張東華 弓培林 王 偉 趙敏星

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024)

★ 節(jié)能與環(huán)保 ★

露天煤礦排土場(chǎng)壓實(shí)基底阻水特性及穩(wěn)定性研究

張東華 弓培林 王 偉 趙敏星

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024)

為了治理露天煤礦表土排土場(chǎng)的水污染和穩(wěn)定性，研究使用壓實(shí)基底的措施治理此類排土場(chǎng)。以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、數(shù)值模擬的方法，研究了壓實(shí)機(jī)械的最小壓實(shí)力和壓實(shí)層的最小厚度。針對(duì)印度尼西亞Berau露天煤礦，最小壓實(shí)層厚度為3.3 m，對(duì)排土場(chǎng)采取壓實(shí)基底措施后，酸性水被阻止?jié)B入地下且安全系數(shù)從1.03提高到了1.34。結(jié)果表明：壓實(shí)機(jī)械的壓實(shí)力為60 kPa且壓實(shí)層的厚度為3.3 m時(shí)排土場(chǎng)基底能形成隔水層阻止污水滲入地下；壓實(shí)層厚度為2 m時(shí)能保證排土場(chǎng)穩(wěn)定性，壓實(shí)層最小厚度取這兩個(gè)壓實(shí)層厚度的最大值。

露天煤礦 排土場(chǎng) 土地復(fù)墾 酸性水 壓實(shí)基底 阻水特性

露天煤礦主要分成開采、邊坡穩(wěn)定、土地復(fù)墾、環(huán)境保護(hù)等環(huán)節(jié)，必須收集表土儲(chǔ)存于排土場(chǎng)用于采礦完成后的土地復(fù)墾。另一方面，鐵元素伴生于露天煤礦，導(dǎo)致酸性水的產(chǎn)生，此類排土場(chǎng)污染物超標(biāo)，易形成污水。為阻止污染水滲入地下，在排土場(chǎng)基底形成一個(gè)低滲透層，在下雨天時(shí)收集排土場(chǎng)流出的雨水進(jìn)行處理。地下水位是排土場(chǎng)穩(wěn)定性的決定性影響因素之一，在基底設(shè)置一個(gè)壓實(shí)層使地下水位最高時(shí)排土場(chǎng)保持穩(wěn)定是可行的。本文研究用壓實(shí)排土場(chǎng)基底的措施來(lái)阻止酸性水滲入地下，且提高排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)

將印度尼西亞Berau露天煤礦排土場(chǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)研究對(duì)象，此露天煤礦伴生有鐵元素，排土場(chǎng)經(jīng)過長(zhǎng)期風(fēng)化作用形成酸性水，需壓實(shí)排土場(chǎng)的基底，形成一個(gè)壓實(shí)層阻止酸性水滲入地下污染整個(gè)地下水源。表土排土場(chǎng)排棄物由粘土組成，排土場(chǎng)基底由粘土和泥巖組成。

不同含水量的粘土滲透率不同，在不同的含水量時(shí)，壓實(shí)層的滲透率小于1×-6cm/s時(shí)才能阻止酸性水污染地下水。通過擊實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)定最優(yōu)含水率，首先稱重實(shí)驗(yàn)?zāi)＞攮h(huán)刀的重量，將樣品置于擊實(shí)筒內(nèi)，通過擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擊實(shí)，每層的擊實(shí)厚度大致相等；擊實(shí)完成后試樣略高于筒頂，但高度不得超過10 mm；用環(huán)刀推進(jìn)樣品，扭動(dòng)取出，用土刀修平試樣；擦凈環(huán)刀外壁的土，稱量總質(zhì)量；取出樣品，測(cè)試含水量。樣品濕密度計(jì)算如下：

(1)

式中： ρt——樣品的濕密度，g/cm3；

m2——環(huán)刀加樣品的質(zhì)量；

m1——環(huán)刀的質(zhì)量，取常數(shù)，51.9 g；

V——環(huán)刀內(nèi)樣品體積，取常數(shù)，56.52 cm3。

擊實(shí)后土樣品的干密度計(jì)算如下：

(2)

式中： ρ——土樣品的干密度，g/cm3；

w——含水率，%。

通過搓條法測(cè)定塑限含水率，實(shí)驗(yàn)過程為：按液限實(shí)驗(yàn)制備試樣，但加的水分要少，使土團(tuán)不沾手；把土樣品形狀捏成橢圓形，用手掌在毛玻璃上搓滾，當(dāng)土條被搓至直徑3 mm，產(chǎn)生裂紋并開始斷裂時(shí)，此時(shí)含水率為塑限。未產(chǎn)生裂紋，則含水率偏高，未到3 mm就斷裂，則含水量偏低，重復(fù)操作，直到3 mm土條重量達(dá)到3～5 g；測(cè)定3 mm土條的含水率。

烘干法測(cè)定自然含水率，先稱量樣品和容器的質(zhì)量，然后把樣品和容器放到干燥箱中在110℃的情況下烘干24 h，測(cè)試烘干后的總質(zhì)量，計(jì)算可得自然含水率。上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 粘土樣品的最優(yōu)含水率、塑限、自然含水率 %

通過擊實(shí)實(shí)驗(yàn)制作不同含水率的土樣品，環(huán)刀的直徑為60 mm，高度為20 mm，用常水頭實(shí)驗(yàn)測(cè)試滲透系數(shù)。把環(huán)刀以及樣品放置在剪切儀的容器里面，測(cè)出環(huán)刀和樣品的總質(zhì)量以及環(huán)刀的質(zhì)量；使樣品沉浸在水中，水力梯度設(shè)置為1 m，安裝好位移計(jì)記錄水位的上升；用剪切儀加載壓力0.1 kg/cm2、0.2 kg/cm2、0.4 kg/cm2和0.8 kg/cm2，壓實(shí)力緩慢上加，避免形成沖擊；通過位移計(jì)記錄水位升高值和時(shí)間之間的曲線關(guān)系；取出樣品，把樣品放到真空干燥箱，110℃情況下24 h后取出稱重。

樣品的含水率計(jì)算如下：

(3)

式中： w1——樣品的含水率，%；

m2——樣品加環(huán)刀的質(zhì)量，g；

m1——環(huán)刀的質(zhì)量，取常數(shù)，51.9 g；

m3——樣品干燥后的質(zhì)量，g。

樣品的滲透系數(shù)計(jì)算如下：

(4)

式中：k——滲透系數(shù)，cm/s；

d——水位升高值，mm；

t——時(shí)間，min。

通過固結(jié)直剪試驗(yàn)壓實(shí)層的基本性質(zhì)，壓實(shí)層的含水率設(shè)置為12.5%，按含水率12.5%做好樣品，每個(gè)樣品通過擊實(shí)儀擊實(shí)3次，然后用土刀削去環(huán)刀上多余的土；把樣品放置到剪切儀里面加載10 kg、20 kg、30 kg和40 kg的壓力，記錄位移和時(shí)間的曲線關(guān)系，直到壓實(shí)速度小于1 μm/min；開始剪切樣品，記錄剪切位移和時(shí)間的曲線；剪切力突然降低，或者剪切位移達(dá)到7 mm，記錄此時(shí)的剪切力。

2 壓實(shí)層的阻水特性

常水頭下滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示。

圖1、圖2和圖3顯示土樣品的滲透系數(shù)隨著壓力的增加而降低，原因是壓力增加導(dǎo)致孔隙率降低。另一方面，隨著加載壓力增加到80 kPa，滲透系數(shù)趨向4.0×10-7cm/s。按照印度尼西亞的土木標(biāo)準(zhǔn)，壓實(shí)層滲透系數(shù)小于1.0×10-6cm/s時(shí)定義為低滲透層。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，在不同含水率的情況下，當(dāng)加載壓力達(dá)到60 kPa時(shí)，各粘土樣品都能形成一個(gè)低滲透層。為了使排土場(chǎng)基底形成一個(gè)低滲透層，壓實(shí)機(jī)械的最小壓實(shí)力為60 kPa。表土層的自重對(duì)下層土產(chǎn)生壓力，假定壓實(shí)層的密度為1.8 g/cm3，最小壓實(shí)層厚度為：

(5)

式中：H——最小壓實(shí)厚度，m；

P——最小壓實(shí)力，kPa；

ρ——壓實(shí)層密度，kg/m3；

g——重力加速度，N/kg。

圖1 最優(yōu)含水率時(shí)粘土滲透系數(shù)和壓力的關(guān)系

圖2 粘土樣品塑性含水率時(shí)滲透系數(shù)和壓力的關(guān)系

圖3 粘土樣品自然含水率時(shí)滲透系數(shù)和壓力的關(guān)系

最小壓實(shí)力為60 kPa，壓實(shí)層密度為1.8×103kg/m3，得出最小壓實(shí)厚度H為3.3 m。

措施為以最小60 kPa的壓實(shí)力壓實(shí)表土層3.3 m，地面3.3 m以下的土層能夠通過自重形成低滲透層。另一方面，基底形成的壓實(shí)層在雨天能夠阻止雨水大量滲入地下。

3 提高排土場(chǎng)穩(wěn)定性

印度尼西亞Berau露天煤礦，排土場(chǎng)基底由粘土和泥巖組成。表土層為粘土，是一個(gè)弱層，粘土層的平均厚度為20 m。為了進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)排土場(chǎng)的地質(zhì)條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，外排土場(chǎng)臺(tái)階高度為10 m，排土場(chǎng)總高度為30 m，臺(tái)階坡角為40°，排土場(chǎng)總邊坡角為28°，安全臺(tái)階寬度為10 m，基底傾角為0°，地下水位線為地下6 m，基底粘土層厚度為20 m。土巖的基本性質(zhì)見表2，其中壓實(shí)層是通過上述固結(jié)剪切實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，基巖、粘土層、排棄物的數(shù)據(jù)來(lái)自于礦方。

表2 土巖的基本性質(zhì)

基于外排土場(chǎng)參數(shù)和土巖的基本性質(zhì)，用Phase軟件建立地質(zhì)模型。在露天煤礦，地下水位線是變動(dòng)的，需要確保地下水位處于最高值時(shí)的排土場(chǎng)穩(wěn)定性。在Berau露天煤礦，假定最高地下水位線為地下2 m。在地質(zhì)模型中，假定地下水位線為地下2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、和8 m，壓實(shí)層厚度為0 m、1.5 m、3 m、4.5 m、和6 m，其他參數(shù)不變。數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著壓實(shí)層厚度的增加，排土場(chǎng)的安全系數(shù)顯著增加；另一方面，隨著地下水位的下降，排土場(chǎng)的安全系數(shù)顯著增加。當(dāng)?shù)叵滤蛔罡咛幱诘叵? m時(shí)，壓實(shí)層厚度2 m能使排土場(chǎng)安全系數(shù)大于1.2。故為了保證Berau露天煤礦的排土場(chǎng)的穩(wěn)定性，壓實(shí)層厚度應(yīng)大于等于2 m。

從上述結(jié)果看出，在壓實(shí)層厚度為0 m，地下水位從地下2 m下降到8 m時(shí)，排土場(chǎng)安全系數(shù)從1.03增加到1.5當(dāng)。在地下水位為6 m，壓實(shí)層厚度從0 m增加到6 m時(shí)，排土場(chǎng)安全系數(shù)從1.38增加到2。盡管排土場(chǎng)穩(wěn)定性受到地下水位的影響，但設(shè)置合適的壓實(shí)層厚度仍然能夠明顯地提高排土場(chǎng)穩(wěn)定性。當(dāng)壓實(shí)層厚度為2 m，地下水位為2m時(shí)，排土場(chǎng)安全系數(shù)剛好大于1.2。故在印度尼西亞Berau露天煤礦，最小壓實(shí)層厚度為2 m能夠保證地下水位最高時(shí)的安全系數(shù)剛好大于1.2。故為了保證排土場(chǎng)的穩(wěn)定性，最小壓實(shí)層厚度為2 m。

圖4 不同壓實(shí)層厚度和不同地下水位條件下排土場(chǎng)的安全系數(shù)

4 結(jié)論

(1)基于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，基底壓實(shí)層能夠阻止酸性水滲入地下。壓實(shí)機(jī)械的壓實(shí)力和壓實(shí)厚度取決于基底表層土的滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果、土木工程標(biāo)準(zhǔn)、土層密度。在Berau露天煤礦，壓實(shí)機(jī)械的壓實(shí)力為60 kPa，且壓實(shí)層厚度為3.3 m，能在基底形成低滲透層阻止污染水滲入地下。

(2)基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，壓實(shí)排土場(chǎng)基底能夠提高排土場(chǎng)穩(wěn)定性?；椎膲簩?shí)層厚度取決于地下水位最高時(shí)的排土場(chǎng)穩(wěn)定性。在Berau露天煤礦，壓實(shí)層厚度為2 m時(shí)能保證排土場(chǎng)穩(wěn)定性。

(4)排土場(chǎng)基底最小壓實(shí)層厚度取上述兩個(gè)壓實(shí)層厚度的最大值。在Berau露天煤礦，最小壓實(shí)層厚度為3.3 m?；自O(shè)置3.3 m的壓實(shí)層且壓實(shí)力為60 kPa時(shí)，基底形成低滲透層阻止酸性水滲入地下且排土場(chǎng)的安全系數(shù)從1.03提高到1.34。

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(責(zé)任編輯 孫英浩)

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

張東華(1984-)，男，漢族，四川達(dá)州人，太原理工大學(xué)，講師，博士，從事露天開采及邊坡穩(wěn)定方面的研究。