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创新点
文章针对蒙东生态脆弱区露天煤矿开采过程中疏降水对水资源及生态环境影响的问题，根据矿区水文地质、工程地质条件，分析确定了露天煤矿矿坑涌水量来源及其补给途径，提出了高掺量粉煤灰注浆材料与HDPE防渗膜结合的露天煤矿防渗墙方案；研究了粉煤灰特征及活性成分，优选出高效、经济的粉煤灰活性激发剂，促进了粉煤灰的水化反应，提高了防渗墙材料的性能；研发了高掺量粉煤灰防渗墙材料，实现了煤电基地固废无害化处理与资源化利用，减少了环境污染；将保水采煤的科学理念与技术拓展至露天煤矿，减少了矿坑涌水量，恢复了矿坑外的生态水位，保护了露天煤矿水资源及生态环境。
作 者
王 海1,黄选明2,朱明诚2,曹海东2,张 雁2
作者单位
1. 中煤科工集团西安研究院有限公司 矿山灾害防治与环境治理技术研发中心；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司 水文地质研究所
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研究背景
1992年范立民提出了保水采煤的理念,主要是针对浅埋煤层开采过程中出现的一系列环境问题而提出的, 保水开采控制的核心就是控制生态水位。陕北、内蒙古东胜地区需要保护的顶板含水层为萨拉乌苏组含水层和烧变岩含水层,主要采用充填保水采煤、窄条带保水采煤、分层(限高) 保水采煤、短壁机械化保水采煤及长壁机械化快速推进保水采煤等保水采煤方法。受保护的底板含水层为奥陶系岩溶水,主要采用黏土浆液、黏土-水泥浆、纯水泥浆或双液浆对煤层底板注浆加固的保水采煤方法。采空区和烧变岩裂隙发育、利于地下水储存和运移,利用周围未采动的完整岩体改造形成地下水库,神华集团在大柳塔、石圪台等矿井建成32处地下水库,实现矿井水利用。
蒙东、新疆地区的煤田煤层厚度达到几十米,甚至达到几百米。当煤层埋藏浅、接近地表时,大多采用露天开采。露天开采具有开采成本低、资源利用率高、安全系数高等优点,富水性强、渗透性好、补给源广的第四系松散层影响露天煤矿剥离、开采,导致矿坑涌水量巨大。露天煤矿在开采过程中常用疏排降水和帷幕截流疏降和控制地下水,我国在建和生产的露天煤矿均采用疏排降水方法进行矿坑水疏降或疏干。露天煤矿长时间大流量疏排降水,导致矿区周围地下水下降迅速、植被枯死、井泉干涸、土地荒漠化等生态环境问题。目前,针对露天矿的保水采煤技术研究的较少。针对露天矿特征,采用高掺量粉煤灰防渗墙探索露天矿水资源保护技术,为类似条件露天矿提供参考。
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摘 要
蒙东某露天矿矿坑涌水量高达100000m3/d,补给源主要为海拉尔河,河水经深厚砂卵石层沿煤层隐伏露头渗入煤层,进而涌入矿坑,采用疏干井疏排矿坑涌水,造成水资源的巨大浪费和环境严重破坏,并增加露天矿生产成本。
为截断补给通道、减小矿坑涌水量、保护水资源和矿区生态环境,通过试验、理论分析研究了高掺量粉煤灰防渗墙材料的强度、抗渗性能、黏度、粉煤灰激发剂效果,并针对露天矿煤层厚、补给范围广的特点,进行了现场帷幕截水试验。
研究结果显示,水固比0.7∶1.0时,防渗墙材料的抗压强度和抗渗性能与水泥掺量呈正相关关系,粉煤灰掺量为80%的充填材料前期强度增长缓慢,后期强度增大较快,60,90d抗压强度分别为28d的1.90倍、3.25倍;CaCl2和NaCl可加快粉煤灰活性发挥、促进水化反应、减小颗粒间孔隙,显著提高充填材料的早期强度和抗渗性能,具有良好的激发效果;防渗墙材料的黏度随着剪切速率的增大具有明显的剪切变稀现象,剪切速率为30s-1时出现拐点,呈现剪切增稠现象;膨润土可增加充填材料的黏度,消除其剪切增稠现象,并提高材料的抗渗性能。
通过露天矿北侧补给区域进行高掺量粉煤灰防渗墙截水试验,矿坑涌水量减少24000m3/d,截水效果显著,水资源得到保护;防渗墙内外水位差逐渐增大,墙外水位逐渐恢复,水位埋深达到-6~-7m,水位恢复到植被所需的生态水位,生态水位得到保障。在露天矿采用高掺量粉煤灰防渗墙可截断渗水通道、减少矿坑涌水量、保护生态环境,实现露天矿绿色、保水开采。
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文中图片
露天矿地层结构示意
高掺量粉煤灰防渗墙材料抗压强度
膨润土对防渗墙材料强度影响
高掺量粉煤灰防渗墙材料抗渗压力值
防渗墙材料SEM微观结构
材料黏度变化曲线
激发剂对防渗墙材料黏度影响
膨润土对材料黏度影响
防渗墙平面布置
防渗墙剖面
露天矿矿坑涌水量减少量
墙内外观测孔水位变化
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作者简介
王海，男，1987年4月8日生，江苏睢宁人，硕士，副研究员，国家注册土木工程师（岩土）、一级建造师，主持/参与国家自然基金项目1项、国家重点研发计划项目2项、省部级项目2项、中国煤炭科工集团科技创新项目2项、西安研究院科技创新项目6项，授权发明专利2项、实用新型专利5项，受理发明专利6项，发表学术论文20余篇。
研究方向
矿山地质灾害防治与生态环境治理
主要成果
致力于采煤沉陷区治理、煤矿水害防治与煤电基地固废无害化资源化利用技术的研发工作；建立了半煤岩巷道高压水闸墙安全性评价方法，研发了适用于低温、动水条件的注浆材料，研究了煤电基地固废材料特征及无害化处理与资源化利用技术，构建了基于固废的注浆材料性能预测模型，实现了煤电基地固废无害化与资源化利用与生态脆弱区保水采煤的有机结合，并在蒙东矿区推广应用。
来源：
王海,黄选明,朱明诚,等.基于高掺量粉煤灰防渗墙的露天矿水资源保护技术 [J]. 煤炭学报,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.
责任编辑：韩晋平
编辑整理：郭晓炜
审 核：常琛
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