露天煤矿排土场压实基底阻水特性及稳定性研究

张东华 弓培林 王 伟 赵敏星

(太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024)

★ 节能与环保 ★

露天煤矿排土场压实基底阻水特性及稳定性研究

张东华 弓培林 王 伟 赵敏星

(太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024)

为了治理露天煤矿表土排土场的水污染和稳定性，研究使用压实基底的措施治理此类排土场。以现场调查、实验室测试、数值模拟的方法，研究了压实机械的最小压实力和压实层的最小厚度。针对印度尼西亚Berau露天煤矿，最小压实层厚度为3.3 m，对排土场采取压实基底措施后，酸性水被阻止渗入地下且安全系数从1.03提高到了1.34。结果表明：压实机械的压实力为60 kPa且压实层的厚度为3.3 m时排土场基底能形成隔水层阻止污水渗入地下；压实层厚度为2 m时能保证排土场稳定性，压实层最小厚度取这两个压实层厚度的最大值。

露天煤矿 排土场 土地复垦 酸性水 压实基底 阻水特性

露天煤矿主要分成开采、边坡稳定、土地复垦、环境保护等环节，必须收集表土储存于排土场用于采矿完成后的土地复垦。另一方面，铁元素伴生于露天煤矿，导致酸性水的产生，此类排土场污染物超标，易形成污水。为阻止污染水渗入地下，在排土场基底形成一个低渗透层，在下雨天时收集排土场流出的雨水进行处理。地下水位是排土场稳定性的决定性影响因素之一，在基底设置一个压实层使地下水位最高时排土场保持稳定是可行的。本文研究用压实排土场基底的措施来阻止酸性水渗入地下，且提高排土场的稳定性。

1 实验

将印度尼西亚Berau露天煤矿排土场作为现场研究对象，此露天煤矿伴生有铁元素，排土场经过长期风化作用形成酸性水，需压实排土场的基底，形成一个压实层阻止酸性水渗入地下污染整个地下水源。表土排土场排弃物由粘土组成，排土场基底由粘土和泥岩组成。

不同含水量的粘土渗透率不同，在不同的含水量时，压实层的渗透率小于1×-6cm/s时才能阻止酸性水污染地下水。通过击实实验测定最优含水率，首先称重实验模具环刀的重量，将样品置于击实筒内，通过击实标准进行击实，每层的击实厚度大致相等；击实完成后试样略高于筒顶，但高度不得超过10 mm；用环刀推进样品，扭动取出，用土刀修平试样；擦净环刀外壁的土，称量总质量；取出样品，测试含水量。样品湿密度计算如下：

(1)

式中： ρt——样品的湿密度，g/cm3；

m2——环刀加样品的质量；

m1——环刀的质量，取常数，51.9 g；

V——环刀内样品体积，取常数，56.52 cm3。

击实后土样品的干密度计算如下：

(2)

式中： ρ——土样品的干密度，g/cm3；

w——含水率，%。

通过搓条法测定塑限含水率，实验过程为：按液限实验制备试样，但加的水分要少，使土团不沾手；把土样品形状捏成椭圆形，用手掌在毛玻璃上搓滚，当土条被搓至直径3 mm，产生裂纹并开始断裂时，此时含水率为塑限。未产生裂纹，则含水率偏高，未到3 mm就断裂，则含水量偏低，重复操作，直到3 mm土条重量达到3～5 g；测定3 mm土条的含水率。

烘干法测定自然含水率，先称量样品和容器的质量，然后把样品和容器放到干燥箱中在110℃的情况下烘干24 h，测试烘干后的总质量，计算可得自然含水率。上述3个实验的实验结果见表1。

表1 粘土样品的最优含水率、塑限、自然含水率 %

通过击实实验制作不同含水率的土样品，环刀的直径为60 mm，高度为20 mm，用常水头实验测试渗透系数。把环刀以及样品放置在剪切仪的容器里面，测出环刀和样品的总质量以及环刀的质量；使样品沉浸在水中，水力梯度设置为1 m，安装好位移计记录水位的上升；用剪切仪加载压力0.1 kg/cm2、0.2 kg/cm2、0.4 kg/cm2和0.8 kg/cm2，压实力缓慢上加，避免形成冲击；通过位移计记录水位升高值和时间之间的曲线关系；取出样品，把样品放到真空干燥箱，110℃情况下24 h后取出称重。

样品的含水率计算如下：

(3)

式中： w1——样品的含水率，%；

m2——样品加环刀的质量，g；

m1——环刀的质量，取常数，51.9 g；

m3——样品干燥后的质量，g。

样品的渗透系数计算如下：

(4)

式中：k——渗透系数，cm/s；

d——水位升高值，mm；

t——时间，min。

通过固结直剪试验压实层的基本性质，压实层的含水率设置为12.5%，按含水率12.5%做好样品，每个样品通过击实仪击实3次，然后用土刀削去环刀上多余的土；把样品放置到剪切仪里面加载10 kg、20 kg、30 kg和40 kg的压力，记录位移和时间的曲线关系，直到压实速度小于1 μm/min；开始剪切样品，记录剪切位移和时间的曲线；剪切力突然降低，或者剪切位移达到7 mm，记录此时的剪切力。

2 压实层的阻水特性

常水头下渗透实验结果如图1、图2和图3所示。

图1、图2和图3显示土样品的渗透系数随着压力的增加而降低，原因是压力增加导致孔隙率降低。另一方面，随着加载压力增加到80 kPa，渗透系数趋向4.0×10-7cm/s。按照印度尼西亚的土木标准，压实层渗透系数小于1.0×10-6cm/s时定义为低渗透层。从上述实验结果看出，在不同含水率的情况下，当加载压力达到60 kPa时，各粘土样品都能形成一个低渗透层。为了使排土场基底形成一个低渗透层，压实机械的最小压实力为60 kPa。表土层的自重对下层土产生压力，假定压实层的密度为1.8 g/cm3，最小压实层厚度为：

(5)

式中：H——最小压实厚度，m；

P——最小压实力，kPa；

ρ——压实层密度，kg/m3；

g——重力加速度，N/kg。

图1 最优含水率时粘土渗透系数和压力的关系

图2 粘土样品塑性含水率时渗透系数和压力的关系

图3 粘土样品自然含水率时渗透系数和压力的关系

最小压实力为60 kPa，压实层密度为1.8×103kg/m3，得出最小压实厚度H为3.3 m。

措施为以最小60 kPa的压实力压实表土层3.3 m，地面3.3 m以下的土层能够通过自重形成低渗透层。另一方面，基底形成的压实层在雨天能够阻止雨水大量渗入地下。

3 提高排土场稳定性

印度尼西亚Berau露天煤矿，排土场基底由粘土和泥岩组成。表土层为粘土，是一个弱层，粘土层的平均厚度为20 m。为了进行数值模拟对排土场的地质条件进行了简化，外排土场台阶高度为10 m，排土场总高度为30 m，台阶坡角为40°，排土场总边坡角为28°，安全台阶宽度为10 m，基底倾角为0°，地下水位线为地下6 m，基底粘土层厚度为20 m。土岩的基本性质见表2，其中压实层是通过上述固结剪切实验测试得到的数据，基岩、粘土层、排弃物的数据来自于矿方。

表2 土岩的基本性质

基于外排土场参数和土岩的基本性质，用Phase软件建立地质模型。在露天煤矿，地下水位线是变动的，需要确保地下水位处于最高值时的排土场稳定性。在Berau露天煤矿，假定最高地下水位线为地下2 m。在地质模型中，假定地下水位线为地下2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、和8 m，压实层厚度为0 m、1.5 m、3 m、4.5 m、和6 m，其他参数不变。数值模拟结果如图4所示。从图4中可以看出，随着压实层厚度的增加，排土场的安全系数显著增加；另一方面，随着地下水位的下降，排土场的安全系数显著增加。当地下水位最高处于地下2 m时，压实层厚度2 m能使排土场安全系数大于1.2。故为了保证Berau露天煤矿的排土场的稳定性，压实层厚度应大于等于2 m。

从上述结果看出，在压实层厚度为0 m，地下水位从地下2 m下降到8 m时，排土场安全系数从1.03增加到1.5当。在地下水位为6 m，压实层厚度从0 m增加到6 m时，排土场安全系数从1.38增加到2。尽管排土场稳定性受到地下水位的影响，但设置合适的压实层厚度仍然能够明显地提高排土场稳定性。当压实层厚度为2 m，地下水位为2m时，排土场安全系数刚好大于1.2。故在印度尼西亚Berau露天煤矿，最小压实层厚度为2 m能够保证地下水位最高时的安全系数刚好大于1.2。故为了保证排土场的稳定性，最小压实层厚度为2 m。

图4 不同压实层厚度和不同地下水位条件下排土场的安全系数

4 结论

(1)基于实验室实验，基底压实层能够阻止酸性水渗入地下。压实机械的压实力和压实厚度取决于基底表层土的渗透系数测试结果、土木工程标准、土层密度。在Berau露天煤矿，压实机械的压实力为60 kPa，且压实层厚度为3.3 m，能在基底形成低渗透层阻止污染水渗入地下。

(2)基于实验和数值模拟结果，压实排土场基底能够提高排土场稳定性。基底的压实层厚度取决于地下水位最高时的排土场稳定性。在Berau露天煤矿，压实层厚度为2 m时能保证排土场稳定性。

(4)排土场基底最小压实层厚度取上述两个压实层厚度的最大值。在Berau露天煤矿，最小压实层厚度为3.3 m。基底设置3.3 m的压实层且压实力为60 kPa时，基底形成低渗透层阻止酸性水渗入地下且排土场的安全系数从1.03提高到1.34。

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[3]杨勤学，赵冰清，郭东罡. 中国北方露天煤矿区植被恢复研究进展. 生态学杂志，2015(4)

[4]胡炜. 黄土高原露天煤矿复垦策略分析. 中国矿业，2013(S1)

[5]王平，王金满，刘伟红. 黄土丘陵区露天煤矿复垦排土场地形因子对土壤有机碳的影响. 中国煤炭，2015(9)

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(责任编辑 孙英浩)

Research on water blocking characteristics and stability of compactionbasement refuse dump in open pit coal mine

Zhang Donghua, Gong Peilin, Wang Wei, Zhao Minxing

(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

In order to govern water pollution and stability of refuse dump in open pit coal mine, compaction basement was used. The authors studied minimum compressive strength of compact machinery and minimum thickness of compressive layer basing upon field investigation, laboratory test and numerical modeling. Berau open pit coal mine in Indonesia has 3.3 m of minimum compressive layer. After taking measures of compaction basement, acidic water was blocked permeating underground and the safety factor in dumping area was from 1.03 to 1.34. The results showed that when the compressive strength of compact machinery was 60 kPa and the minimum thickness of the compacted layer was 3.3 m, refuse dump compaction basement created a blocking water layer to prevented acidic water permeating, when the thickness of compacted layer was 2 m, the refuse dump was stable, and minimum compacted thickness was the maximum value of the two compact thickness.

open pit coal mine, refuse dump, land rehabilitation, acidic water, compaction basement, water blocking characteristic

TD994

A

张东华(1984-)，男，汉族，四川达州人，太原理工大学，讲师，博士，从事露天开采及边坡稳定方面的研究。