矿山强渗松散层柔性磁吸防渗膜垂向帷幕截水技术研究.pdf
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1、矿山强渗松散层柔性磁吸防渗膜垂向帷幕截水技术研究王海1,2,黄选明1,张雁1,曹海东1,孙浩3,苗贺朝1,田增林1(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西西安710077;2.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州221116;3.国家能源集团内蒙古平庄煤业(集团)有限责任公司,内蒙古赤峰024076)摘要:我国矿产资源丰富,矿业种类多,矿山数量多,矿业开发导致矿区周边地下水位下降、水资源浪费、水质污染、地表塌陷、土地退化、植被覆盖度减少、地下水资源和生态环境受到不同程度影响。为解决矿山强渗松散层水侧向补给矿坑引起的水资源浪费和生态环境破坏问题,保护矿山地下水资源和生态环境,提出了柔性
2、磁吸防渗膜垂向帷幕截水技术,研究了防渗膜材料性能,研发了磁吸防渗膜连接工艺,开展了不同防渗膜连接工艺室内试验,并在试验矿区进行了 1369m 的强渗松散层截水帷幕现场试验应用。研究结果表明:防渗膜渗透系数低、结构致密、柔软、抗变形、经久耐用,是截流、控污、防渗的良好材料,可满足矿山强渗松散层垂向帷幕要求。研发的磁吸接头材料及连接工艺解决了现有叠覆搭接、连接锁、接头箱等连接工艺的铺设深度浅、接头渗漏、操作复杂等问题,磁吸接头连接的防渗膜帷幕施工深度不受连接条件的限制,磁吸接头连接工艺截水效果优于叠覆搭接和连接锁(接头箱)连接工艺。进行了自带磁和后充磁 2 种柔性磁吸防渗膜制作、铺设、连接和帷幕回
3、填成墙试验,防渗膜接头处缝隙由 520cm 减小为 0,相邻两幅防渗膜紧密的连接为有机整体,减少了接头处截水帷幕的过水通道。通过开展矿山强渗松散层柔性磁吸防渗膜垂向帷幕截水试验,试验区帷幕位置下方长期积满强渗松散层渗漏水的集水坑已干涸,帷幕外侧强渗松散层水位升高5.559.12m,帷幕内侧强渗松散层水位降低3.215.84m,强渗松散层水资源保护取得良好效果。关键词:保水开采;强渗;松散层;柔性;磁吸防渗膜;垂向帷幕中图分类号:P641;TD74文献标志码:A文章编号:02532336(2023)09018009Flexible magnetic suction impermeable mem
4、brane of vertical curtain waterinterception technology for strong seepage loose layer of coal minesWANGHai1,2,HUANGXuanming1,ZHANGYan1,CAOHaidong1,SUNHao3,MIAOHechao1,TIANZenglin1(1.Xian Research Institute,China Coal Technology&Engineering Group Corp.,Xian 710077,China;2.College of Resources and Ear
5、th Sciences,ChinaUniversity of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China;3.Inner Mongolia Pingzhuang Coal Industry(Group)Co.,Ltd.,Chifeng 024076,China)Abstract:Withabundantmineralresources,manytypesofminingindustryandmanymines,miningdevelopmentinChinahasledtothedeclineofgroundwaterlevelaroundthemine
6、s,wasteofwaterresources,waterqualitypollution,surfacecollapse,landdegradation,reduc-tionofvegetationcover,anddifferentdegreesofimpactongroundwaterresourcesandecologicalenvironment.Inordertosolvetheprob-lemsofwaterwasteandecologicaldamagecausedbythelateralrechargeofwaterfromthestrongseepagelooselayer
7、totheminepit,weproposedaverticalcurtainwaterinterceptiontechnologywithflexiblemagneticsuctionmembranetoprotectthegroundwaterresourcesandecologicalenvironmentofcoalmines.Wefirstlystudiedtheperformanceofthesuctionmembranematerial,developedthemagneticabsorptionsuctionmembraneconnectionprocess,andcarrie
8、doutindoortestsofdifferentsuctionmembraneconnectionprocesses,thenwe收稿日期:20220809责任编辑:周子博DOI:10.12438/cst.2022-0165基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804100,2019YFC1805400);中煤科工西安研究院(集团)有限公司科技创新资助项目(2020XAYJS03)作者简介:王海(1987),男,江苏睢宁人,副研究员,博士研究生。Tel:02985266849,E-mail:通讯作者:黄选明(1962),男,陕西临潼人,研究员。E-mail:第51卷第9期煤炭
9、科学技术Vol.51No.92023年9月CoalScienceandTechnologySept.2023王海,黄选明,张雁,等.矿山强渗松散层柔性磁吸防渗膜垂向帷幕截水技术研究J.煤炭科学技术,2023,51(9):180188.WANGHai,HUANGXuanming,ZHANGYan,et al.FlexiblemagneticsuctionimpermeablemembraneofverticalcurtainwaterinterceptiontechnologyforstrongseepagelooselayerofcoalminesJ.CoalScienceandTechnol
10、ogy,2023,51(9):180188.180conducteda1369mstrongseepagelooselayerwaterinterceptioncurtainfieldtestapplicationinthetestmine.Theresearchresultsshowthattheimpermeablemembranehaslowpermeabilitycoefficient,densestructure,highflexibility,resistancetodeformationanddurability,andisagoodmaterialforwatercut,pol
11、lutioncontrolandseepagecontrol,whichcanmeettherequirementsofverticalcurtainforthestrongseepagelooselayerofthemine.Theself-developedmagneticsuctionjointmaterialandconnectionprocesssolvedtheproblemsofshallowlayingdepth,jointleakageandcomplicatedoperationofexistingconnectionprocessessuchasoverlappingla
12、p,jointlockandjointbox,etc.Theconstructiondepthofsuctionmembranecurtainconnectedbymagneticsuctionjointisnotlimitedbytheconnectioncondi-tions,andthewaterinterceptioneffectofmagneticsuctionjointconnectionprocessisbetterthanthatofoverlappinglapandjointlock(jointbox)connectionprocess.Throughthetestofmak
13、ing,laying,connectingandbackfillingthecurtainintoawallwith2kindsofflex-iblemagneticabsorbentimpermeablemembranes,thegapatthejointoftheimpermeablemembranewasreducedfrom5-20cmto0,andthetwoadjacentimpermeablemembraneswerecloselyconnectedasanorganicwhole,whichreducedthewaterpassageoftheintercep-tioncurt
14、ainatthejoint.Throughthemine-fieldsitetest,itwasfoundthatthewatercatchmentpitsbelowthecurtainwhichhadbeenfilledwithstrongseepagelooselayerwaterleakageforalongtime,haddriedup,andthewaterlevelofstrongseepagelooselayeroutsidethecurtainhadincreasedby5.55-9.12m,andthewaterlevelinsidethecurtainhaddecrease
15、dby3.21-5.84m,sotheprotectionofstrongseep-agelooselayerwaterresourceshadachievedgoodresults.Key words:water-preservedmining;strongseepage;looselayer;flexibility;magneticsuctionimpermeablemembrane;verticalcurtain0引言矿产资源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础,矿业支撑了我国 70%以上的国民经济运转1,2020 年我国能源消费总量 49.8 亿 t 标煤,一次能源消费量预计在 20
16、30 年前后达峰,峰值 52.9 亿61.4 亿 t 标煤2。我国矿产资源丰富,但开发利用难度较大,整体开发利用效率较低1。截至 2019 年,我国煤矿数量 5268 处,非煤矿山大体 3 万多座3-4。矿业开发导致矿区周边地下水位下降、水资源浪费、水质污染、地表塌陷、土地退化、植被覆盖度减少、地下水资源和生态环境受到不同程度影响5-8。王双明等9指出矿产资源是地球演化过程形成的层状沉积矿产,是近地表地壳的组成部分,开采会对地质条件和生态环境造成损害。顾大钊等10调研了全国 11 个省、自治区的 396 座生产矿井,统计分析得出我国平均煤矿富水系数约为 1.87,矿井水平均利用率约为 35%,
17、每年外排矿井水 40 多亿 m310。我国部分矿山位于强富水强补给的砂卵石层区域,松散层渗透系数大,受地表河流侧向补给,常采用抽水井抽水方式控制或疏降矿坑水位,疏降水量巨大。以内蒙古平庄煤业集团元宝山露天矿为例,露天矿位于英金河与老哈河交汇处,受深厚砂卵石层强渗透性影响,地表英金河与老哈河河水源源不断渗入矿坑,造成矿坑水量巨大11。针对矿山开采造成的地下水和生态环境影响,王双明9,12、顾大钊10、董书宁6等分别提出了减损开采、煤矿地下水库(疏导法)和充填开采(堵截法)、基于截水帷幕的矿山主动保水技术。现有水资源保护技术改变了传统的矿山以疏排为主的地下水控制方式,减少了环境破坏,保护了地下水资
18、源,保障了矿区生态地下水位,实现减损、保水、绿色开采。近年来,强渗松散层截水帷幕相继在朱仙庄煤矿13、张家峁煤矿14、西湾露天煤矿15、扎尼河露天煤矿16-18应用,并取得了良好的截水效果。截水帷幕技术由地面直钻孔注浆帷幕向地面定向水平孔注浆、沟槽式地下连续墙帷幕发展19,沟槽式地下连续墙帷幕是矿山浅表强渗松散层有效的截水方式。现有矿山强渗松散层截水帷幕存在抗变形能力弱、接头连接差、阻水率低的问题6,19。针对矿山强渗松散层截水需求和存在的问题,根据磁吸密贴原理,研发了柔性磁吸防渗膜材料及工艺,通过磁吸防渗膜材料将相邻的防渗膜帷幕连接为连续的整体,解决现有截水帷幕抗变形能力弱、接头连接效果差、
19、阻水率低的问题。并开展了垂向柔性磁吸防渗膜帷幕室内试验、元宝山露天煤矿现场应用试验及效果分析,丰富了截水帷幕技术体系,为类似工况的矿山提供参考。1试验区工程与水文地质条件试验区位于内蒙古自治区赤峰市,年降雨量为340400mm,年蒸发量为 19502000mm,最大冻结深度 2.01m。试验区露天煤矿位于英金河河谷平原上,英金河在露天区的中部通过。整个露天矿区内含煤地层全部被英金河冲积、洪积形成富水性强的第四系含水层覆盖。1.1地形地貌试验矿区为低山丘陵地貌,东、西元宝山构成玄武岩台地。试验矿区位于东、西元宝山构成的 2 个玄武岩台地之间的英金河冲积平原上,其两侧有元宝山矿、风水沟矿,两矿区地
20、形为第三系玄武岩台地,王海等:矿山强渗松散层柔性磁吸防渗膜垂向帷幕截水技术研究2023年第9期181标高为+670+700m。台地周围为黄土掩盖的丘陵区,标 高 为+480+600 m,试 验 矿 区 地 表 标高+472+490m。比东、西元宝山低约 200m。区外最高点为西元宝山,海拔标高为+673.2m。1.2工程地质条件试验矿区第四系地层上部为 25m 亚黏土或亚砂土,土层细而致密,具直立节理。下部为 1060m厚的圆砾、卵石及砂砾石层,磨圆度较好,多呈扁圆状,粒径一般为 230mm,最大可达 200mm,砾石成分为安山岩、花岗岩、片麻岩、玄武岩等。砂砾层为富水性强的含水层。全新统地层
21、主要分布于老哈河、英金河等河谷地带。由现代河流冲积物组成,以砂砾为主,风成砂、亚砂土、亚黏土次之。地层厚 1485m,一般厚 55m,西南薄、东北厚。试验矿区松散层和岩层物理力学性质见表 1。表 1 地层物理力学性质统计Table 1 Statistical of physical and mechanical properties of strata地层年代岩土类别含水率/%黏聚力/kPa内摩擦角/()弹性模量/MPa泊松比重度/(kNm3)第四系砂土037.610.20.3222.2砂砾8.92731.934.818.824.40.2518.4新近系细砂岩120.025.05500.302
22、0.0侏罗系煤20.160.031.06000.2913.1砂岩13.0173.027.08800.2521.1泥岩11.5109.024.75000.3521.1弱层16.52.210.9200.4518.01.3水文地质条件露天矿区附近有英金河和老哈河两条河流。英金河发源于河北省围场北部山区热水附近,在露天矿区中部通过,把露天矿区分成东北、西南 2 部分。英金河河床主要沉积物为卵石、圆砾和少量砂子,透水性较强,河水对其下的第四系潜水层的补给条件好;英金河河床宽度变化较大,为 200900m,下游比降 1/7001/800,从上游夹带下的大量泥、砂、砾石淤积在河床上部,形成了厚 0.051.
23、0m 的淤土或泥、砂、砾的混合层,降低了河水的垂直渗透能力,河水位与浅水相差 38m,形成悬浮段。老哈河发源于河北省平泉县七老图山脉的光头山,河床宽 5001000m,河流比降 1/8001/900,河床及河漫滩主要由砂、砂土及砾石组成。由于英金河河水中的细颗粒在上游已大部沉积,河床的下渗能力也逐渐加大,英金河与老哈河汇口地带,河水位与其下的第四系潜水层水位渐趋一致,连成一体,英金河河水与第四系潜水共同泻入老哈河。试验矿区的主要含水层为第四系冲积、洪积孔隙潜水层,主要受英金河上游河水和大气降水的渗入补给,其次是处于河谷两侧地势较高的基岩裂隙水和黄土丘陵区的孔隙水,通过冲沟或坡积地层汇集渗入补给
24、含水层。富水性弱的侏罗纪含煤系承压含水层主要在英金河河谷两侧地势较高的冲沟中,侏罗纪含水层出露部分直接接受大气降水的渗入和上覆黄土孔隙水及玄武岩裂隙水的补给。侏罗纪含煤系承压含水层,一方面在一些露头处有水泻出,经地表渗入补给第四系潜水;另一方面,在第四系潜水层底部与该承压含水层接触处,在承压的条件下,通过裂隙泻入其上覆的第四系潜水层。露天矿区连续疏排地下水形成了以矿区为中心的水位降落漏斗,下游的老哈河对矿区已经形成了河水倒灌的径流方向。排泄方式由原有的下降泉变为以矿坑疏排为主。2柔性防渗膜垂向帷幕材料与工艺常规截水帷幕技术主要有钻孔注浆帷幕、地下连续墙、旋喷桩排、黏土芯墙等,为克服采矿活动对帷
25、幕墙体的扰动影响,提出了通过双轮铣、液压成槽机、锯槽机等成槽设备在地层中施工矩形槽段,通过地面铺膜机具在槽段内垂向隐蔽铺设防渗膜,在防渗膜与槽段间空隙回填原状土、充填水泥粉煤灰浆液、砂浆、自凝灰浆或混凝土等,可满足矿山强渗松散层截水帷幕严苛的抗渗和抗变形要求,极大地提高防渗效果。2.1柔性防渗膜帷幕材料HDPE(高密度聚乙烯)防渗膜主要由 97.5%的2023年第9期煤炭科学技术第51卷182高密度聚乙烯、约 2.5%的碳黑、抗老化剂、抗氧剂、紫外线吸收剂、稳定剂等辅料组成,渗透系数达1013cm/s。防渗性能好、经久耐用,是截流、控污、防渗的良好材料,防渗膜主要性能参数见表 2。表 2 防渗
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- 矿山 松散 柔性 防渗 帷幕 技术研究
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