露天煤礦排土場壓實基底阻水特性及穩定性研究

張東華 弓培林 王 偉 趙敏星

(太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024)

★ 節能與環保 ★

露天煤礦排土場壓實基底阻水特性及穩定性研究

張東華 弓培林 王 偉 趙敏星

(太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024)

為了治理露天煤礦表土排土場的水污染和穩定性，研究使用壓實基底的措施治理此類排土場。以現場調查、實驗室測試、數值模擬的方法，研究了壓實機械的最小壓實力和壓實層的最小厚度。針對印度尼西亞Berau露天煤礦，最小壓實層厚度為3.3 m，對排土場采取壓實基底措施后，酸性水被阻止滲入地下且安全系數從1.03提高到了1.34。結果表明：壓實機械的壓實力為60 kPa且壓實層的厚度為3.3 m時排土場基底能形成隔水層阻止污水滲入地下；壓實層厚度為2 m時能保證排土場穩定性，壓實層最小厚度取這兩個壓實層厚度的最大值。

露天煤礦 排土場 土地復墾 酸性水 壓實基底 阻水特性

露天煤礦主要分成開采、邊坡穩定、土地復墾、環境保護等環節，必須收集表土儲存于排土場用于采礦完成后的土地復墾。另一方面，鐵元素伴生于露天煤礦，導致酸性水的產生，此類排土場污染物超標，易形成污水。為阻止污染水滲入地下，在排土場基底形成一個低滲透層，在下雨天時收集排土場流出的雨水進行處理。地下水位是排土場穩定性的決定性影響因素之一，在基底設置一個壓實層使地下水位最高時排土場保持穩定是可行的。本文研究用壓實排土場基底的措施來阻止酸性水滲入地下，且提高排土場的穩定性。

1 實驗

將印度尼西亞Berau露天煤礦排土場作為現場研究對象，此露天煤礦伴生有鐵元素，排土場經過長期風化作用形成酸性水，需壓實排土場的基底，形成一個壓實層阻止酸性水滲入地下污染整個地下水源。表土排土場排棄物由粘土組成，排土場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，壓實層的滲透率小于1×-6cm/s時才能阻止酸性水污染地下水。通過擊實實驗測定最優含水率，首先稱重實驗模具環刀的重量，將樣品置于擊實筒內，通過擊實標準進行擊實，每層的擊實厚度大致相等；擊實完成后試樣略高于筒頂，但高度不得超過10 mm；用環刀推進樣品，扭動取出，用土刀修平試樣；擦凈環刀外壁的土，稱量總質量；取出樣品，測試含水量。樣品濕密度計算如下：

(1)

式中： ρt——樣品的濕密度，g/cm3；

m2——環刀加樣品的質量；

m1——環刀的質量，取常數，51.9 g；

V——環刀內樣品體積，取常數，56.52 cm3。

擊實后土樣品的干密度計算如下：

(2)

式中： ρ——土樣品的干密度，g/cm3；

w——含水率，%。

通過搓條法測定塑限含水率，實驗過程為：按液限實驗制備試樣，但加的水分要少，使土團不沾手；把土樣品形狀捏成橢圓形，用手掌在毛玻璃上搓滾，當土條被搓至直徑3 mm，產生裂紋并開始斷裂時，此時含水率為塑限。未產生裂紋，則含水率偏高，未到3 mm就斷裂，則含水量偏低，重復操作，直到3 mm土條重量達到3～5 g；測定3 mm土條的含水率。

烘干法測定自然含水率，先稱量樣品和容器的質量，然后把樣品和容器放到干燥箱中在110℃的情況下烘干24 h，測試烘干后的總質量，計算可得自然含水率。上述3個實驗的實驗結果見表1。

表1 粘土樣品的最優含水率、塑限、自然含水率 %

通過擊實實驗制作不同含水率的土樣品，環刀的直徑為60 mm，高度為20 mm，用常水頭實驗測試滲透系數。把環刀以及樣品放置在剪切儀的容器里面，測出環刀和樣品的總質量以及環刀的質量；使樣品沉浸在水中，水力梯度設置為1 m，安裝好位移計記錄水位的上升；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，壓實力緩慢上加，避免形成沖擊；通過位移計記錄水位升高值和時間之間的曲線關系；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。

樣品的含水率計算如下：

(3)

式中： w1——樣品的含水率，%；

m2——樣品加環刀的質量，g；

m1——環刀的質量，取常數，51.9 g；

m3——樣品干燥后的質量，g。

樣品的滲透系數計算如下：

(4)

式中：k——滲透系數，cm/s；

d——水位升高值，mm；

t——時間，min。

通過固結直剪試驗壓實層的基本性質，壓實層的含水率設置為12.5%，按含水率12.5%做好樣品，每個樣品通過擊實儀擊實3次，然后用土刀削去環刀上多余的土；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，記錄位移和時間的曲線關系，直到壓實速度小于1 μm/min；開始剪切樣品，記錄剪切位移和時間的曲線；剪切力突然降低，或者剪切位移達到7 mm，記錄此時的剪切力。

2 壓實層的阻水特性

常水頭下滲透實驗結果如圖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隨著壓力的增加而降低，原因是壓力增加導致孔隙率降低。另一方面，隨著加載壓力增加到80 kPa，滲透系數趨向4.0×10-7cm/s。按照印度尼西亞的土木標準，壓實層滲透系數小于1.0×10-6cm/s時定義為低滲透層。從上述實驗結果看出，在不同含水率的情況下，當加載壓力達到60 kPa時，各粘土樣品都能形成一個低滲透層。為了使排土場基底形成一個低滲透層，壓實機械的最小壓實力為60 kPa。表土層的自重對下層土產生壓力，假定壓實層的密度為1.8 g/cm3，最小壓實層厚度為：

(5)

式中：H——最小壓實厚度，m；

P——最小壓實力，kPa；

ρ——壓實層密度，kg/m3；

g——重力加速度，N/kg。

圖1 最優含水率時粘土滲透系數和壓力的關系

圖2 粘土樣品塑性含水率時滲透系數和壓力的關系

圖3 粘土樣品自然含水率時滲透系數和壓力的關系

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

措施為以最小60 kPa的壓實力壓實表土層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，基底形成的壓實層在雨天能夠阻止雨水大量滲入地下。

3 提高排土場穩定性

印度尼西亞Berau露天煤礦，排土場基底由粘土和泥巖組成。表土層為粘土，是一個弱層，粘土層的平均厚度為20 m。為了進行數值模擬對排土場的地質條件進行了簡化，外排土場臺階高度為10 m，排土場總高度為30 m，臺階坡角為40°，排土場總邊坡角為28°，安全臺階寬度為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。土巖的基本性質見表2，其中壓實層是通過上述固結剪切實驗測試得到的數據，基巖、粘土層、排棄物的數據來自于礦方。

表2 土巖的基本性質

基于外排土場參數和土巖的基本性質，用Phase軟件建立地質模型。在露天煤礦，地下水位線是變動的，需要確保地下水位處于最高值時的排土場穩定性。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，壓實層厚度為0 m、1.5 m、3 m、4.5 m、和6 m，其他參數不變。數值模擬結果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著壓實層厚度的增加，排土場的安全系數顯著增加；另一方面，隨著地下水位的下降，排土場的安全系數顯著增加。當地下水位最高處于地下2 m時，壓實層厚度2 m能使排土場安全系數大于1.2。故為了保證Berau露天煤礦的排土場的穩定性，壓實層厚度應大于等于2 m。

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

圖4 不同壓實層厚度和不同地下水位條件下排土場的安全系數

4 結論

(1)基于實驗室實驗，基底壓實層能夠阻止酸性水滲入地下。壓實機械的壓實力和壓實厚度取決于基底表層土的滲透系數測試結果、土木工程標準、土層密度。在Berau露天煤礦，壓實機械的壓實力為60 kPa，且壓實層厚度為3.3 m，能在基底形成低滲透層阻止污染水滲入地下。

(2)基于實驗和數值模擬結果，壓實排土場基底能夠提高排土場穩定性。基底的壓實層厚度取決于地下水位最高時的排土場穩定性。在Berau露天煤礦，壓實層厚度為2 m時能保證排土場穩定性。

(4)排土場基底最小壓實層厚度取上述兩個壓實層厚度的最大值。在Berau露天煤礦，最小壓實層厚度為3.3 m。基底設置3.3 m的壓實層且壓實力為60 kPa時，基底形成低滲透層阻止酸性水滲入地下且排土場的安全系數從1.03提高到1.34。

[1]李蓮華，楊淑娟，班文霞. 露天煤礦開采的環境問題及土地復墾研究. 內蒙古煤炭經濟，2014(1)

[2]王莉，張和生. 國內外礦區土地復墾研究進展. 水土保持研究，2013(1) 項元和，于曉杰，魏勇明. 露天礦排土場生態修復與植被重建技術. 中國水土保持科學，2013(S1)

[3]楊勤學，趙冰清，郭東罡. 中國北方露天煤礦區植被恢復研究進展. 生態學雜志，2015(4)

[4]胡煒. 黃土高原露天煤礦復墾策略分析. 中國礦業，2013(S1)

[5]王平，王金滿，劉偉紅. 黃土丘陵區露天煤礦復墾排土場地形因子對土壤有機碳的影響. 中國煤炭，2015(9)

[6]郭二果，張樹禮，蔡煜等. 干旱半干旱地區露天煤礦無組織揚塵排放特征. 中國煤炭，2012(1)

(責任編輯 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，四川達州人，太原理工大學，講師，博士，從事露天開采及邊坡穩定方面的研究。