一种露天矿内排土场隔水层重塑材料及方法

摘要

一种露天矿内排土场隔水层重塑材料及方法，适用于煤炭开采水资源保护领域。该重塑材料为泥岩地聚合物，包括：水、凝胶材料、激发剂、标准砂。该方法包括以下步骤：根据实际条件确定重塑隔水层材料配比；压实排土场表面，搭建模具，均匀浇筑重塑材料，振捣并抹平；养护一段时间，完成该阶段的隔水层重塑。依此过程循环，完成整个隔水层重塑。本发明施工简单，成本低廉，可完成露天矿内排土场隔水层重塑，实现生态复垦，对建设绿色开采矿山具有重要意义。

权利要求

1.一种露天矿内排土场隔水层重塑材料，其特征在于：该材料为泥岩地聚合物，它包括水、凝胶、激发剂、标准砂；所述凝胶包括泥岩、矿渣和赤泥混合而成，其中凝胶总重量为Q，泥岩组分质量为30%-70%Q，矿渣组分质量为15%-50%Q，赤泥组分质量为15%-20%Q；所述激发剂掺量为0.1-0.2Q，水与凝胶材料质量比为0.5:1，凝胶材料与标准砂质量比为1:1；

所述的泥岩为直接从露天矿排土场收集研磨破碎成为1mm的粉状泥岩；

所述矿渣为发电厂煤矿燃烧后的废渣，在100℃下烘干24小时后研磨成粉；

所述赤泥为铝厂排放的赤泥，经碾磨成粉状；

所述激发剂为由工业水玻璃和氢氧化钠制成的模数为1的碱性激发剂；

所述标准砂为ISO标准砂。

2.一种使用权利要求1所述露天矿内排土场隔水层重塑材料的露天矿内排土场隔水层重塑方法，其特征在于步骤如下：A、根据露天矿原始隔水层（1）的层位确定重塑隔水层（2）的层位，根据重塑隔水层（2）的层位算出重塑隔水层（2）需要的抗压强度；

B、计算出重塑隔水层（2）的抗压强度理论值，并根据重塑隔水层（2）的抗压强度理论值进行重塑材料的配比试验，验证使用的配比是否满足抗压强度，同时保证配比出的重塑隔水层（2）满足渗透系数小于0.001m/d，反复进行配比试验从而找出效果最佳的配比；

C、当露天矿内排土场（4）的内排填充高度接近原始隔水层（1）时，对露天矿内排土场进行压实，尽量保证压实面水平；

D、根据原始隔水层（1）的厚度，在露天矿内排土场水平压实面上搭建相同高度筑路模具，均匀浇筑最佳配比的重塑材料，振捣并抹平；

E、1个小时后对凝固后的形成的重塑隔水层（2）重塑材料进行盖土工布洒水养护；

F、24小时后，去掉土工布，完成重塑隔水层（2）的施工。

3.根据权利要求2所述的一种露天矿内排土场隔水层重塑方法，其特征在于：在排土场设置的重塑隔水层（2）处形成的台阶上部平盘外侧留设10m安全施工距离。

4.根据权利要求3所述的一种露天矿内排土场隔水层重塑方法，其特征在于：在重塑隔水层（2）的外侧设置有高度为1.5m的防渗墙（3）。

说明书

一种露天矿内排土场隔水层重塑材料及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种露天矿内排土场隔水层重塑材料及方法，尤其适用于煤炭开采水资源保护领域。技术背景

[0002] 煤炭露天开采虽具有多方面的优势，但仍避免不了对生态环境的破坏，且随着露天开采的大规模发展，该问题变的日益严重。露天矿建矿初期，要对采区进行疏干排水，使得地下水以地表径流的形式流失；开采过程中形成巨大的矿坑，形成巨型“漏斗”，导致地表水、浅层地水下渗，水资源流失极其严重。露天矿区水资源的流失导致周边植被严重退化，农业生产更是受到破坏性影响，直接影响周边生态环境。开采初期剥离物全部外排形成外排土场，占用大量土地，千万吨级露天煤矿外排土场占用土地面积均在40平方公里以上。随着开采的进行，采坑内腾出内排空间，剥离物实现内排形成内排土场，随着工作线的推进，内排土场逐渐跟进。构成排土场的松散土石混合材料渗透系数较大，排土场浅表层无法储存足够水分，难以实现复垦。我国约90％露天煤矿产能分布于北纬39°以北，且基本位于400mm降水线以内，生态环境极为脆弱，露天矿区的生态保护、生态复垦工作形式极为严峻。

[0003] 露天矿水资源的流失以及难以恢复的根本原因在于，第一，开采过程中煤层以上的隔水层被爆破、剥离，浅层地下水无法恢复；第二，内排土场松散土石混合材料渗透系数较大，无法保持足够水分。露天开采对隔水层的破坏是永久性的，虽然大部分露天矿实现了剥离物内排，但松散土石混合材料渗透系数较大，无法满足隔水甚至阻水的要求。其次，露天矿内排土场隔水层重塑需要大量的物料，必须考虑经济成本等因素。所以，关于露天矿内排土场隔水层重塑国内外尚未有学者研究。

[0004] 因此，为保护露天矿生态环境，实现生态复垦，必须提出一种经济合理、技术可行的露天矿内排土场隔水层重塑材料及方法。

发明内容

[0005] 针对现有技术的上述不足，本发明提出了取材容易，成本低，实现生态复垦，建设绿色开采矿山，使用效果好的露天矿内排土场隔水层重塑材料及方法。

[0006] 为实现上述目的，本发明采的露天矿内排土场隔水层重塑材料，其特征在于：该材料为泥岩地聚合物，它包括水、凝胶、激发剂、标准砂；所述凝胶包括泥岩、矿渣和赤泥混合而成，其中凝胶总重量为Q，泥岩组分质量为30％-70％Q，矿渣组分质量为15％-50％Q，赤泥组分质量为15％-20％Q；所述激发剂掺量为0.1-0.2Q，水与凝胶材料质量比为0.5:1，凝胶材料与标准砂质量比为1:1。

[0007] 所述的泥岩为直接从露天矿排土场收集研磨破碎成为1mm的粉状泥岩；

[0008] 所述矿渣为发电厂煤矿燃烧后的废渣，在100℃下烘干24小时后研磨成粉；

[0009] 所述赤泥为铝厂排放的赤泥，经碾磨成粉状；

[0010] 所述激发剂为由工业水玻璃和氢氧化钠制成的模数为1的碱性激发剂；

[0011] 所述标准砂为ISO标准砂。

[0012] 一种露天矿内排土场隔水层重塑材料的露天矿内排土场隔水层重塑方法，其步骤如下：

[0013] A、根据露天矿原始隔水层的层位确定重塑隔水层的层位，根据重塑隔水层的层位算出重塑隔水层需要的抗压强度；

[0014] B、计算出重塑隔水层的抗压强度理论值，并根据重塑隔水层的抗压强度理论值进行重塑材料的配比试验，验证使用的配比是否满足抗压强度，同时保证配比出的重塑隔水层满足渗透系数小于0.001m/d，反复进行配比试验从而找出效果最佳的配比；

[0015] C、当露天矿内排土场的内排填充高度接近原始隔水层时，对露天矿内排土场进行压实，尽量保证压实面水平；

[0016] D、根据原始隔水层的厚度，在露天矿内排土场水平压实面上搭建相同高度筑路模具，均匀浇筑最佳配比的重塑材料，振捣并抹平；

[0017] E、1个小时后对凝固后的形成的重塑隔水层重塑材料进行盖土工布洒水养护；

[0018] F、24小时后，去掉土工布，完成重塑隔水层的施工。

[0019] 在排土场设置的重塑隔水层处形成的台阶上部平盘外侧留设10m安全施工距离。

[0020] 在重塑隔水层的外侧设置有高度为1.5m的防渗墙。

[0021] 有益效果：本发明的重塑材料均为低价易获取的废弃材料，安全环保，且材料凝结时间短，强度上升快，所用材料均是无毒物质，可保证水源清洁，重塑隔水层符合低渗透率和强度的要求，不会与水发生物理化学反应，具备永久耐久性。重塑方法现场施工简单，实用性强，可实现露天矿内排土场隔水层重塑，进而实现生态复垦，适用范围广，具有良好的社会环境效益。

附图说明

[0022] 图1为本发明的一个实施例示意图。

[0023] 图中：1—原始隔水层，2—重塑隔水层，3—防渗墙，4—内排土场，5—内排土场台阶。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图中的实施例对本发明作进一步说明：

[0025] 本发明的露天矿内排土场隔水层重塑材料，其特征在于：该材料为泥岩地聚合物，它包括水、凝胶、激发剂、标准砂；所述凝胶包括泥岩、矿渣和赤泥混合而成，其中凝胶总重量为Q，泥岩组分质量为30％-70％Q，矿渣组分质量为15％-50％Q，赤泥组分质量为15％-20％Q；所述激发剂掺量为0.1-0.2Q，水与凝胶材料质量比为0.5:1，凝胶材料与标准砂质量比为1:1；所述的泥岩为直接从露天矿排土场收集研磨破碎成为1mm的粉状泥岩；所述矿渣为发电厂煤矿燃烧后的废渣，在100℃下烘干24小时后研磨成粉；所述赤泥为铝厂排放的赤泥，经碾磨成粉状；所述激发剂为由工业水玻璃和氢氧化钠制成的模数为1的碱性激发剂；
所述标准砂为ISO标准砂。

[0026] 如图1所示，一种露天矿内排土场隔水层重塑方法，其步骤如下：

[0027] A、根据露天矿原始隔水层1的层位确定重塑隔水层2的层位，根据重塑隔水层2的层位算出重塑隔水层2需要的抗压强度；

[0028] B、计算出重塑隔水层2的抗压强度理论值，并根据重塑隔水层2的抗压强度理论值进行重塑材料的配比试验，验证使用的配比是否满足抗压强度，同时保证配比出的重塑隔水层2满足渗透系数小于0.001m/d，反复进行配比试验从而找出效果最佳的配比；

[0029] C、当露天矿内排土场4的内排填充高度接近原始隔水层1时，对露天矿内排土场进行压实，尽量保证压实面水平；

[0030] D、根据原始隔水层1的厚度，在露天矿内排土场水平压实面上搭建相同高度筑路模具，均匀浇筑最佳配比的重塑材料，振捣并抹平；

[0031] E、1个小时后对凝固后的形成的重塑隔水层2重塑材料进行盖土工布洒水养护；

[0032] F、24小时后，去掉土工布，完成重塑隔水层2的施工。

[0033] 在排土场设置的重塑隔水层2处形成的台阶上部平盘外侧留设10m安全施工距离。

[0034] 在重塑隔水层2的外侧设置有高度为1.5m的防渗墙3。

[0035] 实施例一：

[0036] 参照图1，露天矿内排土场重塑隔水层施工步骤如下：

[0037] A、重塑材料配比设计，根据原始隔水层1的层位确定重塑隔水层2的层位，并确定重塑隔水层2的物理力学参数，设计材料成分配比，在室内进行重塑材料配合比实验，测试重塑试样的单轴抗压强度、渗透率等物理力学参数，采用的材料配比为：

[0038] 重塑材料 凝胶材料 激发剂 水 标准砂材料配比 Q 0.2Q 0.5Q Q

[0039] 其中凝胶材料占比为：

[0040]凝胶材料 泥岩粉 矿渣 赤泥
材料质量比 30％ 50％ 20％

[0041] B、当露天矿内排土场4内排高度接近原始地层隔水层时，压实内排土场4表面，并保证压实面水平，在压实面上搭建筑路模具，并计算出所需凝胶材料的质量Q；

[0042] C、将计算好质量的泥岩、矿渣、赤泥混合研磨成粉装进搅拌车中，运至内排土场，掺入模数为1的水玻璃碱性激发剂、标准砂，加入适量水搅拌3-5分钟，保证重塑材料的水胶比为0.5，胶砂比为1；

[0043] D、向模具内均匀浇筑重塑材料，振捣并抹平，直至重塑隔水层2与原始隔水层1在同一水平面；

[0044] E、材料抹平后，大约1个小时后进行盖土工布洒水养护；

[0045] F、24小时后，去掉土工布，完成该阶段的隔水层重塑。

[0046] 实施例二：

[0047] 参照图1，露天矿内排土场重塑隔水层施工步骤如下：

[0048] A、重塑材料配比设计，根据原始隔水层1的层位确定重塑隔水层2的层位，并确定重塑隔水层2合适的物理力学参数，设计材料成分配比，在室内进行重塑材料配合比实验，测试重塑试样的单轴抗压强度、渗透性等物理力学参数，采用的材料配比为：

[0049] 重塑材料 凝胶材料 激发剂 水 标准砂材料配比 Q 0.1Q 0.5Q Q

[0050] 其中凝胶材料占比为：

[0051] 凝胶材料 泥岩粉 矿渣 赤泥材料占比 70％ 15％ 15％

[0052] 步骤B-F同实施例一。

[0053] 下面结合实施例中的两种具体露天矿内排土场隔水层重塑材料对本发明的技术效果作进一步的说明：

[0054] 按照实施例1和实施例2中的隔水层重塑材料组份配比，制备内排土场4隔水层重塑材料，在实验室加工制作并养护，制作标准试块50×100mm(直径×高)。利用实验仪器对其抗压强度进行测试，测试结果下表：

[0055]

[0056] 露天矿埋藏深度一般在300m左右，其上覆岩层载荷约为7.5MPa，上覆最上层原始隔水层1一般埋藏深度较浅，隔水层上覆载荷低，所以承载性能实施例一和二都能满足，需进一步考虑渗透特性。

[0057] 在室内利用实例1的材料配比制作多个试样，选取其中3个进行抗压强度测试，测试的3个试样抗压强度分别为23.79MPa、23.82MPa、23.85MPa。取平均值23.82MPa作为该重塑材料配比的材料抗压峰值强度，并用同等配比材料的11个试样进行渗透率测试，分别将试样应力控制方式单轴加载至不同损伤水平，加载速率0.02MPa/s，加载至所需值后立即卸载，用密封胶带将试样柱面密封保存，再进行下阶段渗透试验。由于泥岩地聚合物较为致密，即使在低损伤条件下其渗透性能也较差，若以水作为渗透介质，渗透试验难以实现，所以应以动力粘度较小的渗透介质代替水来进行渗透试验。试验结果如下表：

[0058]

[0059] 假设最上层隔水层埋藏为150m，上覆岩层载荷则约为3.75MPa。

[0060] 3.75÷23.84≈0.16

[0061] 由于0.1<0.16<0.2，所以，实例1能符合渗透特性要求。

[0062] 以此参照标准计算实例2。

[0063] 3.75÷5.54≈0.68

[0064] 由于0.68更靠近0.7，取8.2×10-16m2作为其渗透率。

[0065] 一般原生地下隔水层渗透系数极小，常小于0.001m/d，渗透系数K与渗透率k之间的关系为：

[0066] K＝kρg/η

[0067] 其中，η为动力粘滞性系数；ρ为流体密度；g为重力加速度。

[0068] 空气的动力粘度为17.9e-6Pa·s，密度为1.293Kg/m3，重力加速度取9.81m/s2,，换算可得在空气介质条件下，一般原生地下隔水层渗透率为1.63×10-14m2，大于重塑材料在损伤条件下的渗透率，所以实例2也满足要求。

[0069] 综上，实例1和实例2完全满足露天矿内排土场隔水层重塑条件。

[0070] 需要说明的是，由于内排土场台阶5是逐步推进的动态过程，所以实施例一和二仅是完成了一个阶段的隔水层重塑，且在每个阶段隔水层重塑时，为防止已恢复浅层水的横向流失，需要阶段性构建防渗墙3，高度为2.5m，同时，为保证作业人员的安全，在排土场靠近工作面的一侧设有10m安全距离。依照上述步骤循环，直到露天矿闭坑时重塑隔水层2构建完成。