Experimental study on reconstruction material of impervious layer in open-pit mine external dump in arid area
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摘要:
新疆煤炭资源储量巨大,具备开发建设大型露天煤矿的条件与优势,但由于新疆干旱区气候特点,造成露天开采对生态环境影响和破坏范围广、程度高,开展干旱区露天矿生态修复具有重大实际意义。由于排土场物料松散、孔隙度大、渗透性大,对干旱区排土场生态修复提出严峻挑战。为解决我国西部干旱区露天煤矿生态修复过程中水资源的紧缺问题,提高干旱区露天矿生态修复效果,基于材料强度和渗透率双重技术目标,探究重构露天矿外排土场隔水层材料配比,以不同材料配比方案利用室内渗透性试验及单轴抗压强度开展相关研究。采用XRD衍射试验、单轴抗压试验与变水头渗透试验确定了不同配比试件的材料主要成分、单轴抗压强度与渗透率并研究了重构隔水层的材料配比参数。试验结果表明:固化剂掺比增加2%时,试件抗压强度提高22%,但增加趋势随着固化剂掺比超过8%时开始降低,固化剂掺比从8%增加至10%时,试件的抗压强度仅增加6%。随着粉煤灰掺比的增加其渗透率逐渐减小,粉煤灰掺比每增加2%可使渗透率降低28%。固化剂掺比量对试件抗压强度的影响程度大于粉煤灰掺比对其的影响程度,且对于渗透率而言,粉煤灰掺比的影响程度更高。粉煤灰掺比固定时,固化剂掺比与试件的单轴抗压强度呈正相关。固化剂掺比一定时,粉煤灰掺比增加其单轴抗压强度也在增大。
Abstract:Xinjiang has huge reserves of coal resources and has the conditions and advantages to develop and construct large-scale open-pit coal mines. However, due to the climate characteristics of Xinjiang’s arid areas, open-pit mining has a wide range and high degree of impact on the ecological environment and damage. It is of great practical significance to carry out ecological restoration of open-pit mines in arid areas. Due to the loose materials, high porosity and permeability of the waste dump, the ecological restoration of the waste dump in arid areas is a serious challenge. In order to solve the shortage of water resources in the ecological restoration process of open-pit coal mines in the arid areas of western China, improve the ecological restoration effect of open-pit coal mines in the arid areas, based on the dual technical objectives of material strength and permeability, explore and reconstruct the material ratio of the impervious layer of the open-pit mine external dump, carry out relevant research with different material ratio schemes using indoor permeability test and uniaxial compressive strength. The main composition, uniaxial compressive strength and permeability of the materials with different proportions were determined by XRD diffraction test, uniaxial compression test and variable head permeability test, and the material proportioning parameters of the reconstructed aquiclude were studied. The test results show that the compressive strength of the specimen increases by 22% when the curing agent ratio increases by 2%, but the increasing trend starts to decrease when the curing agent ratio exceeds 8%. When the curing agent ratio increases from 8% to 10%, the compressive strength of the specimen increases by only 6%. With the increase of fly ash content, its permeability decreases gradually. Every 2% increase of fly ash content can reduce the permeability of 28%. The following rules are obtained: the influence of the content of curing agent on the compressive strength of the specimen is greater than that of the fly ash content, and the influence of the fly ash content on the permeability is higher. When the fly ash content is fixed, the curing agent content is positively correlated with the uniaxial compressive strength of the specimen. When the ratio of curing agent is fixed, the uniaxial compressive strength of fly ash increases with the increase of the ratio.
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0. 引 言
新疆煤炭资源储量丰富,煤层赋存条件适宜大型露天煤矿开发建设,对未来国家能源供给具有举足轻重作用[1-2]。然而新疆地处干旱区,导致露天煤矿在高速发展中面临着一系列急需解决的问题。露天采矿煤层以上表土、岩层的剥离过程对采场土地造成了极大的破坏,采区土壤与初始地层也遭到了严重的破坏,进而导致土壤肥力下降和水土流失现象加剧[3-4]。
提高外排土场生态修复治理能力是降低露天开采对环境影响和损害的重要措施。尤其是干旱区缺少降水及强蒸发,是影响排土场修复的重要因素。排土场由松散的物料组成,渗透性高、保水性差,对植被保水提出了严峻挑战,针对干旱区外排土场特点,利用剥离物料重构隔水层,对生态修复保水具有极其重要的生态意义。
近年国内外也逐渐重视隔水层重构研究,张勇等[5]基于正交试验设计,采用垂直布锚形式,选取裂缝数量、裂缝断续程度和裂缝倾角3种裂缝特性作为试验因素,并通过极差分析和方差分析研究裂缝各因素对锚固体单轴抗压强度的影响。赵宽耀等[6]通过现场双环试验、原状样室内变水头渗透试验、重塑样室内变水头渗透试验,对黑方台黄土的渗透特性进行对比分析,并证明高密度电法在黄土地区的适用性;李珊珊等[7]通过变水头试验,分析了变水头管横截面面积、起始水头高度等因素对测定渗透系数的影响;刘争宏等[8]通过室内变水头渗透试验及现场双环注水试验测定了安哥拉Quelo砂天然土和击实土的渗透系数。统计了Quelo砂渗透系数的范围,探讨了地表水的下渗浸润规律。曹胜飞等[9]利用膨润土进行了6组变水头试验,得到了渗透系数随时间的变化曲线;牛文杰等[10]分析比较了各种模拟土水特征曲线,对分维理论公式进行修正可以更好地模拟试验结果;Bojana Dolinar[11]发现粘土的Atterberg极限与其外部特定表面之间存在着明确的关系;周伟等[12]定义了一维应力条件下,以单轴加载水平为指标的损伤变量,通过渗透试验分析了不同损伤程度条件下材料渗透特性。渗透性试验是开展隔水层材料渗透性能的基础,然而,国内外学者主要聚焦于单一土质材料的渗透性,而针对干旱区露天煤矿排土场重构隔水层而言,应满足具有一定的力学强度及低渗透性的基础指标。因此,单一土质材料不能满足重构隔水层的要求,需要考虑土质材料的配比提高力学强度。笔者以红沙泉露天煤矿为例,结合新疆地区缺水、强风、蒸发旺盛等典型的干旱区特点,研究不同材料配比对隔水层材料抗压强度与渗透率的影响规律,旨在探究干旱区重构隔水层的最佳材料配比参数,为提升干旱区露天矿生态修复效果提供研究基础。
1. 试验材料筛选
1.1 试验材料选择原则
红沙泉露天矿位于新疆准东矿区干旱荒漠区,年降雨量191 mm,年蒸发量2046 mm,降雨量远小于蒸发量。排土场表层土壤结构松散、渗透性大,重构隔水层对排土场生态修复意义重大[13-16]。
重构隔水层在不污染地下水的前提下要实现阻隔表层水下渗及保持结构稳定的基本功能。重构隔水层应达到低渗透性,其渗透率在10−10~10−8 m2(表1)[17-19],且隔水层力学强度应大于0.6 MPa[20]。
表 1 渗透性与渗透率关系Table 1. Relationship between permeability and permeability渗透性 渗透率/m2 高渗透性 >10−6 中渗透性 10−6~10−8 低渗透性 10−8~10−10 极低渗透性 10−10~10−12 实际不透水 <10−13 1.2 泥岩材料矿物组成
在天然隔水层中泥岩为主要的材料之一,因此,初步考虑泥岩作为隔水层重构的主要材料,红沙泉露天矿具有丰富的材料来源。通过现场踏勘选取+650平盘泥岩(J2-3sha)、+630平盘泥岩(J2x2)作为隔水层主要材料,利用XRD衍射试验确定泥岩矿物组成如图1所示。
两种泥岩的衍射曲线在相同的试验条件下曲线基本重合。确定①、③、⑨、⑩为伊利石矿物,②和⑤为高岭石矿物,④和⑥为石英,⑦为钾长石的衍射峰,两种泥岩的主要成分见表2。
表 2 泥岩主要成分表Table 2. Main Composition of Mudstone主要成分 质量分数/% 泥岩(J2-3sha) 泥岩(J2x2) 蒙脱石+伊蒙混层 21 9.50 高岭石 3.50 22 石英 16.70 67 方解石 50.80 — 斜长石 6.70 — 钾长石 0.80 — 赤铁矿 0.50 — 针铁矿 — 1.10 锐钛矿 — 0.40 1.3 泥岩变水头土柱试验
将2种泥岩以粒径0.5、1、2 mm分别制成高度为5、10、20 cm的土柱,每组3次共27次,按图2装置进行变水头土柱试验。加入水后记录烧杯水深、液面高度、入渗时间等参数并生成渗流特征曲线,获得图3—图5试验曲线。
通过试验曲线,可确定:
1)对于0.5 mm粒径,泥岩(J2x2)的平均入渗率为0,泥岩(J2-3sha)的平均入渗率为0.01 cm/h,泥岩(J2x2)在极小粒径条件下隔水效果略优于泥岩(J2-3sha)。
2)对于1 mm粒径,高度5 cm的泥岩(J2x2)平均入渗率(0.18 cm/h)大于泥岩(J2-3sha)的平均入渗率(0.03 cm/h),在10 cm和20 cm高度条件下泥岩(J2x2)的稳定入渗率分别为0.16、0.08 cm/h均大于同高度泥岩(J2-3sha)的平均入渗率(0.03 cm/h),对于1 mm粒径泥岩而言,其厚度越大,隔水效果越好。
3)对于2 mm粒径的泥岩,泥岩(J2x2)直接遇水崩解化成泥,泥岩(J2-3sha)在10、20和30 cm高度条件下的平均入渗率分别为0.13、0.12、0.11 cm/h,其隔水效果远优于泥岩(J2x2)(图6),且厚度越大,隔水效果越好。
因此,由于泥岩(J2-3sha)在不同粒径条件下的整体表现优于泥岩(J2x2),所以初步考虑泥岩(J2-3sha)作为重构隔水层材料。
2. 试验材料方案配比
选取粉煤灰与固化剂进行不同配比试验,粉煤灰通过填充泥岩(J2-3sha)中的空隙进而达到降低渗透率的作用[21]。粉煤灰取自新疆国信电厂,并利用XRD衍射试验确定粉煤灰的主要成分见图7与表3。试验使用的固化剂为SCA-2型固化剂,利用聚合机理使原本松散的土壤颗粒形成结构紧密的整体,从而提高试件强度[22-24]。
表 3 粉煤灰的主要化学成分Table 3. Main chemical composition of fly ash成分 含量/% 石英 18.0 莫来石 5.0 磁铁矿 8.0 赤铁矿 4.0 非晶相 65.0 通过控制土壤固化剂、粉煤灰掺比设计如下方案:研究了固化剂、粉煤灰不同掺比9组配比,即土壤固化剂的掺比依次为6%、8%、10%,粉煤灰的掺比依次为8%、10%、12%。
3. 试件强度试验
3.1 试件制备及养护
试验采用ø50 mm×100 mm的圆柱体,在制备原试件完成脱模后放置于养护室中(温度(20±2)℃,湿度≥95%)养护28 d。对养护完成的试件进行切割、打磨,最终制成标准试件。
3.2 单轴抗压强度试验
采用DNS电子万能试验机对试件的抗压强度进行测试,选用位移控制并设置位移速率为0.5mm/min,每个配比设置3组试件,以3次单轴压缩试验结果的平均值作为试验最终结果,确定应力应变曲线如图8所示。
不同配比方案的单轴抗压强度结果见表4,按照不同粉煤灰掺比及固化剂掺比确定单轴抗压强度对比关系如图9所示。
表 4 隔水层材料的单轴抗压强度值Table 4. Uniaxial compressive strength values of waterproof layer materials配比方案 材料配比/% 单轴抗压强度/MPa 固化剂 粉煤灰 泥岩(J2-3sha) 1 6 8 86 0.724 2 6 10 84 0.832 3 6 12 82 0.981 4 8 8 84 0.948 5 8 10 82 1.043 6 8 12 80 1.085 7 10 8 82 1.060 8 10 10 80 1.102 9 10 12 78 1.113 根据图9a分析得出结论,在同等养护条件下,粉煤灰掺比一定时,随着固化剂掺比增多试件的单轴抗压强度也随之提高。由图9a与图9b对比分析可得出,在同等养护条件下,固化剂掺比一定时,随着粉煤灰掺比增多其单轴抗压强度也增高。
4. 试件渗透性研究
4.1 变水头渗透试验
将泥岩(J2-3sha)研磨至细粒径,依据土工试验标准,选取图10所示的试验装置进行变水头渗透试验,试验步骤为:
1)将制备好的试件进行充分饱和。
2)在容器套筒内壁上涂上一层薄薄的凡士林,慢慢地将试件环刀推入套筒,然后压入止水垫圈。对于过量凡士林需要挤压出去并刮除干净。在顶部和底部盖上透水板,之后用螺钉拧紧以防止漏气漏水。
3)将渗透容器与水头装置连接,将水瓶中的水注入进水管。水头高度根据试件结构的密度确定,高度不超过2 m。稳定后加到渗透容器中。打开排气阀,将容器侧立,从渗透容器底部清除所有空气,直到溢出的水中没有气泡为止。开启排气孔,向渗透容器内充入一定压力的气体。关闭排气阀,压平渗透容器。
4)在一定水头作用下静置一段时间,待出水管口有水溢出时,再开始进行试验测定。
5)将水头管充水至所需高度,关止水夹5(2),开始测量变水头管中起始水头高度和开始时间,测量水头和时间的变化的时间间隔保持一致,且出水口水温测量记录好。测量次数在2次~3次后,使水头水位回升至所需高度,并连续测记多次,试验重复5~6次以上。
变水头渗透试验依据达西定律,其渗透系数应按式(1)计算[7]:
$$ {k}_{T}=2.3\frac{aL}{A({t}_{2}-{t}_{1})}\mathrm{lg}\frac{{H}_{b1}}{{H}_{b2}} $$ (1) 式中:a为变水头管的断面面积,cm2;A为试件断面面积,cm2;t2、t1分别对应Hb2与Hb1的记录时刻,s;Hb1为开始时水头,cm;Hb2为终止时水头,cm;L为渗透直径,cm。
4.2 试件制备
在制备时试件控制其干含水率为5%、密度为1.528 kg/m3,保持与现场实测的含水率与密度一致。将晾晒好的土样按上述材料配比进行配置,并密封放置24 h。选择的渗透环刀的尺寸为高为40 mm、直径61.8 mm[8]。试验所用的仪器设备如图11所示。
4.3 试验结果与分析
通过变水头渗透试验得出不同方案的平均渗透系数与平均渗透率,统计结果见表5。
表 5 试验结果统计Table 5. Statistical of test results方案(材料配比) 平均渗透系数/(cm·s−1) 平均渗透率/m2 方案一(6:8:86) 1.89×10−5 1.89×10−10 方案二(6:10:84) 1.51×10−5 1.51×10−10 方案三(6:12:82) 1.24×10−5 1.24×10−10 方案四(8:8:84) 1.80×10−5 1.8×10−10 方案五(8:10:82) 1.18×10−5 1.18×10−10 方案六(8:12:80) 7.67×10−6 7.67×10−11 方案七(10:8:82) 1.62×10−5 1.62×10−10 方案八(10:10:80) 1.11×10−5 1.11×10−10 方案九(10:12:78) 3.17×10−6 3.17×10−11 根据表5可得到不同材料配比试件与渗透系数的柱状关系如图12所示。在固化剂掺比不变时,随着粉煤灰的掺比增加,渗透率逐渐减小,粉煤灰在试件中起到显著的填充作用,试件内部空隙得到有效填充、孔隙率不断减小,从而使其渗透率降低。在粉煤灰掺比不变时,随着固化剂的增加,渗透率逐渐减小,固化剂使岩土密实度上升进而降低了渗透率。说明经土壤固化剂处理后的固化从亲水性转成斥水性且具有良好的水稳定性,除了方案6与方案9这两组达到极低渗透性,其余试验组都为低渗透性。
5. 结果与讨论
结合极差分析法探讨抗压强度、渗透率与粉煤灰、固化剂掺比之间的关系:
$$ \left\{ \begin{gathered} {K_n} = \sum\limits_{n = 1}^3 {{j_n}} \\ {k_n} = \frac{{\displaystyle\sum\limits_{n = 1}^3 {{j_n}} }}{3} \\ R = {k_{\max }} - {k_{\min }} \\ \end{gathered} \right. $$ (2) 式中:j为试验指标;Kn为试验数据之和;kn为对应Kn的平均值;R为因素的极差值。
表 6 抗压强度极差分析Table 6. Compressive strength stability range analysis编号 固化剂掺比/% 粉煤灰掺比/% 抗压强度 1 6 8 0.724 2 6 10 0.8326 3 6 12 0.981 4 8 8 0.9482 5 8 10 1.043 6 8 12 1.085 7 10 8 1.06 8 10 10 1.102 9 10 12 1.113 K1 2.54 2.73 K2 3.08 2.98 K3 3.28 3.18 k1 0.85 0.91 k2 1.03 0.99 k3 1.09 1.06 R 0.24 0.15 因素
主次固化剂掺比>粉煤灰掺比 表 7 渗透率极差分析Table 7. Analysis of permeability range编号 固化剂掺比/% 粉煤灰掺比/% 渗透率 1 6 8 1.89 2 6 10 1.51 3 6 12 1.24 4 8 8 1.80 5 8 10 1.18 6 8 12 0.767 7 10 8 1.62 8 10 10 1.11 9 10 12 0.317 K1 4.64 5.31 K2 3.747 3.8 K3 3.047 2.324 k1 1.55 1.77 k2 1.249 1.27 k3 1.016 0.77 R 0.534 1 因素
主次粉煤灰掺比>固化剂掺比 固化剂掺比对试件抗压强度的影响程度大于粉煤灰掺比对其的影响程度。而粉煤灰掺比对渗透率影响程度更高。
不同配比材料对试件性能影响关系如图13所示。
1)粉煤灰掺比固定时,固化剂掺比与试件的单轴抗压强度呈正相关。固化剂掺比一定时,粉煤灰掺比增加其单轴抗压强度也在增大。
2)固化剂掺比增加2%时,试件抗压强度提高22%,但这种增加趋势随着固化剂掺比超过8%时开始降低。固化剂掺比从8%增加至10%时,试件的抗压强度仅增加6%。粉煤灰掺比每增加2%可同比增加试件抗压强度9%。
3)随着粉煤灰掺比的增加其渗透率逐渐减小,粉煤灰掺比每增加2%可使渗透率降低28%。固化剂掺比每增加2%可使试件的渗透率降低19.4%。
6. 结 论
1)固化剂掺比量对试件抗压强度的影响程度大于粉煤灰掺比对其的影响程度。粉煤灰掺比对渗透率的影响程度比固化剂掺比更高。
2)固化剂掺比自6%增加至8%时,试件抗压强度会大幅提高22%左右,但试件抗压强度的增加趋势将会随着固化剂掺比超过8%时开始降低,固化剂掺比从8%增加至10%时试件的抗压强度变化幅度不大,仅增加约6%。粉煤灰掺比每增加2%,试件的抗压强度可同比提高9%。
3)随着粉煤灰掺比增加,试件渗透率呈现整体线性减小趋势,粉煤灰掺比每增加2%,可使渗透率降低28%左右。而随着固化剂掺比增加,试件渗透率的整体线性减小趋势相较于粉煤灰掺比增加所造成的影响要小,每2%的掺比增加可使试件的渗透率降低19.4%。
4)隔水层材料单轴抗压强度随着粉煤灰掺比、固化剂掺比的增加而增大,其渗透率随着粉煤灰掺比、固化剂掺比增加而减小。
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表 1 渗透性与渗透率关系
Table 1 Relationship between permeability and permeability
渗透性 渗透率/m2 高渗透性 >10−6 中渗透性 10−6~10−8 低渗透性 10−8~10−10 极低渗透性 10−10~10−12 实际不透水 <10−13 表 2 泥岩主要成分表
Table 2 Main Composition of Mudstone
主要成分 质量分数/% 泥岩(J2-3sha) 泥岩(J2x2) 蒙脱石+伊蒙混层 21 9.50 高岭石 3.50 22 石英 16.70 67 方解石 50.80 — 斜长石 6.70 — 钾长石 0.80 — 赤铁矿 0.50 — 针铁矿 — 1.10 锐钛矿 — 0.40 表 3 粉煤灰的主要化学成分
Table 3 Main chemical composition of fly ash
成分 含量/% 石英 18.0 莫来石 5.0 磁铁矿 8.0 赤铁矿 4.0 非晶相 65.0 表 4 隔水层材料的单轴抗压强度值
Table 4 Uniaxial compressive strength values of waterproof layer materials
配比方案 材料配比/% 单轴抗压强度/MPa 固化剂 粉煤灰 泥岩(J2-3sha) 1 6 8 86 0.724 2 6 10 84 0.832 3 6 12 82 0.981 4 8 8 84 0.948 5 8 10 82 1.043 6 8 12 80 1.085 7 10 8 82 1.060 8 10 10 80 1.102 9 10 12 78 1.113 表 5 试验结果统计
Table 5 Statistical of test results
方案(材料配比) 平均渗透系数/(cm·s−1) 平均渗透率/m2 方案一(6:8:86) 1.89×10−5 1.89×10−10 方案二(6:10:84) 1.51×10−5 1.51×10−10 方案三(6:12:82) 1.24×10−5 1.24×10−10 方案四(8:8:84) 1.80×10−5 1.8×10−10 方案五(8:10:82) 1.18×10−5 1.18×10−10 方案六(8:12:80) 7.67×10−6 7.67×10−11 方案七(10:8:82) 1.62×10−5 1.62×10−10 方案八(10:10:80) 1.11×10−5 1.11×10−10 方案九(10:12:78) 3.17×10−6 3.17×10−11 表 6 抗压强度极差分析
Table 6 Compressive strength stability range analysis
编号 固化剂掺比/% 粉煤灰掺比/% 抗压强度 1 6 8 0.724 2 6 10 0.8326 3 6 12 0.981 4 8 8 0.9482 5 8 10 1.043 6 8 12 1.085 7 10 8 1.06 8 10 10 1.102 9 10 12 1.113 K1 2.54 2.73 K2 3.08 2.98 K3 3.28 3.18 k1 0.85 0.91 k2 1.03 0.99 k3 1.09 1.06 R 0.24 0.15 因素
主次固化剂掺比>粉煤灰掺比 表 7 渗透率极差分析
Table 7 Analysis of permeability range
编号 固化剂掺比/% 粉煤灰掺比/% 渗透率 1 6 8 1.89 2 6 10 1.51 3 6 12 1.24 4 8 8 1.80 5 8 10 1.18 6 8 12 0.767 7 10 8 1.62 8 10 10 1.11 9 10 12 0.317 K1 4.64 5.31 K2 3.747 3.8 K3 3.047 2.324 k1 1.55 1.77 k2 1.249 1.27 k3 1.016 0.77 R 0.534 1 因素
主次粉煤灰掺比>固化剂掺比 -
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期刊类型引用(2)
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