槽段內(nèi)泥漿在澆筑充填材料的同時(shí)進(jìn)行回收利用，充填材料灌注至地面或設(shè)計(jì)高度時(shí)停止。在相鄰帷幕槽段內(nèi)澆筑的充填材料初凝后，緩慢上拔、起吊接頭箱，將接頭箱一節(jié)一節(jié)拔出槽段，放置于地面，為下一個(gè)相鄰槽段防滲膜連接騰出空間。重復(fù)上述過(guò)程，直至完成防滲膜垂向帷幕施工，形成連續(xù)的防滲膜垂向帷幕體。

4 應(yīng)用效果及分析

如圖9a 所示，試驗(yàn)工程開(kāi)展前的帷幕位置下方集水坑長(zhǎng)期積滿強(qiáng)滲松散層滲漏水，集水坑與截水帷幕的位置關(guān)系如圖4 所示，整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域的滲水量1 600 m3/d。1 369 m 截水帷幕試驗(yàn)工程完成后，如圖9b 所示，帷幕位置下方集水坑已干涸、無(wú)水，試驗(yàn)區(qū)域強(qiáng)滲松散層水已徹底被柔性磁吸防滲膜垂向帷幕阻隔，帷幕外側(cè)松散層水已無(wú)法補(bǔ)給帷幕內(nèi)側(cè)松散層，帷幕外側(cè)強(qiáng)滲松散層水僅能通過(guò)帷幕兩端繞流方式補(bǔ)給。

圖9 磁吸防滲膜垂向帷幕效果對(duì)比Fig.9 Effect comparison of the magnetic suction impermeable membrane before and after implementation

如圖10 所示，W1、W2、W3 和W4 為試驗(yàn)區(qū)帷幕外側(cè)強(qiáng)滲松散層水位觀測(cè)孔，N1、N2 為試驗(yàn)區(qū)帷幕內(nèi)側(cè)強(qiáng)滲松散層水位觀測(cè)孔。試驗(yàn)區(qū)帷幕截水工程自2021 年8 月10 日開(kāi)始試驗(yàn)施工，墻外W1 觀測(cè)孔水位初始標(biāo)高433.16 m，至2021 年9 月29 日，帷幕長(zhǎng)度完成782 m，W1 觀測(cè)孔水位標(biāo)高上升至+433.77 m，墻外水位抬升了0.61 m，W3 觀測(cè)孔、W4 觀測(cè)孔水位標(biāo)高均為+435.79 m；2021 年10 月9 日，帷幕長(zhǎng)度完成978 m，W1 觀測(cè)孔水位標(biāo)高上升至+434.06 m，墻外水位抬升了0.90 m，W3 觀測(cè)孔、W4 觀測(cè)孔水位標(biāo)高均為435.79 m，W2 觀測(cè)孔水位標(biāo)高為+433.83 m；2021 年11 月3 日，截水帷幕完成1 369 m，截水帷幕外側(cè)水位進(jìn)一步抬升，內(nèi)部水位逐漸下降，截至2021 年11 月28 日，帷幕外側(cè)觀測(cè)孔W1、W2、W3、W4 的 水 位 標(biāo) 高 分 別 為+442.28、+440.31、+443.97 和+441.34 m，分別較原水位升高9.12、6.48、8.18 和5.55 m；帷幕內(nèi)側(cè)觀測(cè)孔N1、N2的水位標(biāo)高分別為+430.86、+426.19 m，分別較原水位降低3.21、5.84 m。

圖10 試驗(yàn)區(qū)帷幕內(nèi)外側(cè)松散層水位變化Fig.10 Changes of water level of loose layer inside and outside curtain in test area

5 結(jié) 論

1）HDPE 防滲膜主要由高密度聚乙烯、碳黑、抗老化劑、抗氧劑、紫外線吸收劑、穩(wěn)定劑等輔料組成，滲透系數(shù)達(dá)10-13cm/s，結(jié)構(gòu)致密、柔軟、抗變形、防滲性能好、經(jīng)久耐用，是截流、控污、防滲的良好材料，可滿足礦山強(qiáng)滲松散層垂向帷幕要求。

2）防滲膜每幅寬度4～8 m，垂向帷幕工程應(yīng)用時(shí)需將多幅防滲膜連接為一體，常用的連接工藝有疊覆搭接、連接鎖、接頭箱等，存在鋪設(shè)深度淺、接頭滲漏、操作復(fù)雜等問(wèn)題；針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，研發(fā)了磁吸接頭材料及連接工藝，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比，磁吸接頭連接工藝效果優(yōu)于疊覆搭接和接頭箱連接工藝。

3）試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了自帶磁和后充磁2 種柔性磁吸防滲膜制作、鋪設(shè)、連接和回填成墻試驗(yàn)，防滲膜接頭處縫隙由5～20 cm 減小為0，磁吸連接后防滲膜接頭處無(wú)縫隙，相鄰2 幅防滲膜緊密的連接為有機(jī)整體，避免接頭處縫隙成為截水帷幕的過(guò)水通道，大幅提高了帷幕截水效果。

4）試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)滲松散層采用柔性磁吸防滲膜垂向帷幕后，帷幕位置下方長(zhǎng)期積滿強(qiáng)滲松散層滲漏水的集水坑已干涸、無(wú)水，帷幕外側(cè)強(qiáng)滲松散層水位較試驗(yàn)前水位升高5.55～9.12 m，帷幕內(nèi)側(cè)強(qiáng)滲松散層水位較試驗(yàn)前水位降低3.21～5.84 m，柔性磁吸防滲膜垂向帷幕在試驗(yàn)礦區(qū)取得良好應(yīng)用效果。