露天矿坑隔水层重构及泥岩-地聚合物损伤渗透特性

2020-11-30时旭阳栾博钰

煤炭学报 2020年10期

周伟，时旭阳，李明，陆翔，栾博钰

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116; 2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116; 3.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州 221116)

我国煤炭露天开采行业发展迅速，目前煤炭露天产量占总产量已超21%[1]。据统计，我国露天煤矿有405座，其中千万吨煤矿64座，已形成初具规模的露天矿群。我国煤炭露天产能分布具有“北多南少、局部集中”的特点，约90%产能分布于北纬39°以北，且基本位于400 mm降水线以内。该区域生态环境极为脆弱，生态保护、复垦工作形势极为严峻。

露天开采初期，矿区及周边浅层地下水被疏干排弃，导致水资源流失浪费严重。开采形成的巨大矿坑，产生“漏斗效应”[2]，导致周边浅表层地下水向下层无水带渗透，地下水环境遭严重破坏，即使内排闭坑后也无法恢复。根据以上情况，研究团队提出，在内排土场构建人工隔水层，阻断浅表层水的下渗。短时间内，有助于实现露天矿山的阶段性复垦，恢复地表植被及生态环境;其长远意义在于，永久恢复浅表层地下水，从而推动因露天矿山开采而损害的生态圈的整体恢复。这对于生态脆弱区域矿山开采及生态恢复具有重要意义。

构建露天矿内排土场重构隔水层是一个全新的工程应用领域，其中包含多个关键科学问题，简要概括为:① 重构隔水层应具备何种形式、空间位置特征、工程尺度，以及空间结构受力如何;② 构建材料应有的力学、物理化学特征;③ 受开采扰动影响，材料损伤后，渗透特性是否满足隔水功能需求;④ 如何降低材料与施工成本，是否可以做到负成本。

笔者针对露天矿重构隔水层形式、原材料以及材料损伤-渗透特性开展了初步研究。提出“水平隔水层构建为主，防渗墙为辅”的基本原则，以泥岩-地聚合物为构建材料，分析了其在不同损伤程度条件下的渗透特性。

1 露天煤矿内排土场重构隔水层构建

内排土场重构隔水层以构建水平隔水层为主，以阻断浅层地下水向下流失路径。水平隔水层并不是一次构建完成，而是随着内排工作线、开采工作线逐步向最终境界推进，为保证短时间内重构隔水层能发挥保水功能，需要构建竖向隔水层，即“防渗墙”[3-5]，以防止浅层地下水的横向流失。所以露天矿内排土场重构隔水层构建原则为:构建水平隔水层为主、防渗墙为辅。

1.1 水平隔水层构建

露天煤矿开采空间区域原始地层可大致划分为5个地质构造层，分别为:覆盖层、含水层、隔水层、基岩、煤层，如图1所示。其中隔水层一般为致密的岩石，渗透率极小，可隔断含水层中的重力水向下流失，保持地下水环境的长期稳定。通常煤层以上部分包含多个隔水层，隔水层之间为含水层或者无水带。

图1 原始地层分布Fig.1 Original stratigraphic distribution

露天开采过程中，煤层以上地质构造层被爆破剥离，隔水层被完全破坏，含水层侧向限制被打开，造成周边地下水向下流失。为从根本上恢复矿区地下水与生态环境，需要在内排土场构造新的人工地层，以恢复被破坏的地下水环境。人工地层包含3层，从上到下分别为:腐殖土层、含水层和隔水层，如图2所示。腐殖土层适宜植被、农作物生长，通过优化内排顺序，辅助以生物发酵手段构造而成;含水层主要功能为保持浅表层地下水，为植被、农作物生长提供水源，通过优化内排工艺构造而成;隔水层构建目的在于，隔断浅表层地下水向下渗透流失路径，是3类人工地层中最关键环节。

图2 人工构建地层分布Fig.2 Artificially constructed stratigraphic distribution

1.2 水平分段分区域构建

水平隔水层位置高度应与最上一层原始隔水层保持一致，以保证重构水平隔水层构建完成后与原始隔水层形成完整隔水层，避免大范围错层出现。水平隔水层的构建跟随内排土工作线、开采工作线逐步向开采境界推进，由于内排台阶是逐步推进的动态过程，所以水平隔水层的构建应分段构筑(图3，一次构筑宽度l)。由于内排土场物料为松散物料，在自重条件下会发生沉降，所以分段构筑有利于防止隔水层因不均匀沉降而发生破坏、断裂，而减弱其隔水功能。

图3 内排土场重构隔水层示意Fig.3 Schematic diagram of the reconstruction of the aquiclude in the dumping site

1.3 防渗墙构建

由于水平隔水层非一次构建完成，为在短期内保证浅层水的恢复与保持，需要阶段性构建防渗墙，以避免已恢复浅层水的横向流失。防渗墙仅起到阶段性作用，露天矿闭坑时水平隔水层即构建完成。防渗墙主要包含2种类型:桩孔压入式防渗墙与沟槽灌入式防水墙。与内排土场重构隔水层相比，防渗墙的构建技术相对较为成熟，本文不做深入探讨。

2 重构隔水层材料

2.1 材料基本特征

重构隔水层最关键功能是隔断浅表层地下水下渗路径，具备低渗透性是最基本也是最关键的特征;在构建过程中与构建完成后会受载荷作用发生不同程度的损伤，所以组成材料应当具备一定的力学强度，以保证隔水层的完整性;重构隔水层上表面与浅表层水接触，为保证地下水清洁可利用，重构隔水层材料应不与水发生反应，且不释放毒害物质。综合分析，重构隔水层材料应当具备的基本特征见表1。

表1 重构隔水层材料特征Table 1 Material characteristics of reconstructed water-blocking layer

2.2 材料渗透性特征

排土场为松散破碎物料的堆积体，渗透系数较大，表2列举了云南某露天煤矿排土场物料渗透性能。其中压实黏土的渗透性能较差，渗透率在10-11m2量级，部分矿区将黏土压实后作为临时帷幕，可以起到临时挡水的作用，但若作为重构隔水层，其渗透性能远达不到永久隔水的效果;泥灰岩-粉土为典型的土石混合体，主要由风化泥岩、破碎灰岩以及散土构成，无论是排土场浅表层还是下部经过长期压力重塑的深层土石混合体，其渗透率较大，均在10-9m2量级。

表2 云南某露天煤矿排土场物料渗透性能Table 2 Material permeability of an open-pit coal mine dump in Yunnan Province

所以，无论深层还是浅表层排土场物料，渗透系数均较大，无法满足隔水与阻水的要求。在露天矿内排土场构建重构隔水层尚无相关科学技术成果与工程实例，重构隔水层渗透率应达到多大量级也无相关论证，但有相近领域科学、工程问题可以借鉴。

煤炭井工开采过程中，治理陷落柱问题与露天矿内排土场重构隔水层有相似之处[6]。陷落柱突水是井工煤矿水害的主要诱因，需要通过注浆封堵等方式降低陷落柱渗流速率防止发生突水。所采用注浆材料硬化后渗透率在10-16～10-15m2量级，可以达到很好的治理效果。所以在构建露天煤矿内排土场重构隔水层问题中，隔水层材料渗透性能可以借鉴井工开采中治理陷落柱问题所采用注浆材料渗透率。

3 泥岩-地聚合物材料

地聚合物是一类新型、环保、廉价的无机聚合物材料[7]，由硅铝质工业废渣在碱性条件下激发形成，具有特殊三维网状结构，具备力学性能优良、耐久性耐腐蚀性强、低碳排放、有效固定重金属离子与核废料等优点[8-10]。泥岩为低活性硅铝质材料，是露天矿上广泛存在的固体废弃物。本文以泥岩作为基本原材料，以高活性的钢渣、赤泥作为活性调节原材料，制备泥岩-地聚合物材料。

3.1 原材料

(1)泥岩。露天煤矿中泥岩存量极其丰富，硅铝质组分占比超70%，见表3，具有一定的碱激发活性。降低原材料细度，增大比表面积可提高活性。原材料制备时，将原始破碎状泥岩进一步破碎、研磨，过1 mm筛备用。

表3 泥岩的化学组成Table 3 Chemical composition of mudstone

(2)矿渣。矿渣是已知的工业废渣中活性最高的原材料。将原材料在100 ℃条件下烘干24 h，研磨10 min后备用。矿渣化学组分见表4。

表4 矿渣的化学组成Table 4 Chemical composition of slag

(3)赤泥。赤泥是炼铝过程中的一种工业废渣，因氧化铁含量较高，呈红色，如图4所示。赤泥的组成随铝矿石与生产工艺的不同而有所不同，本试验采用拜耳法赤泥，其化学组分见表5。原材料获得后，经100 ℃烘干24 h，研磨10 min后备用。

图4 块状与粉状赤泥Fig.4 Massive and powdery red mud

表5 赤泥粉体材料的化学组成Table 5 Chemical composition of red mud powder materials

(4)标准砂。本试验采用ISO标准砂。

(5)激发剂。本试验采用水玻璃作为激发剂，模数3.0，波美度38°，含水率63%。

3.2 标准试样制备

试验采用φ50 mm×100 mm的圆柱体。试样制备原材料分别为活性调节粉体(矿渣和赤泥，质量比1∶1)、泥岩粉、激发剂、水及标准砂。试样配比见表6。

表6 泥岩地聚合物材料配比Table 6 Material ratio

原材料按照上述比例混合均匀，装入模具充分振动去除其中气泡，置于养护室内(温度(20±2) ℃，湿度≥95%)养护24 h后脱模，继续养护至28 d[11]。养护完成后，将试样切割、打磨，制成标准试样。

4 泥岩-地聚合物损伤渗透试验

重构隔水层在构建过程中以及构建完成后均承受竖向载荷，会产生一定程度的损伤。损伤的发生直接影响材料的渗透特性，本文重点探讨泥岩地聚合物材料在不同损伤条件下的渗透特性。

4.1 损伤变量

定义一维应力情况损伤变量[12]Dσ:

Dσ=(σ/σc)nσ≤σc

(1)

其中，Dσ为一维应力情况损伤变量，无量纲;σc为泥岩地聚合物单轴抗压强度，MPa;σ为标准试样单轴加载载荷，MPa;n为指数系数，如图5所示，图5列出了n分别取1～7整数时，一维损伤变量Dσ与单轴加载应力的曲线关系。

图5 损伤变量随轴向应力变化曲线Fig.5 Curves of damage variable with axial stress

试样固定损伤加载试验目的在于，对泥岩地聚合物施加一定载荷，使试样产生一定程度的损伤。取A3组试样共计3块进行单轴加载试验，获得3块试样的单轴抗压强度，分别为17.82，17.92，17.96 MPa，平均值为17.90 MPa，方差0.003 5。A3组试样单轴峰值强度离散性可忽略不计，取σc=17.90 MPa作为A3组试样的峰值强度。

4.2 固定损伤加载

取A3组试样共计11块，编号为A3-1～A3-11，按照表7，分别将试样以应力控制方式单轴加载至不同损伤水平，加载速率0.02 MPa/s，加载至峰值后立即卸载，用密封胶带将试样柱面密封保存，准备下阶段渗透试验。进行试样固定损伤加载时，并未给出确定数值的损伤变量，仅以单轴加载应力衡量损伤程度，原因在于，损伤变量定义时n值并未确定，在后文试验结果分析中讨论。

表7 试样损伤加载水平Table 7 Damage loading level of samples

4.3 损伤渗透试验结果

损伤渗透试验结果见表8。

表8 不同损伤程度条件下泥岩地聚合物渗透率Table 8 Permeability of mudstone geopolymer under different damage degrees

试样A3-1，A3-2，A3-3在渗透试验中未采集到气体流量数据;随着σ/σc的增大，渗透率k逐渐增大趋势;0.3≤σ/σc≤0.8时，渗透率k大小保持在10-16m2水平，未发生量级上的变化;0.8<σ/σc≤1时，渗透率k急剧增大，数量级跳跃至10-15m2水平。

4.4 损伤变量n值

将n取值1～7情况下的损伤变量Dσ与渗透率k绘制成图6。将不同n值情况下的损伤变量Dσ与渗透率k分别进行线性拟合与指数拟合，拟合公式为

图6 不同n值条件下损伤变量与渗透率关系Fig.6 Relationship between damage variable Dσ and permeability k at different n

线性拟合:

k=A1Dσ+B1

(2)

指数拟合:

k=A2eB2Dσ

(3)

式中，A1,B1,A2,B2为指数拟合系数。

从表9中可以得到，线性拟合函数中R2值随n值的增大而增大，当n=7时,R2=0.941 9，说明随着n值的增大，损伤变量Dσ与渗透率k越接近线性相关;指数拟合中，当n=6时，R2=0.994 0，最接近于1，拟合效果最佳。比较线性拟合与指数拟合最佳效果，泥岩地聚合物单轴固定损伤加载条件下，损伤变量Dσ与渗透率k关系应当采用n=6情况下指数拟合公式表示，即

表9 拟合曲线系数Table 9 Fitting curve coefficient

k=5.470 2e2.5(σ/σc)6

(4)

4.5 结果与讨论

(1)在较低损伤情况下(σ/σc<0.3)，单轴应力卸载后材料并未出现贯通裂纹，导致渗透介质未能穿过材料，所以未能采集到数据。这并不表示材料渗透率无限小，只是采用的稳态渗流实验原理所致。对于致密、微损伤材料，渗透率可采用瞬态法[13-14]测定。

(2)以单轴加载方式使泥岩-地聚合物试样产生损伤，损伤主要发生于单轴应力-应变曲线中弹性极限与峰值载荷之间的阶段以及峰后阶段。本文仅探讨了峰前情况，因为达到峰值载荷后材料结构产生严重破坏，不能保持完整，对工程应用意义不大。弹性极限与峰值载荷之间阶段，随损伤的增大，试样的原始空隙与微裂纹迅速扩展、贯通，应力卸载后贯通裂纹不闭合，导致渗透率的急剧增大。

(3)以低聚物缩聚反应为理论基础，采用泥岩、矿渣、赤泥作为碱激发粉体材料，采用标准砂作为细骨料材料，水玻璃为激发剂，制备得到标准(φ50 mm×100 mm)泥岩-地聚合物试样。

(4)材料在一维应力作用下，损伤变量中n值的大小决定了损伤程度与应力-应变曲线不同阶段的对应关系。当n=1时，表示损伤的积累与应变呈正比例关系;n值越大，表明损伤积累越靠近峰值载荷(峰值应变)。实际情况中，在达到弹性极限之前，泥岩-地聚合物发生的变形可以完全恢复，该阶段材料中产生的微裂纹在卸载后会发生闭合，不会引起渗透率的突变;弹性极限到峰值载荷阶段，随轴向应力的增大，材料急剧发生塑性变形，卸载后该阶段产生的形变增量不可恢复，裂纹不闭合，引起渗透率的急剧增大甚至突变，与试验结果吻合。

(5)渗透率与损伤变量之间应是正相关关系，具体呈线性、指数还是其他某种增函数形式，需要通过试验数据拟合得来，且与损伤变量定义形式相关。本试验中，损伤渗透率与损伤变量分别进行了线性与指数关系拟合，当n=6时的指数拟合结果最佳。可以确定，以单轴加载应力方式定义的损伤变量，与渗透率之间存在明显的指数关系(非线性关系)[15]。

(6)为实现矿区浅表层地下水的永久恢复，重构隔水层的低渗透性需要长久保持，其长期渗透特性极其重要。泥岩-地聚合物材料，长期浸泡与地下水中，其中包含的未反应溶解质溶解于水中，可能引起材料空隙产生与贯通，从而引起渗透率增大，同时可能引起地下水的污染。可通过长期浸泡、测定孔隙率、渗透率方式，研究泥岩-地聚合物的长期渗透性能。团队将针对本方面内容继续开展研究。