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創新點
文章針對蒙東生態脆弱區露天煤礦開採過程中疏降水對水資源及生態環境影響的問題，根據礦區水文地質、工程地質條件，分析確定了露天煤礦礦坑湧水量來源及其補給途徑，提出了高摻量粉煤灰注漿材料與HDPE防滲膜結合的露天煤礦防滲牆方案；研究了粉煤灰特徵及活性成分，優選出高效、經濟的粉煤灰活性激發劑，促進了粉煤灰的水化反應，提高了防滲牆材料的性能；研發了高摻量粉煤灰防滲牆材料，實現了煤電基地固廢無害化處理與資源化利用，減少了環境汙染；將保水採煤的科學理念與技術拓展至露天煤礦，減少了礦坑湧水量，恢復了礦坑外的生態水位，保護了露天煤礦水資源及生態環境。
作 者
王 海1,黃選明2,朱明誠2,曹海東2,張 雁2
作者單位
1. 中煤科工集團西安研究院有限公司 礦山災害防治與環境治理技術研發中心；2. 中煤科工集團西安研究院有限公司 水文地質研究所
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研究背景
1992年範立民提出了保水採煤的理念,主要是針對淺埋煤層開採過程中出現的一系列環境問題而提出的, 保水開採控制的核心就是控制生態水位。陝北、內蒙古東勝地區需要保護的頂板含水層為薩拉烏蘇組含水層和燒變巖含水層,主要採用充填保水採煤、窄條帶保水採煤、分層(限高) 保水採煤、短壁機械化保水採煤及長壁機械化快速推進保水採煤等保水採煤方法。受保護的底板含水層為奧陶系岩溶水,主要採用黏土漿液、黏土-水泥漿、純水泥漿或雙液漿對煤層底板注漿加固的保水採煤方法。採空區和燒變巖裂隙發育、利於地下水儲存和運移,利用周圍未採動的完整巖體改造形成地下水庫,神華集團在大柳塔、石圪臺等礦井建成32處地下水庫,實現礦井水利用。
蒙東、新疆地區的煤田煤層厚度達到幾十米,甚至達到幾百米。當煤層埋藏淺、接近地表時,大多采用露天開採。露天開採具有開採成本低、資源利用率高、安全係數高等優點,富水性強、滲透性好、補給源廣的第四系鬆散層影響露天煤礦剝離、開採,導致礦坑湧水量巨大。露天煤礦在開採過程中常用疏排降水和帷幕截流疏降和控制地下水,我國在建和生產的露天煤礦均採用疏排降水方法進行礦坑水疏降或疏幹。露天煤礦長時間大流量疏排降水,導致礦區周圍地下水下降迅速、植被枯死、井泉乾涸、土地荒漠化等生態環境問題。目前,針對露天礦的保水採煤技術研究的較少。針對露天礦特徵,採用高摻量粉煤灰防滲牆探索露天礦水資源保護技術,為類似條件露天礦提供參考。
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摘 要
蒙東某露天礦礦坑湧水量高達100000m3/d,補給源主要為海拉爾河,河水經深厚砂卵石層沿煤層隱伏露頭滲入煤層,進而湧入礦坑,採用疏乾井疏排礦坑湧水,造成水資源的巨大浪費和環境嚴重破壞,並增加露天礦生產成本。
為截斷補給通道、減小礦坑湧水量、保護水資源和礦區生態環境,通過試驗、理論分析研究了高摻量粉煤灰防滲牆材料的強度、抗滲性能、黏度、粉煤灰激發劑效果,並針對露天礦煤層厚、補給範圍廣的特點,進行了現場帷幕截水試驗。
研究結果顯示,水固比0.7∶1.0時,防滲牆材料的抗壓強度和抗滲性能與水泥摻量呈正相關關係,粉煤灰摻量為80%的充填材料前期強度增長緩慢,後期強度增大較快,60,90d抗壓強度分別為28d的1.90倍、3.25倍;CaCl2和NaCl可加快粉煤灰活性發揮、促進水化反應、減小顆粒間孔隙,顯著提高充填材料的早期強度和抗滲性能,具有良好的激發效果;防滲牆材料的黏度隨著剪切速率的增大具有明顯的剪切變稀現象,剪切速率為30s-1時出現拐點,呈現剪切增稠現象;膨潤土可增加充填材料的黏度,消除其剪切增稠現象,並提高材料的抗滲性能。
通過露天礦北側補給區域進行高摻量粉煤灰防滲牆截水試驗,礦坑湧水量減少24000m3/d,截水效果顯著,水資源得到保護;防滲牆內外水位差逐漸增大,牆外水位逐漸恢復,水位埋深達到-6~-7m,水位恢復到植被所需的生態水位,生態水位得到保障。在露天礦採用高摻量粉煤灰防滲牆可截斷滲水通道、減少礦坑湧水量、保護生態環境,實現露天礦綠色、保水開採。
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文中圖片
露天礦地層結構示意
高摻量粉煤灰防滲牆材料抗壓強度
膨潤土對防滲牆材料強度影響
高摻量粉煤灰防滲牆材料抗滲壓力值
防滲牆材料SEM微觀結構
材料黏度變化曲線
激發劑對防滲牆材料黏度影響
膨潤土對材料黏度影響
防滲牆平面佈置
防滲牆剖面
露天礦礦坑湧水量減少量
牆內外觀測孔水位變化
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作者簡介
王海，男，1987年4月8日生，江蘇睢寧人，碩士，副研究員，國家註冊土木工程師（岩土）、一級建造師，主持/參與國家自然基金項目1項、國家重點研發計劃項目2項、省部級項目2項、中國煤炭科工集團科技創新項目2項、西安研究院科技創新項目6項，授權發明專利2項、實用新型專利5項，受理發明專利6項，發表學術論文20餘篇。
研究方向
礦山地質災害防治與生態環境治理
主要成果
致力於採煤沉陷區治理、煤礦水害防治與煤電基地固廢無害化資源化利用技術的研發工作；建立了半煤巖巷道高壓水閘牆安全性評價方法，研發了適用於低溫、動水條件的注漿材料，研究了煤電基地固廢材料特徵及無害化處理與資源化利用技術，構建了基於固廢的注漿材料性能預測模型，實現了煤電基地固廢無害化與資源化利用與生態脆弱區保水採煤的有機結合，並在蒙東礦區推廣應用。
來源：
王海,黃選明,朱明誠,等.基於高摻量粉煤灰防滲牆的露天礦水資源保護技術 [J]. 煤炭學報,2020,45(3):1160-1169.
WANG Hai,HUANG Xuanming,ZHU Mingcheng,et al. Water-preserved coal mining technology in open pit based on cutoff wall with high fly ash content[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(3):1160-1169.
責任編輯：韓晉平
編輯整理：郭曉煒
審 核：常琛
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