周 偉，時(shí)旭陽(yáng)，李 明，陸 翔，欒博鈺

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 徐州 221116)

我國(guó)煤炭露天開(kāi)采行業(yè)發(fā)展迅速，目前煤炭露天產(chǎn)量占總產(chǎn)量已超21%[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)露天煤礦有405座，其中千萬(wàn)噸煤礦64座，已形成初具規(guī)模的露天礦群。我國(guó)煤炭露天產(chǎn)能分布具有“北多南少、局部集中”的特點(diǎn)，約90%產(chǎn)能分布于北緯39°以北，且基本位于400 mm降水線(xiàn)以?xún)?nèi)。該區(qū)域生態(tài)環(huán)境極為脆弱，生態(tài)保護(hù)、復(fù)墾工作形勢(shì)極為嚴(yán)峻。

露天開(kāi)采初期，礦區(qū)及周邊淺層地下水被疏干排棄，導(dǎo)致水資源流失浪費(fèi)嚴(yán)重。開(kāi)采形成的巨大礦坑，產(chǎn)生“漏斗效應(yīng)”[2]，導(dǎo)致周邊淺表層地下水向下層無(wú)水帶滲透，地下水環(huán)境遭嚴(yán)重破壞，即使內(nèi)排閉坑后也無(wú)法恢復(fù)。根據(jù)以上情況，研究團(tuán)隊(duì)提出，在內(nèi)排土場(chǎng)構(gòu)建人工隔水層，阻斷淺表層水的下滲。短時(shí)間內(nèi)，有助于實(shí)現(xiàn)露天礦山的階段性復(fù)墾，恢復(fù)地表植被及生態(tài)環(huán)境;其長(zhǎng)遠(yuǎn)意義在于，永久恢復(fù)淺表層地下水，從而推動(dòng)因露天礦山開(kāi)采而損害的生態(tài)圈的整體恢復(fù)。這對(duì)于生態(tài)脆弱區(qū)域礦山開(kāi)采及生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。

構(gòu)建露天礦內(nèi)排土場(chǎng)重構(gòu)隔水層是一個(gè)全新的工程應(yīng)用領(lǐng)域，其中包含多個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，簡(jiǎn)要概括為:① 重構(gòu)隔水層應(yīng)具備何種形式、空間位置特征、工程尺度，以及空間結(jié)構(gòu)受力如何;② 構(gòu)建材料應(yīng)有的力學(xué)、物理化學(xué)特征;③ 受開(kāi)采擾動(dòng)影響，材料損傷后，滲透特性是否滿(mǎn)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(fù)成本。

筆者針對(duì)露天礦重構(gòu)隔水層形式、原材料以及材料損傷-滲透特性開(kāi)展了初步研究。提出“水平隔水層構(gòu)建為主，防滲墻為輔”的基本原則，以泥巖-地聚合物為構(gòu)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(nèi)排土場(chǎng)重構(gòu)隔水層構(gòu)建

內(nèi)排土場(chǎng)重構(gòu)隔水層以構(gòu)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(gòu)建完成，而是隨著內(nèi)排工作線(xiàn)、開(kāi)采工作線(xiàn)逐步向最終境界推進(jìn)，為保證短時(shí)間內(nèi)重構(gòu)隔水層能發(fā)揮保水功能，需要構(gòu)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(nèi)排土場(chǎng)重構(gòu)隔水層構(gòu)建原則為:構(gòu)建水平隔水層為主、防滲墻為輔。

1.1 水平隔水層構(gòu)建

露天煤礦開(kāi)采空間區(qū)域原始地層可大致劃分為5個(gè)地質(zhì)構(gòu)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(zhǎng)期穩(wěn)定。通常煤層以上部分包含多個(gè)隔水層，隔水層之間為含水層或者無(wú)水帶。

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

露天開(kāi)采過(guò)程中，煤層以上地質(zhì)構(gòu)造層被爆破剝離，隔水層被完全破壞，含水層側(cè)向限制被打開(kāi)，造成周邊地下水向下流失。為從根本上恢復(fù)礦區(qū)地下水與生態(tài)環(huán)境，需要在內(nèi)排土場(chǎng)構(gòu)造新的人工地層，以恢復(fù)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(nóng)作物生長(zhǎng)，通過(guò)優(yōu)化內(nèi)排順序，輔助以生物發(fā)酵手段構(gòu)造而成;含水層主要功能為保持淺表層地下水，為植被、農(nóng)作物生長(zhǎng)提供水源，通過(guò)優(yōu)化內(nèi)排工藝構(gòu)造而成;隔水層構(gòu)建目的在于，隔斷淺表層地下水向下滲透流失路徑，是3類(lèi)人工地層中最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖2 人工構(gòu)建地層分布Fig.2 Artificially constructed stratigraphic distribution

1.2 水平分段分區(qū)域構(gòu)建

水平隔水層位置高度應(yīng)與最上一層原始隔水層保持一致，以保證重構(gòu)水平隔水層構(gòu)建完成后與原始隔水層形成完整隔水層，避免大范圍錯(cuò)層出現(xiàn)。水平隔水層的構(gòu)建跟隨內(nèi)排土工作線(xiàn)、開(kāi)采工作線(xiàn)逐步向開(kāi)采境界推進(jìn)，由于內(nèi)排臺(tái)階是逐步推進(jìn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，所以水平隔水層的構(gòu)建應(yīng)分段構(gòu)筑(圖3，一次構(gòu)筑寬度l)。由于內(nèi)排土場(chǎng)物料為松散物料，在自重條件下會(huì)發(fā)生沉降，所以分段構(gòu)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(nèi)排土場(chǎng)重構(gòu)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(gòu)建

由于水平隔水層非一次構(gòu)建完成，為在短期內(nèi)保證淺層水的恢復(fù)與保持，需要階段性構(gòu)建防滲墻，以避免已恢復(fù)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(shí)水平隔水層即構(gòu)建完成。防滲墻主要包含2種類(lèi)型:樁孔壓入式防滲墻與溝槽灌入式防水墻。與內(nèi)排土場(chǎng)重構(gòu)隔水層相比，防滲墻的構(gòu)建技術(shù)相對(duì)較為成熟，本文不做深入探討。

2 重構(gòu)隔水層材料

2.1 材料基本特征

重構(gòu)隔水層最關(guān)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(guān)鍵的特征;在構(gòu)建過(guò)程中與構(gòu)建完成后會(huì)受載荷作用發(fā)生不同程度的損傷，所以組成材料應(yīng)當(dāng)具備一定的力學(xué)強(qiáng)度，以保證隔水層的完整性;重構(gòu)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(gòu)隔水層材料應(yīng)不與水發(fā)生反應(yīng)，且不釋放毒害物質(zhì)。綜合分析，重構(gòu)隔水層材料應(yīng)當(dāng)具備的基本特征見(jiàn)表1。

表1 重構(gòu)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(chǎng)為松散破碎物料的堆積體，滲透系數(shù)較大，表2列舉了云南某露天煤礦排土場(chǎng)物料滲透性能。其中壓實(shí)黏土的滲透性能較差，滲透率在10-11m2量級(jí)，部分礦區(qū)將黏土壓實(shí)后作為臨時(shí)帷幕，可以起到臨時(shí)擋水的作用，但若作為重構(gòu)隔水層，其滲透性能遠(yuǎn)達(dá)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(fēng)化泥巖、破碎灰?guī)r以及散土構(gòu)成，無(wú)論是排土場(chǎng)淺表層還是下部經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(jí)。

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

所以，無(wú)論深層還是淺表層排土場(chǎng)物料，滲透系數(shù)均較大，無(wú)法滿(mǎn)足隔水與阻水的要求。在露天礦內(nèi)排土場(chǎng)構(gòu)建重構(gòu)隔水層尚無(wú)相關(guān)科學(xué)技術(shù)成果與工程實(shí)例，重構(gòu)隔水層滲透率應(yīng)達(dá)到多大量級(jí)也無(wú)相關(guān)論證，但有相近領(lǐng)域科學(xué)、工程問(wèn)題可以借鑒。

煤炭井工開(kāi)采過(guò)程中，治理陷落柱問(wèn)題與露天礦內(nèi)排土場(chǎng)重構(gòu)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(guò)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(jí)，可以達(dá)到很好的治理效果。所以在構(gòu)建露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)重構(gòu)隔水層問(wèn)題中，隔水層材料滲透性能可以借鑒井工開(kāi)采中治理陷落柱問(wèn)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(lèi)新型、環(huán)保、廉價(jià)的無(wú)機(jī)聚合物材料[7]，由硅鋁質(zhì)工業(yè)廢渣在堿性條件下激發(fā)形成，具有特殊三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具備力學(xué)性能優(yōu)良、耐久性耐腐蝕性強(qiáng)、低碳排放、有效固定重金屬離子與核廢料等優(yōu)點(diǎn)[8-10]。泥巖為低活性硅鋁質(zhì)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(diào)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(zhì)組分占比超70%，見(jiàn)表3，具有一定的堿激發(fā)活性。降低原材料細(xì)度，增大比表面積可提高活性。原材料制備時(shí)，將原始破碎狀泥巖進(jìn)一步破碎、研磨，過(guò)1 mm篩備用。

表3 泥巖的化學(xué)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(xué)組分見(jiàn)表4。

表4 礦渣的化學(xué)組成Table 4 Chemical composition of slag

(3)赤泥。赤泥是煉鋁過(guò)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(chǎn)工藝的不同而有所不同，本試驗(yàn)采用拜耳法赤泥，其化學(xué)組分見(jiàn)表5。原材料獲得后，經(jīng)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(xué)組成Table 5 Chemical composition of red mud powder materials

(4)標(biāo)準(zhǔn)砂。本試驗(yàn)采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

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

3.2 標(biāo)準(zhǔn)試樣制備

試驗(yàn)采用φ50 mm×100 mm的圓柱體。試樣制備原材料分別為活性調(diào)節(jié)粉體(礦渣和赤泥，質(zhì)量比1∶1)、泥巖粉、激發(fā)劑、水及標(biāo)準(zhǔn)砂。試樣配比見(jiàn)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(dòng)去除其中氣泡，置于養(yǎng)護(hù)室內(nèi)(溫度(20±2) ℃，濕度≥95%)養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d[11]。養(yǎng)護(hù)完成后，將試樣切割、打磨，制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

4 泥巖-地聚合物損傷滲透試驗(yàn)

重構(gòu)隔水層在構(gòu)建過(guò)程中以及構(gòu)建完成后均承受豎向載荷，會(huì)產(chǎn)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(diǎn)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(yīng)力情況損傷變量[12]Dσ:

Dσ=(σ/σc)nσ≤σc

(1)

其中，Dσ為一維應(yīng)力情況損傷變量，無(wú)量綱;σc為泥巖地聚合物單軸抗壓強(qiáng)度，MPa;σ為標(biāo)準(zhǔn)試樣單軸加載載荷，MPa;n為指數(shù)系數(shù)，如圖5所示，圖5列出了n分別取1～7整數(shù)時(shí)，一維損傷變量Dσ與單軸加載應(yīng)力的曲線(xiàn)關(guān)系。

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

試樣固定損傷加載試驗(yàn)?zāi)康脑谟?，?duì)泥巖地聚合物施加一定載荷，使試樣產(chǎn)生一定程度的損傷。取A3組試樣共計(jì)3塊進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)，獲得3塊試樣的單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度離散性可忽略不計(jì)，取σc=17.90 MPa作為A3組試樣的峰值強(qiáng)度。

4.2 固定損傷加載

取A3組試樣共計(jì)11塊，編號(hào)為A3-1～A3-11，按照表7，分別將試樣以應(yīng)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(zhǔn)備下階段滲透試驗(yàn)。進(jìn)行試樣固定損傷加載時(shí)，并未給出確定數(shù)值的損傷變量，僅以單軸加載應(yīng)力衡量損傷程度，原因在于，損傷變量定義時(shí)n值并未確定，在后文試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果

損傷滲透試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(yàn)中未采集到氣體流量數(shù)據(jù);隨著σ/σc的增大，滲透率k逐漸增大趨勢(shì);0.3≤σ/σc≤0.8時(shí)，滲透率k大小保持在10-16m2水平，未發(fā)生量級(jí)上的變化;0.8<σ/σc≤1時(shí)，滲透率k急劇增大，數(shù)量級(jí)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(jìn)行線(xiàn)性擬合與指數(shù)擬合，擬合公式為

圖6 不同n值條件下?lián)p傷變量與滲透率關(guān)系Fig.6 Relationship between damage variable Dσ and permeability k at different n

線(xiàn)性擬合:

k=A1Dσ+B1

(2)

指數(shù)擬合:

k=A2eB2Dσ

(3)

式中，A1,B1,A2,B2為指數(shù)擬合系數(shù)。

從表9中可以得到，線(xiàn)性擬合函數(shù)中R2值隨n值的增大而增大，當(dāng)n=7時(shí),R2=0.941 9，說(shuō)明隨著n值的增大，損傷變量Dσ與滲透率k越接近線(xiàn)性相關(guān);指數(shù)擬合中，當(dāng)n=6時(shí)，R2=0.994 0，最接近于1，擬合效果最佳。比較線(xiàn)性擬合與指數(shù)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(guān)系應(yīng)當(dāng)采用n=6情況下指數(shù)擬合公式表示，即

表9 擬合曲線(xiàn)系數(shù)Table 9 Fitting curve coefficient

k=5.470 2e2.5(σ/σc)6

(4)

4.5 結(jié)果與討論

(1)在較低損傷情況下(σ/σc<0.3)，單軸應(yīng)力卸載后材料并未出現(xiàn)貫通裂紋，導(dǎo)致滲透介質(zhì)未能穿過(guò)材料，所以未能采集到數(shù)據(jù)。這并不表示材料滲透率無(wú)限小，只是采用的穩(wěn)態(tài)滲流實(shí)驗(yàn)原理所致。對(duì)于致密、微損傷材料，滲透率可采用瞬態(tài)法[13-14]測(cè)定。

(2)以單軸加載方式使泥巖-地聚合物試樣產(chǎn)生損傷，損傷主要發(fā)生于單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)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?yàn)檫_(dá)到峰值載荷后材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，不能保持完整，對(duì)工程應(yīng)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(kuò)展、貫通，應(yīng)力卸載后貫通裂紋不閉合，導(dǎo)致滲透率的急劇增大。

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

(4)材料在一維應(yīng)力作用下，損傷變量中n值的大小決定了損傷程度與應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)不同階段的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)n=1時(shí)，表示損傷的積累與應(yīng)變呈正比例關(guān)系;n值越大，表明損傷積累越靠近峰值載荷(峰值應(yīng)變)。實(shí)際情況中，在達(dá)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(fù)，該階段材料中產(chǎn)生的微裂紋在卸載后會(huì)發(fā)生閉合，不會(huì)引起滲透率的突變;彈性極限到峰值載荷階段，隨軸向應(yīng)力的增大，材料急劇發(fā)生塑性變形，卸載后該階段產(chǎn)生的形變?cè)隽坎豢苫謴?fù)，裂紋不閉合，引起滲透率的急劇增大甚至突變，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

(5)滲透率與損傷變量之間應(yīng)是正相關(guān)關(guān)系，具體呈線(xiàn)性、指數(shù)還是其他某種增函數(shù)形式，需要通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得來(lái)，且與損傷變量定義形式相關(guān)。本試驗(yàn)中，損傷滲透率與損傷變量分別進(jìn)行了線(xiàn)性與指數(shù)關(guān)系擬合，當(dāng)n=6時(shí)的指數(shù)擬合結(jié)果最佳?？梢源_定，以單軸加載應(yīng)力方式定義的損傷變量，與滲透率之間存在明顯的指數(shù)關(guān)系(非線(xiàn)性關(guān)系)[15]。

(6)為實(shí)現(xiàn)礦區(qū)淺表層地下水的永久恢復(fù)，重構(gòu)隔水層的低滲透性需要長(zhǎng)久保持，其長(zhǎng)期滲透特性極其重要。泥巖-地聚合物材料，長(zhǎng)期浸泡與地下水中，其中包含的未反應(yīng)溶解質(zhì)溶解于水中，可能引起材料空隙產(chǎn)生與貫通，從而引起滲透率增大，同時(shí)可能引起地下水的污染?？赏ㄟ^(guò)長(zhǎng)期浸泡、測(cè)定孔隙率、滲透率方式，研究泥巖-地聚合物的長(zhǎng)期滲透性能。團(tuán)隊(duì)將針對(duì)本方面內(nèi)容繼續(xù)開(kāi)展研究。

5 結(jié) 論

(1)構(gòu)建露天礦內(nèi)排土場(chǎng)重構(gòu)隔水層，是保證階段性復(fù)墾以及露天礦閉坑后淺層地下水恢復(fù)的根本途徑，隔水層構(gòu)建原則為“以構(gòu)建水平隔水層為主、防滲墻為輔”。重構(gòu)隔水層構(gòu)建過(guò)程應(yīng)與排土場(chǎng)推進(jìn)度相適應(yīng)，分區(qū)域階段性構(gòu)筑。

(2)通過(guò)對(duì)比相似工程背景，確定了重構(gòu)隔水層材料應(yīng)具有低滲透性(滲透系數(shù)10-16～10-15m2)、一定強(qiáng)度(單軸抗壓強(qiáng)度≥0.6 MPa)、無(wú)毒無(wú)害、耐久性強(qiáng)、遇水不產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)、廉價(jià)等特征。

(3)構(gòu)建的泥巖地聚合物材料，在無(wú)損傷至破壞全過(guò)程中，其損傷-滲透性能滿(mǎn)足構(gòu)建重構(gòu)隔水層對(duì)滲透率要求。

為實(shí)現(xiàn)永久隔水目的，應(yīng)當(dāng)關(guān)注其長(zhǎng)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(zhì)，筆者所在研究團(tuán)隊(duì)將針對(duì)以上方面內(nèi)容繼續(xù)開(kāi)展研究。