露天礦坑隔水層重構及泥巖-地聚合物損傷滲透特性

周 偉，時旭陽，李 明，陸 翔，欒博鈺

(1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院,江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

我國煤炭露天開采行業(yè)發(fā)展迅速，目前煤炭露天產量占總產量已超21%[1]。據統(tǒng)計，我國露天煤礦有405座，其中千萬噸煤礦64座，已形成初具規(guī)模的露天礦群。我國煤炭露天產能分布具有“北多南少、局部集中”的特點，約90%產能分布于北緯39°以北，且基本位于400 mm降水線以內。該區(qū)域生態(tài)環(huán)境極為脆弱，生態(tài)保護、復墾工作形勢極為嚴峻。

露天開采初期，礦區(qū)及周邊淺層地下水被疏干排棄，導致水資源流失浪費嚴重。開采形成的巨大礦坑，產生“漏斗效應”[2]，導致周邊淺表層地下水向下層無水帶滲透，地下水環(huán)境遭嚴重破壞，即使內排閉坑后也無法恢復。根據以上情況，研究團隊提出，在內排土場構建人工隔水層，阻斷淺表層水的下滲。短時間內，有助于實現露天礦山的階段性復墾，恢復地表植被及生態(tài)環(huán)境;其長遠意義在于，永久恢復淺表層地下水，從而推動因露天礦山開采而損害的生態(tài)圈的整體恢復。這對于生態(tài)脆弱區(qū)域礦山開采及生態(tài)恢復具有重要意義。

構建露天礦內排土場重構隔水層是一個全新的工程應用領域，其中包含多個關鍵科學問題，簡要概括為:① 重構隔水層應具備何種形式、空間位置特征、工程尺度，以及空間結構受力如何;② 構建材料應有的力學、物理化學特征;③ 受開采擾動影響，材料損傷后，滲透特性是否滿足隔水功能需求;④ 如何降低材料與施工成本，是否可以做到負成本。

筆者針對露天礦重構隔水層形式、原材料以及材料損傷-滲透特性開展了初步研究。提出“水平隔水層構建為主，防滲墻為輔”的基本原則，以泥巖-地聚合物為構建材料，分析了其在不同損傷程度條件下的滲透特性。

1 露天煤礦內排土場重構隔水層構建

內排土場重構隔水層以構建水平隔水層為主，以阻斷淺層地下水向下流失路徑。水平隔水層并不是一次構建完成，而是隨著內排工作線、開采工作線逐步向最終境界推進，為保證短時間內重構隔水層能發(fā)揮保水功能，需要構建豎向隔水層，即“防滲墻”[3-5]，以防止淺層地下水的橫向流失。所以露天礦內排土場重構隔水層構建原則為:構建水平隔水層為主、防滲墻為輔。

1.1 水平隔水層構建

露天煤礦開采空間區(qū)域原始地層可大致劃分為5個地質構造層，分別為:覆蓋層、含水層、隔水層、基巖、煤層，如圖1所示。其中隔水層一般為致密的巖石，滲透率極小，可隔斷含水層中的重力水向下流失，保持地下水環(huán)境的長期穩(wěn)定。通常煤層以上部分包含多個隔水層，隔水層之間為含水層或者無水帶。

圖1 原始地層分布Fig.1 Original stratigraphic distribution

露天開采過程中，煤層以上地質構造層被爆破剝離，隔水層被完全破壞，含水層側向限制被打開，造成周邊地下水向下流失。為從根本上恢復礦區(qū)地下水與生態(tài)環(huán)境，需要在內排土場構造新的人工地層，以恢復被破壞的地下水環(huán)境。人工地層包含3層，從上到下分別為:腐殖土層、含水層和隔水層，如圖2所示。腐殖土層適宜植被、農作物生長，通過優(yōu)化內排順序，輔助以生物發(fā)酵手段構造而成;含水層主要功能為保持淺表層地下水，為植被、農作物生長提供水源，通過優(yōu)化內排工藝構造而成;隔水層構建目的在于，隔斷淺表層地下水向下滲透流失路徑，是3類人工地層中最關鍵環(huán)節(jié)。

圖2 人工構建地層分布Fig.2 Artificially constructed stratigraphic distribution

1.2 水平分段分區(qū)域構建

水平隔水層位置高度應與最上一層原始隔水層保持一致，以保證重構水平隔水層構建完成后與原始隔水層形成完整隔水層，避免大范圍錯層出現。水平隔水層的構建跟隨內排土工作線、開采工作線逐步向開采境界推進，由于內排臺階是逐步推進的動態(tài)過程，所以水平隔水層的構建應分段構筑(圖3，一次構筑寬度l)。由于內排土場物料為松散物料，在自重條件下會發(fā)生沉降，所以分段構筑有利于防止隔水層因不均勻沉降而發(fā)生破壞、斷裂，而減弱其隔水功能。

圖3 內排土場重構隔水層示意Fig.3 Schematic diagram of the reconstruction of the aquiclude in the dumping site

1.3 防滲墻構建

由于水平隔水層非一次構建完成，為在短期內保證淺層水的恢復與保持，需要階段性構建防滲墻，以避免已恢復淺層水的橫向流失。防滲墻僅起到階段性作用，露天礦閉坑時水平隔水層即構建完成。防滲墻主要包含2種類型:樁孔壓入式防滲墻與溝槽灌入式防水墻。與內排土場重構隔水層相比，防滲墻的構建技術相對較為成熟，本文不做深入探討。

2 重構隔水層材料

2.1 材料基本特征

重構隔水層最關鍵功能是隔斷淺表層地下水下滲路徑，具備低滲透性是最基本也是最關鍵的特征;在構建過程中與構建完成后會受載荷作用發(fā)生不同程度的損傷，所以組成材料應當具備一定的力學強度，以保證隔水層的完整性;重構隔水層上表面與淺表層水接觸，為保證地下水清潔可利用，重構隔水層材料應不與水發(fā)生反應，且不釋放毒害物質。綜合分析，重構隔水層材料應當具備的基本特征見表1。

表1 重構隔水層材料特征Table 1 Material characteristics of reconstructed water-blocking layer

2.2 材料滲透性特征

排土場為松散破碎物料的堆積體，滲透系數較大，表2列舉了云南某露天煤礦排土場物料滲透性能。其中壓實黏土的滲透性能較差，滲透率在10-11m2量級，部分礦區(qū)將黏土壓實后作為臨時帷幕，可以起到臨時擋水的作用，但若作為重構隔水層，其滲透性能遠達不到永久隔水的效果;泥灰?guī)r-粉土為典型的土石混合體，主要由風化泥巖、破碎灰?guī)r以及散土構成，無論是排土場淺表層還是下部經過長期壓力重塑的深層土石混合體，其滲透率較大，均在10-9m2量級。

表2 云南某露天煤礦排土場物料滲透性能Table 2 Material permeability of an open-pit coal mine dump in Yunnan Province

所以，無論深層還是淺表層排土場物料，滲透系數均較大，無法滿足隔水與阻水的要求。在露天礦內排土場構建重構隔水層尚無相關科學技術成果與工程實例，重構隔水層滲透率應達到多大量級也無相關論證，但有相近領域科學、工程問題可以借鑒。

煤炭井工開采過程中，治理陷落柱問題與露天礦內排土場重構隔水層有相似之處[6]。陷落柱突水是井工煤礦水害的主要誘因，需要通過注漿封堵等方式降低陷落柱滲流速率防止發(fā)生突水。所采用注漿材料硬化后滲透率在10-16～10-15m2量級，可以達到很好的治理效果。所以在構建露天煤礦內排土場重構隔水層問題中，隔水層材料滲透性能可以借鑒井工開采中治理陷落柱問題所采用注漿材料滲透率。

3 泥巖-地聚合物材料

地聚合物是一類新型、環(huán)保、廉價的無機聚合物材料[7]，由硅鋁質工業(yè)廢渣在堿性條件下激發(fā)形成，具有特殊三維網狀結構，具備力學性能優(yōu)良、耐久性耐腐蝕性強、低碳排放、有效固定重金屬離子與核廢料等優(yōu)點[8-10]。泥巖為低活性硅鋁質材料，是露天礦上廣泛存在的固體廢棄物。本文以泥巖作為基本原材料，以高活性的鋼渣、赤泥作為活性調節(jié)原材料，制備泥巖-地聚合物材料。

3.1 原材料

(1)泥巖。露天煤礦中泥巖存量極其豐富，硅鋁質組分占比超70%，見表3，具有一定的堿激發(fā)活性。降低原材料細度，增大比表面積可提高活性。原材料制備時，將原始破碎狀泥巖進一步破碎、研磨，過1 mm篩備用。

表3 泥巖的化學組成Table 3 Chemical composition of mudstone

(2)礦渣。礦渣是已知的工業(yè)廢渣中活性最高的原材料。將原材料在100 ℃條件下烘干24 h，研磨10 min后備用。礦渣化學組分見表4。

表4 礦渣的化學組成Table 4 Chemical composition of slag

(3)赤泥。赤泥是煉鋁過程中的一種工業(yè)廢渣，因氧化鐵含量較高，呈紅色，如圖4所示。赤泥的組成隨鋁礦石與生產工藝的不同而有所不同，本試驗采用拜耳法赤泥，其化學組分見表5。原材料獲得后，經100 ℃烘干24 h，研磨10 min后備用。

圖4 塊狀與粉狀赤泥Fig.4 Massive and powdery red mud

表5 赤泥粉體材料的化學組成Table 5 Chemical composition of red mud powder materials

(4)標準砂。本試驗采用ISO標準砂。

(5)激發(fā)劑。本試驗采用水玻璃作為激發(fā)劑，模數3.0，波美度38°，含水率63%。

3.2 標準試樣制備

試驗采用φ50 mm×100 mm的圓柱體。試樣制備原材料分別為活性調節(jié)粉體(礦渣和赤泥，質量比1∶1)、泥巖粉、激發(fā)劑、水及標準砂。試樣配比見表6。

表6 泥巖地聚合物材料配比Table 6 Material ratio

原材料按照上述比例混合均勻，裝入模具充分振動去除其中氣泡，置于養(yǎng)護室內(溫度(20±2) ℃，濕度≥95%)養(yǎng)護24 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護至28 d[11]。養(yǎng)護完成后，將試樣切割、打磨，制成標準試樣。

4 泥巖-地聚合物損傷滲透試驗

重構隔水層在構建過程中以及構建完成后均承受豎向載荷，會產生一定程度的損傷。損傷的發(fā)生直接影響材料的滲透特性，本文重點探討泥巖地聚合物材料在不同損傷條件下的滲透特性。

4.1 損傷變量

定義一維應力情況損傷變量[12]Dσ:

Dσ=(σ/σc)nσ≤σc

(1)

其中，Dσ為一維應力情況損傷變量，無量綱;σc為泥巖地聚合物單軸抗壓強度，MPa;σ為標準試樣單軸加載載荷，MPa;n為指數系數，如圖5所示，圖5列出了n分別取1～7整數時，一維損傷變量Dσ與單軸加載應力的曲線關系。

圖5 損傷變量隨軸向應力變化曲線Fig.5 Curves of damage variable with axial stress

試樣固定損傷加載試驗目的在于，對泥巖地聚合物施加一定載荷，使試樣產生一定程度的損傷。取A3組試樣共計3塊進行單軸加載試驗，獲得3塊試樣的單軸抗壓強度，分別為17.82，17.92，17.96 MPa，平均值為17.90 MPa，方差0.003 5。A3組試樣單軸峰值強度離散性可忽略不計，取σc=17.90 MPa作為A3組試樣的峰值強度。

4.2 固定損傷加載

取A3組試樣共計11塊，編號為A3-1～A3-11，按照表7，分別將試樣以應力控制方式單軸加載至不同損傷水平，加載速率0.02 MPa/s，加載至峰值后立即卸載，用密封膠帶將試樣柱面密封保存，準備下階段滲透試驗。進行試樣固定損傷加載時，并未給出確定數值的損傷變量，僅以單軸加載應力衡量損傷程度，原因在于，損傷變量定義時n值并未確定，在后文試驗結果分析中討論。

表7 試樣損傷加載水平Table 7 Damage loading level of samples

4.3 損傷滲透試驗結果

損傷滲透試驗結果見表8。

表8 不同損傷程度條件下泥巖地聚合物滲透率Table 8 Permeability of mudstone geopolymer under different damage degrees

試樣A3-1，A3-2，A3-3在滲透試驗中未采集到氣體流量數據;隨著σ/σc的增大，滲透率k逐漸增大趨勢;0.3≤σ/σc≤0.8時，滲透率k大小保持在10-16m2水平，未發(fā)生量級上的變化;0.8<σ/σc≤1時，滲透率k急劇增大，數量級跳躍至10-15m2水平。

4.4 損傷變量n值

將n取值1～7情況下的損傷變量Dσ與滲透率k繪制成圖6。將不同n值情況下的損傷變量Dσ與滲透率k分別進行線性擬合與指數擬合，擬合公式為

圖6 不同n值條件下損傷變量與滲透率關系Fig.6 Relationship between damage variable Dσ and permeability k at different n

線性擬合:

k=A1Dσ+B1

(2)

指數擬合:

k=A2eB2Dσ

(3)

式中，A1,B1,A2,B2為指數擬合系數。

從表9中可以得到，線性擬合函數中R2值隨n值的增大而增大，當n=7時,R2=0.941 9，說明隨著n值的增大，損傷變量Dσ與滲透率k越接近線性相關;指數擬合中，當n=6時，R2=0.994 0，最接近于1，擬合效果最佳。比較線性擬合與指數擬合最佳效果，泥巖地聚合物單軸固定損傷加載條件下，損傷變量Dσ與滲透率k關系應當采用n=6情況下指數擬合公式表示，即

表9 擬合曲線系數Table 9 Fitting curve coefficient

k=5.470 2e2.5(σ/σc)6

(4)

4.5 結果與討論

(1)在較低損傷情況下(σ/σc<0.3)，單軸應力卸載后材料并未出現貫通裂紋，導致滲透介質未能穿過材料，所以未能采集到數據。這并不表示材料滲透率無限小，只是采用的穩(wěn)態(tài)滲流實驗原理所致。對于致密、微損傷材料，滲透率可采用瞬態(tài)法[13-14]測定。

(2)以單軸加載方式使泥巖-地聚合物試樣產生損傷，損傷主要發(fā)生于單軸應力-應變曲線中彈性極限與峰值載荷之間的階段以及峰后階段。本文僅探討了峰前情況，因為達到峰值載荷后材料結構產生嚴重破壞，不能保持完整，對工程應用意義不大。彈性極限與峰值載荷之間階段，隨損傷的增大，試樣的原始空隙與微裂紋迅速擴展、貫通，應力卸載后貫通裂紋不閉合，導致滲透率的急劇增大。

(3)以低聚物縮聚反應為理論基礎，采用泥巖、礦渣、赤泥作為堿激發(fā)粉體材料，采用標準砂作為細骨料材料，水玻璃為激發(fā)劑，制備得到標準(φ50 mm×100 mm)泥巖-地聚合物試樣。

(4)材料在一維應力作用下，損傷變量中n值的大小決定了損傷程度與應力-應變曲線不同階段的對應關系。當n=1時，表示損傷的積累與應變呈正比例關系;n值越大，表明損傷積累越靠近峰值載荷(峰值應變)。實際情況中，在達到彈性極限之前，泥巖-地聚合物發(fā)生的變形可以完全恢復，該階段材料中產生的微裂紋在卸載后會發(fā)生閉合，不會引起滲透率的突變;彈性極限到峰值載荷階段，隨軸向應力的增大，材料急劇發(fā)生塑性變形，卸載后該階段產生的形變增量不可恢復，裂紋不閉合，引起滲透率的急劇增大甚至突變，與試驗結果吻合。

(5)滲透率與損傷變量之間應是正相關關系，具體呈線性、指數還是其他某種增函數形式，需要通過試驗數據擬合得來，且與損傷變量定義形式相關。本試驗中，損傷滲透率與損傷變量分別進行了線性與指數關系擬合，當n=6時的指數擬合結果最佳?？梢源_定，以單軸加載應力方式定義的損傷變量，與滲透率之間存在明顯的指數關系(非線性關系)[15]。

(6)為實現礦區(qū)淺表層地下水的永久恢復，重構隔水層的低滲透性需要長久保持，其長期滲透特性極其重要。泥巖-地聚合物材料，長期浸泡與地下水中，其中包含的未反應溶解質溶解于水中，可能引起材料空隙產生與貫通，從而引起滲透率增大，同時可能引起地下水的污染?？赏ㄟ^長期浸泡、測定孔隙率、滲透率方式，研究泥巖-地聚合物的長期滲透性能。團隊將針對本方面內容繼續(xù)開展研究。

5 結 論

(1)構建露天礦內排土場重構隔水層，是保證階段性復墾以及露天礦閉坑后淺層地下水恢復的根本途徑，隔水層構建原則為“以構建水平隔水層為主、防滲墻為輔”。重構隔水層構建過程應與排土場推進度相適應，分區(qū)域階段性構筑。

(2)通過對比相似工程背景，確定了重構隔水層材料應具有低滲透性(滲透系數10-16～10-15m2)、一定強度(單軸抗壓強度≥0.6 MPa)、無毒無害、耐久性強、遇水不產生物理化學反應、廉價等特征。

(3)構建的泥巖地聚合物材料，在無損傷至破壞全過程中，其損傷-滲透性能滿足構建重構隔水層對滲透率要求。

為實現永久隔水目的，應當關注其長期滲透性能，以及在地下水環(huán)境中是否釋放重金屬離子等污染性物質，筆者所在研究團隊將針對以上方面內容繼續(xù)開展研究。