干旱区露天矿外排土场隔水层重构材料试验研究

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。

露天矿坑隔水层重构及泥岩-地聚合物损伤渗透特性

露天矿水资源保护与恢复是煤炭露天开采面临的重大环境问题,是制约露天煤矿大规模发展的重要因素。露天开采形成漏斗效应,对周边地下水资源破坏严重且难以恢复,根本原因是煤层以上隔水层被爆破剥离,隔水层缺失;内排物料结构松散,渗透系数大,达不到隔水、阻水的效果。目前针对恢复与保持露天矿水资源问题,鲜有系统研究及有效措施。因此研究团队提出,以泥岩-地聚合物材料构建露天矿内排土场重构隔水层,将露天矿山及周边工业固体废弃物纳入隔水层原材料选材范畴,在实现构建隔水层的同时,消耗大量工业废渣,形成以露天矿山为中心的工业生态圈。低渗透率是隔水层材料基本特征,其数值应在10^-15 m^2以内。重点考察了材料损伤渗透特性。以地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。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。结果表明,低损伤(当σ/σc<0.3时)情况下,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;随损伤的增大(当σ/σc≥0.3时),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,且数量级介于10^-16~10^-15 m^2。通过线性与指数2种形式拟合试验结果,确定了本试验条件下损伤变量指数n=6,损伤变量Dσ与渗透率k呈典型非线性关系。泥岩地聚合物材料,在无损伤至破坏全过程中,其损伤-渗透性能满足构建重构隔水层对渗透率要求。为实现永久隔水目的,应当关注其长期渗透性能,以及在地下水环境中是否释放重金属离子等污染性物质,研究团队将针对以上方面内容继续开展研究。