基于高掺量粉煤灰防渗墙的露天矿水资源保护技术.pdf

第4 5 卷第3 期 2 0 2 0 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO F C H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．3 M a r ．2 0 2 0 爨 移动阅读 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，2 0 2 0 ，4 5 3 1 1 6 0 1 1 6 9 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C 8 ．2 0 1 9 ．0 9 3 3 W A N GH a i ，H U A N GX u a n m i n g ，Z H UM i n g c h e n g ，e ta 1 ．W a t e r - p r e s e r v e dc o a lm i n i n gt e c h n o l o g yi no p e np i tb a s e do n c u t o f fw a l lw i t hh i s hf l ya s hc o n t e n t [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 3 1 1 6 0 1 1 6 9 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ． c n k i ．j C C S ．2 0 1 9 ．0 9 3 3 基于高掺量粉煤灰防渗墙的露天矿水资源保护技术 王海1 ，黄选明2 ，朱明诚2 ，曹海东2 ，张雁2 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，陕西西安7 1 0 0 5 4 ；2 ．中煤科工集团西安研究院有限公司水文 地质研究所，陕西西安7 1 0 0 5 4 摘要蒙东某露天矿矿坑涌水量高达1 0 00 0 0m 3 ／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8 0 ％ 的充填材料前期强度增长缓慢，后期强度增大较快，6 0 ，9 0d 抗压强度分别为2 8d 的1 ．9 0 倍、3 ．2 5 倍；C a C l ，和N a C I 可加快粉煤灰活性发挥、促进水化反应、减小颗粒问孔隙，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3 0S 叫时出现拐点，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2 40 0 0m 3 ／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，水位埋深达到一6 ～- 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。 关键词高掺量粉煤灰；防渗墙；露天矿；水资源保护；保水采煤 中图分类号T D 7 1 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 0 3 - 1 1 6 0 - 1 0 W a t e r - p r e s e r v e dc o a lm i n i n gt e c h n o l o g yi no p e np i tb a s e do nc u t o f f w a l lw i t hl l i g hf l ya s hc o n t e n t W A N GH a i1 ，H U A N GX u a n m i n 9 2 ，Z H UM i n g c h e n 9 2 ，C A OH a i d o n 9 2 ，Z H A N GY a n 2 I ．R DC e n t e ro f M i n eD i s a s 把rC o n t r o la n dE n v i r o n m e n tM a n a g e m e n tT e c h n o l o g y ，X i ’a nR e s e a r c hI n s t i t u t eo f C h i n aC o a lT e c h n o l o g y ＆E n g i n e e r i n gG r o u p C o r p ，X ／’a r t7 1 0 0 5 4 ，C h i n a ；2 ．H y d r o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t e ，X i ’a r tR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h i n aC o a lT e c h n o l o g y ＆E n g i n e e r i n gG r o u pC o r p ，X i ’a n 7 1 0 0 5 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h ew a t e ri n f l o wo fa no p e np i tm i n ei ne a s t e r nI n n e rM o n g o l i ai sa sh i g ha s1 0 00 0 0m 3 ／d ．T h em a i ns u p - p l ys o u r c ei sH a i l a rR i v e r ，w h i c hp e n e t r a t e si n t ot h ec o a ls e a ma l o n gt h eh i d d e nl a y e ro fc o a ls e a mt h r o u g ht h ed e e p e x p o s e ds a n d s t o n ea n dt h e nf l o w si n t ot h ep i t ．T h ed r a i n a g es h a f ti su s e dt od i s c h a r g et h ew a t e r ，h o w e v e r ，t h em e t h o d 收稿日期2 0 1 9 0 7 一l I修回日期2 0 1 9 1 2 3 1责任编辑韩晋平 基金项目天地科技股份有限公司创新创业资金专项资助项目 2 0 1 9 - T D - M S 0 1 4 ；国家重点研发计划基金资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 8 0 4 1 0 3 ；中 煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金资助项目 2 0 1 9 X A Y M S I1 作者简介王海 1 9 8 7 一 ，男，江苏睢宁人，副研究员，硕士。T e l 0 2 9 8 5 5 7 6 5 0 4 ，E - m a i l w a n g h a i 3 7 7 7 1 6 3 ．c o m 万方数据 第3 期王海等基于高掺量粉煤灰防渗墙的露天矿水资源保护技术 1 1 6 1 w a s t e sal o to fw a t e rr e s o u r c e s ，d a m a g e se c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n di n c r e a s e sp r o d u c t i o nc o s t ．Ac u r t a i nw a l lc a nb e b u i l tn o to n l yt oc u to f ft h ew a t e rc o n d u i tr o u t ea n dr e d u c et h em i n ew a t e ri n f l o w ，b u ta l s op r e s e r v ew a t e rr e s o u r c e sa n d m i n i n ge n v i r o n m e n t ．T h e r e f o r e ，t h es t r e n g t h ，i m p e r m e a b i l i t y ，v i s c o s i t ya n dt h ee f f e c to fh i g h - c o n t e n tf l ya s hc u r t a i nw a l l b u i l d i n gm a t e r i a la r es t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e na p p l i e di nt h ef i e l df o rw a t e rc u t ．T h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n di m p e r m e a b i l i t yo ft h ef i l l i n gm a t e r i a la r ep o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t h t h e c e m e n tc o n t e n tw h e nt h ew a t e r s o l i dr a t i oi s0 ．7 1 ．0 ．T h es t r e n g t ho ft h ef i l l i n gm a t e r i a lw i t h8 0 ％f l ya s hc o n t e n t g r o w ss l o w l yi nt h ee a r l ys t a g e ，b u ti n c r e a s e sr a p i d l yi nt h el a t e rs t a g e ．T h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha t6 0da n d9 0d i s 1 ．9 0t i m e sa n d3 ．2 5t i m e so ft h a ta t2 8dr e s p e c t i v e l y ．C a C l 2a n dN a C lc o u l da c c e l e r a t et h ea c t i v i t yo ff l ya s h ，p r o m o t e h y d r a t i o nr e a c t i o n ，r e d u c ei n t e r p a r t i c l ep o r o s i t y ，a n ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ee a r l ys t r e n g t ha n di m p e r m e a b i l i t y ．A s t h es h e a rr a t ei n c r e a s e s ，t h ev i s c o s i t yo ft h ep a s t eb a c k f i l l i n gm a t e r i a lh a sa no b v i o u sp h e n o m e n o no fs h e a rt h i n n i n g ． W h e nt h es h e a rr a t ei s3 0S ～，a ni n f l e c t i o np o i n ta p p e a r ss h o w i n gs h e a rt h i c k e n i n gp h e n o m e n o n ，d u r i n gw h i c ht h e b e n t o n i t ec o u l di n c r e a s et h ev i s c o s i t ya n di m p r o v et h ei m p e r m e a b i l i t yb ye l i m i n a t i n gt h ep h e n o m e n o no fs h e a rt h i c k e n - i n g ．T h ew a t e rc u t o f ft e s to nt h eh i g hc o n t e n tf l ya s hp a s t eb a c k f i l l i n gm a t e r i a li sc o n d u c t e di nt h ef i e l do fn o r t hs i d e r e c h a r g ea r e ao ft h em i n e ．I ti sf o u n dt h a tw a t e ri n f l o wi sr e d u c e db y2 40 0 0m 3 ／d ．T h ew a t e rl e v e ld i f f e r e n c eb e t w e e n i n s i d ea n do u t s i d et h ec u r t a i nw a l lg r a d u a l l yi n c r e a s e s ，a n dt h el e v e lo u t s i d et h ew a l lg r a d u a l l yr e c o v e r st on o r m a lw i t h aw a t e rl e v e lb u r i e dd e p t ho f 一6 一一7m ，w h i c hm e a n si th a sr e c o v e r e dt oe c o l o g i c a ll e v e lr e q u i r e db yv e g e t a t i o n ．I n c o n c l u s i o n ，t h en o t a b l ee f f e c t sh a v eb e e na c h i e v e di nc u t t i n go f fw a t e ra n dp r e s e r v i n gw a t e rr e s o u r c e sa n de n v i r o n - m e n t ，o f f e r i n gs o m ei d e a sa n dr e f e r e n c e sf o rg r e e na n dw a t e rc o n s e r v a t i o nc o a lm i n i n gi no p e np i tm i n e s ． K e yw o r d s h i g hf l ya s hc o n t e n t ；c u r t a i nw a l l ；o p e np i tm i n e ；w a t e rr e s o u r c e sc o n s e r v a t i o n ；w a t e rc o n s e r v a t i o nc o a l m i n i n g 1 9 9 2 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u t J 。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【3 。5 】。受保护的底板含水层为 奥陶系岩溶水，主要采用黏土浆液、黏土一水泥浆、纯 水泥浆或双液浆对煤层底板注浆加固的保水采煤方 法№一7 1 。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3 2 处地下 水库，实现矿井水利用D ’8 ] 。刘鹏亮[ 9 ] 、崔锋等[ 1 伽利 用陕北风积砂制备似膏体充填材料，实现脆弱生态环 境下保水采煤。潘卫东【l u 采用充填矸石替换三下压 煤的充填保水采煤技术，实现了濉萧矿区绿色保水开 采。 孙亚军等【1 2 1 提出了神东矿区的保水采煤基本原 则，以及矿区重要水源地、厚基岩含水层、烧变岩含水 层、水资源转移存贮、矿井水资源化利用等保水采煤 的关键技术。李文平等3 。1 4 1 采用陕北N 红土采动 破裂钻孔原位压水试验、蠕变渗透性测试、水一土相 互作用试验等，发现N 红土隔水性能受采动破坏后 具有很好的自我恢复功能，提出隔水层再造及其应具 备的主要工程地质属性。李涛等副针对陕北神南矿 区提出了基于采动分水岭的保水煤柱留设方法。张 东升等刮提出了覆岩裂隙表述和重构方法，构建了 上位隔水层一中位阻隔层一下位基本定结构协同变化 模型和渐序变化模型。侯恩科等【1 7 1 拓展了“保水采 煤”的科学含义，认为“保水采煤”的基本措施应当包 括保护浅部主要含水层和矿井水资源利用两部分。 保水采煤实现结果为优化煤炭资源开采和水资源供 需平衡之间的矛盾，达到资源开发与水环境保护协调 统一[ 1 8 - 2 0 1 。 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【2 1 。。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 万方数据 1 1 6 2 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 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。 1工程概况 研究区露天矿位于内蒙古东部，矿田东西长 3 ．9 2k m ，南北宽3 ．8 0k m ，面积1 4 ．9 0k m 2 ，矿产资源 储量为2 4 3 ．5 2M t ，可采储量为2 3 0 ．5 7M t ，平均剥采 比3 ．1 6m 3 ／t ，生产能力6 ．0M t ／a ，露天矿设计服务年 限为3 3 ．4 2a 。露天矿地势总体呈东南高西北低，东 南部为低山丘陵，西北部为低洼沼泽地，区内海拔标 高6 2 8 ～7 2 8m ，地貌单元属冲积平原类型。 1 ．1 地层结构 露天矿含煤段主要由低变质长焰煤、泥岩、炭质 泥岩及多种砂质岩组成。露天矿可采煤层为9 煤、1 0 煤，其中，9 煤层属特厚煤层，煤层平均埋深为 1 3 8 ．9 3m ，1 0 煤层为中厚煤层，属局部可采，煤层平 均埋深1 4 7 ．6 6m 。 如图1 所示，研究区含水层主要为第四系孔隙潜 水含水层和煤岩层裂隙含水岩组。第四系孔隙潜水 含水层岩性以砾石为主，厚度为0 3 7 ．6 0m ，平均厚 度1 0 ．9 0m ，在井田区自北向南厚度逐渐减小，在井 田西南部该地层缺失。煤岩层裂隙承压水主要是9 煤组和1 0 煤组中的裂隙水，煤层为主要储水介质，该 含水层普遍发育。含煤地层纵横交错的裂隙发育。 根据钻孔资料，大部分钻孔在钻进9 煤组含水层的 过程中泥浆漏失严重，属强富水性地层，局部抽水孔 属弱富水性地层，单位涌水量0 ．1 8 4 7 7 ．7 8 2L ／ s m ；渗透系数为0 ．4 3 4 1 9 5 ．8 0 0m ／d ，渗透性好。l o 煤组含水层厚度较薄， 富水性比9 煤组差。 隔水层为第四系黏土层、第四系底板至9 煤组顶 板之间的泥岩、粉砂质泥岩、碳质泥岩、 含砾 黏土 等、9 煤组底板至1 0 煤组顶板之间的泥岩类岩层以 及1 0 煤组底板粉砂质泥岩。黏土层可以有效阻隔大 气降水直接渗入砾石含水层；黏土、泥岩等隔水岩层 沉积不均一，局部缺失区构成含水层水向煤层直接渗 透的天窗区。9 煤组底板至1 0 煤组顶板之间的泥岩 类隔水层，厚度较薄，隔水性能较差；1 0 煤组底板粉 砂质泥岩隔水层的厚度大、隔水性能好。 1 ．2 矿坑涌水量及补给水源 研究区露天矿2 0 1 2 - - 2 0 1 5 年的疏排水量均大于 1 0 00 0 0m 3 ／d ，疏排水量各组成部分中，河流动态补给 量平均约占疏排水总量的7 9 ％，静储量约占1 7 ％，大 气降水补给量约占3 ％，侧向流人补给量约占1 ％P 。 层厚 地层符号柱状岩性描述 ／i n ＼ 7 ．O腐殖土及细砂 g 薯 砂砾石层，粒径 霹 Q h 2 6 ．0 絮季 l 一5c m ，富水性 强，渗透系数 妇活 1 8 0 m ／d 3 ．4 棕褐色、黑色黏土 粉砂质泥岩、炭质 1 6 ．O 泥岩，夹细砂岩透 臼 一卜“ 镜体 垩9 煤组，裂隙发育， 2 2 ．O 强富水性地层， 系 渗透系数0 ．4 3 4 K L v m 1 9 5 ．8m ／d 伊 粉砂质泥岩、细 砂岩、炭质泥岩 4 ．6 - - - ／ 7 7 敏 _ 3 ．0 1 0 煤组 组 粉砂质泥岩、细 砂岩、炭质泥岩 一卜| I 万方数据 第3 期 王 海等基于高掺量粉煤灰防渗墙的露天矿水资源保护技术 11 6 3 0 ．0 2 ％；以及饮用水。见表3 ，配制水固比0 ．7 1 ．0 、 水泥粉煤灰质量比为2 8 ，3 7 ，4 6 的高掺量粉 煤灰防渗墙材料，并掺加适量的膨润土、N a C l 或 C a C l 2 。 表1P 0 4 2 ．5 普通硅酸盐水泥性能指标 T a b l e1P e r f o r m a n c ei n d e xo fP 0 4 2 ．5c e m e n t 表2粉煤灰主要化学成分含量 T a b l e2M a i nc h e m i c a lc o m p o n e n t so ff l ya s h ％ 按照表3 材料配比制备7 0 ．7n l m 7 0 ．7i Y l m 7 0 ．7m m 的抗压试样和上口直径7 0i l l m 、下口直径 8 0m m 、高3 0m m 的截头圆锥形抗渗试样，2d 脱模， 将试样放置在S B Y - 3 2 B 型水泥试件水养护箱中养 护。按照建筑砂浆基本性能试验方法标准J G J ／ T 7 0 - - 2 0 0 9 要求进行无侧限抗压强度和抗渗压力值 试验。 2 ．1 防渗墙材料力学性能 按照表3 防渗墙材料配比制备7 0 ．7n 伽 7 0 ．7H l l n X 7 0 ．7l ／l m 的试样养护至3 ，7 ，1 4 ，2 8 ，6 0 ， 9 0d 时，分别测试试样的抗压强度。如图2 所示，水 固比0 ．7 1 ．0 时，水泥粉煤灰质量比为2 8 C 2 F 8 W 7 ，3 7 C 3 F 7 w 7 ，4 6 C 4 F 6 W 7 以及掺 加2 ％N a C l C 2 F 8 W 7 2 ％N a C I 、掺加2 ％C a C l ， C 2 F 8 W 7 2 ％C a C l ， 的防渗墙材料抗压强度均随着 养护时间的延长而逐渐增长。水固比0 ．7 1 ．0 时， 水泥粉煤灰质量比为2 8 ，3 7 ，4 6 的材料6 0d 抗压强度分别为2 8d 抗压强度的1 ．9 0 倍、1 ．4 2 倍、 1 ．3 2 倍，9 0d 抗压强度分别为2 8d 抗压强度的3 ．2 5 倍、2 ．5 l 倍、2 ．0 5 倍。防渗墙材料抗压强度与水泥掺 量呈正相关关系，而与粉煤灰产量呈负相关关系，粉 煤灰水化反应较慢，在防渗墙材料后期的强度增长过 程中贡献较大。 图2 高掺量粉煤灰防渗墙材料抗压强度 F i g ．2C o m p r e s s i v es l r e n g t h ff i l 】i n gm a t e r i a l 水固比0 ．7 1 ．0 时，掺加2 ％N a C l 的水泥粉煤 灰质量比为2 8 的防渗墙材料的3 ，7 ，1 4 ，2 8 ，6 0 ， 9 0d 抗压强度分别为无掺加材料的4 ．8 9 倍、4 ．9 2 倍、3 ．3 5 倍、2 ．7 5 倍、1 ．5 7 倍和1 ．1 6 倍，而掺加2 ％ C a C l 的水泥粉煤灰质量比为2 8 的防渗墙材料的 3 ，7 ，1 4 ，2 8 ，6 0 ，9 0d 抗压强度分别为6 ．4 4 倍、3 ．4 6 倍、2 ．8 6 倍、2 ．6 7 倍、1 ．6 5 倍和1 ．3 8 倍。N a C l ，C a C l ， 激发剂对粉煤灰活性激发效果明显，高掺量粉煤灰防 渗墙材料的早期强度显著提高，C a C l ，的激发效果略 好于N a C l 的激发效果。 如图3 所示，掺加膨润土后，防渗墙材料的抗压 强度显著降低，并随着膨润土掺量的增加而降低。水 固比0 ．7 1 ．0 时，掺加2 ％N a C l 和2 ％膨润土的水 泥粉煤灰质量比为2 8 的防渗墙材料7 ，1 4 ，2 8 ， 6 0 ，9 0d 抗压强度分别为无掺加材料的5 ．6 3 倍、4 ．2 6 倍、3 ．1 7 倍、2 ．2 7 倍和1 ．4 5 倍，掺加2 ％N a C l 和4 ％ 膨润土的水泥粉煤灰质量比为2 8 的防渗墙材料 7 ，1 4 ，2 8 ，6 0 ，9 0d 抗压强度分别为无掺加材料的 4 ．3 6 倍、3 ．4 5 倍、3 ．6 5 倍、2 ．3 3 倍和1 ．4 2 倍，掺加 2 ％N a C l 和8 ％膨润土的水泥粉煤灰质量比为2 8 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 的防渗墙材料7 ，1 4 ，2 8 ，6 0 ，9 0d 抗压强度分别为无 掺加材料的3 ．2 9 倍、3 ．6 7 倍、2 ．5 7 倍、2 ．2 2 倍和 1 ．4 1 倍。由此可见，当水固比、水泥粉煤灰比例和激 发剂一定时，防渗墙材料的抗压强度随着膨润土掺量 的增加先增加后缓慢降低。 图3 膨润土对防渗墙材料强度影响 F i g ．3 I n f l u e n c eo fb e n t o n i t eO i lt h es t r e n g t ho ff l ya s hm a t e r i a l 在膨润土和激发剂N a C l 的共同作用下，高掺量 粉煤灰防渗墙材料的抗压强度大于激发剂N a C l ， C a C l ，作用下的抗压强度值。在激发剂存在的情况 下，膨润土对高掺量粉煤灰防渗墙材料抗压强度的增 长具有正向促进作用，掺加量为胶凝材料的4 ％时效 果较佳。而当无激发剂存在时，膨润土对高掺量粉煤 灰防渗墙材料抗压强度的增长具有负向促进作用。 2 ．2 防渗墙材料抗渗性能 高掺量粉煤灰防渗墙材料的抗渗性能测试按照 建筑砂浆基本性能试验方法标准J G J ／T7 0 2 0 0 9 要求进行。当试样养护至2 8 ，6 0 ，9 0d 时，分别测试 其抗渗压力值。 如图4 所示，受粉煤灰水化反应慢的影响，2 8d 时高掺量粉煤灰防渗墙材料的抗渗压力值均小于 0 ．2M P a ，后期随着水化反应时间的延长而增大。抗 渗压力值与水泥掺量呈正相关关系，随水泥掺量的增 加而提高。掺加2 ％N a C l 与掺加2 ％C a C l 的防渗墙 材料抗渗压力值相当，在激发剂作用下，防渗墙材料 抗渗压力值较无激发剂的抗渗压力值提高0 ．1M P a 。 水固比0 ．7 1 ．0 、水泥粉煤灰质量比为2 8 时，同 时掺加2 ％N a C I 和2 ％膨润土的防渗墙材料的抗渗 压力值较无掺加料情况下提高0 ．1 ～0 ．2M P a 。 2 ．3 防渗墙材料微观结构分析 通过场发射扫描电子显微镜观测高掺量粉煤灰 防渗墙材料的微观形态，仪器为日本电子生产的 J S M - 7 5 0 0 F ，放大倍数2 5 ～3 0 00 0 0 ，加速电压0 ．1 ～ 3 0k V ，分辨率1 ．0n m ／1 5k V ，1 ．4r i m ／1k V 。分别选 取9 0d 龄期的水固比0 ．7 1 ．0 、水泥粉煤灰 为2 8 无激发剂、掺加2 ％N a C l 和掺加2 ％C a C I 的 矗 山 茎 ＼ 测 R 幽 燃 蜒 图4 高掺量粉煤灰防渗墙材料抗渗压力值 F i g ．4I m p e r m e a b i l i t yo fh i g hc o n t e n tf l ya s hm a t e r i a l 3 个试样进行微观结构分析。 图5 给出了25 0 0 倍下的无激发剂、掺加2 ％ N a C l 和掺加2 ％C a C l ，的高掺量粉煤灰防渗墙材料 的S E M 图像。 a 无激发剂 b 掺] J 1 1 2 ％N a C C 掺] J I ] 2 ％C a C l 2 图5 防渗墙材料S E M 微观结构 F i g ．5 S E Mm i c r o s t r u c t u r eo ff i l l i n gm a t e r i a l 如图5 a 所示，高掺量粉煤灰防渗墙材料的微 观结构中主要由未水化的粉煤灰颗粒和水化产物水 万方数据 第3 期王海等基于高掺量粉煤灰防渗墙的露天矿水资源保护技术 化硅酸钙 C S H 、水化铝酸钙 C A H 、氢氧化钙 C H 等组成。水化产物的形态主要有纤维状或簇状 的水化硅酸钙 C S H 、六方片状的水化铝酸钙 C A H 和片状的氢氧化钙 C H 。 如图5 I ， C 所示，掺加2 ％N a C l 和掺加2 ％ C a C l ，的高掺量粉煤灰防渗墙材料的微观结构中主 要由未水化的粉煤灰颗粒和水化产物水化硅酸 钙 C S H 、水化铝酸钙 C A H 、水化氯铝酸钙 C ，A C a C l ，1 2H ，0 、氢氧化钙 C H 等组成。水化产物 的形态主要有纤维状或簇状的水化硅酸钙 C S H 、六 方片状的水化铝酸钙 C A H 、六方板状的水化氯铝 酸钙 c 、A C a C l 1 2H O 和片状的氢氧化钙 C H 。 由图5 比较可见，掺加N a C l ，C a C l ，的防渗墙材 料孑L 隙较小、致密，部分粉煤灰颗粒整体出现缺失状 态、表面被水化产物覆盖，孔隙间填充着六方板状水 化氯铝酸钙 c ，A C a C I 1 2 H O 和六方片状水化 铝酸钙 C A H ，已经明显呈现出发挥活性的状态，掺 加C a C l ，的防渗墙材料的致密性、粉煤灰水化反应程 度均大于掺加N a C l 的防渗墙材料，进一步印证了图 2 所示的掺加2 ％C a C l 的防渗墙材料抗压强度大于 掺加2 ％N C I 的防渗墙材料。无激发剂作用下的高掺 量粉煤灰防渗墙材料孑L 隙相对较大，孑L 隙间充填纤维 状或簇状水化硅酸钙 C S H 。 2 ．4 激发剂对粉煤灰基防渗墙材料性能影响 粉煤灰活性来自于玻璃体的解聚能力及多孑L 玻 璃体和玻璃珠中的可溶性氧化铝、氧化硅等活性成 分，其含量越多，粉煤灰的化学活性就越大。C a O 在 有水存在的条件下可以与活性A 1 0 ，，S i O 反应，生 成水化产物水化铝酸钙 C A H 和水化硅酸钙 C S H m 2 7 I C a O H 2 0 ，C a O H 2 1 m C a O H 2 S i 0 2 H 2 0 m C a O S i 0 2 。n H 2 0 2 i n C a O H 2 A 1 2 0 3 H 2 0 m C a O A 1 2 0 3 n H 2 0 3 掺加C a C l 后，通过形成水化氯铝酸盐、提高体 系c a 2 浓度和降低水化产物的专电位实现激发粉煤 灰的作用心4 。。氯盐中的c a 2 和C l 一扩散能力较强，穿 过粉煤灰颗粒表面的水化层、与内部的活性A 1 O ，反 应生成水化氯铝酸钙拉7 I 。 C a 2 A 1 2 0 3 C l 一 O H 一_ 3 C a O A 1 2 0 3 C a C l 2 1 0H 2 0 4 掺加N a C I 后，通过形成水化氯铝酸盐、降低水化 产物的∈电位实现激发粉煤灰的作用心4 I 。氯盐中的 c l 一扩散能力较强，穿过粉煤灰颗粒表面的水化层、与 内部的活性A 1 ，0 ，反应生成水化氯铝酸钙。N a C I 较 C a C l ，缺乏c a 2 的激发作用，因此高掺量粉煤灰防渗 墙材料中N a C l 对粉煤灰的激发效果弱于C a C l 。 钠基膨润土是一种蒙脱石黏土岩，主要化学成分 是S i O ，，A 1 2 0 3 和H 2 0 ，以及F e ，M g ，C a ，N a ，K 等元 素。具有较强的阳离子交换能力，与氯盐激发剂共同 作用下，促进粉煤灰活性的进一步激发。同时膨润土 吸水后体积膨胀可达数倍至3 0 倍，进一步填充了防 渗墙材料中粉煤灰颗粒之间的孑L 隙，提高了防渗墙材 料的强度和抗渗性能。 2 ．5 激发剂对防渗墙材料黏度影响 利用美国R S T - C C 浆式流变仪测试高掺量粉煤 灰防渗墙材料的黏度随剪切速率之间的变化规律，采 用稳态剪切，设计剪切速率由0S 一线性增加 至6 0S ～，再线性减小到0S ～，测试时间1 2 0S ，实时 监测并输出浆液黏度随剪切速率变化关系。 如图6 所示，水固比0 ．7 1 ．0 时，水泥粉煤灰 质量比分别为2 8 ，3 7 ，4 6 的防渗墙材料的黏度 随剪切速率的增加首先呈现急剧降低，即出现剪切变 稀现象，然后材料黏度随着剪切速率的进一步增加降 低到最低后开始缓慢增大，即出现剪切增稠现象‘2 引， 拐点位置在剪切速率3 0S ～。水泥粉煤灰质量比为 3 7 的材料的黏度最大，而水泥粉煤灰质量比 为2 8 的材料黏度略大于水泥粉煤灰质量比 为4 6 的防渗墙材料。 图6 材料黏度变化曲线 F i g ．6V i s c o s i t y u r v e so ff i l l i n gm a t e r i a l 如图7 所示，水固比0 ．7 1 ．0 、水泥粉煤灰质 量比为2 8 时，无外加剂、掺加2 ％N a C | 、掺加2 ％ C a C l ，的材料的黏度同样随剪切速率的增加先呈现 急剧降低，即出现剪切变稀现象，然后材料黏度随着 剪切速率的进一步增加降低，在剪切速率3