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第4 5 卷第1 0 期 2 0 2 0 年1 0 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 .4 5 0 c t . N o .1 0 2 0 2 0 移动阅读 周伟,时旭阳,李明,等.露天矿坑隔水层重构及泥岩一地聚合物损伤渗透特性[ J ] .煤炭学报,2 0 2 0 ,4 5 1 0 3 5 5 6 - 3 5 6 2 . Z H O UW e i ,S H IX u y a n g ,L IM i n g ,e ta 1 .R e c o n s t r u c t e dw a t e r - b l o c k i n gl a y e ri no p e n p i tm i n ea n dt h ed a m a g e - p e r m e a - b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c so f m u d s t o n e g e o p o l y m e r [ J ] .J o u r n a lo f C h i n aC o a lS o c i e t y ,2 0 2 0 ,4 5 1 0 3 5 5 6 3 5 6 2 . 露天矿坑隔水层重构及泥岩一地聚合物损伤渗透特性 周伟1 ,一,时旭阳1 , 2 李明3 ,陆翔1 , 2 ,栾博钰1 ’2 I .中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州2 2 1 1 1 6 ;2 .中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州2 2 1 1 1 6 ;3 .中国矿业 大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要露天矿水资源保护与恢复是煤炭露天开采面临的重大环境问题,是制约露天煤矿大规模发 展的重要因素。露天开采形成漏斗效应,对周边地下水资源破坏严重且难以恢复,根本原因是煤层 以上隔水层被爆破剥离,隔水层缺失;内排物料结构松散,渗透系数大,达不到隔水、阻水的效果。 目前针对恢复与保持露天矿水资源问题,鲜有系统研究及有效措施。因此研究团队提出,以泥岩一 地聚合物材料构建露天矿内排土场重构隔水层,将露天矿山及周边工业固体废弃物纳入隔水层原 材料选材范畴,在实现构建隔水层的同时,消耗大量工业废渣,形成以露天矿山为中心的工业生态 圈。低渗透率是隔水层材料基本特征,其数值应在1 0 叫5m 2 以内。重点考察了材料损伤渗透特性。 以地聚物缩聚反应为理论基础,采用泥岩、矿渣、赤泥作为碱激发粉体材料,采用标准砂作为细骨料 材料,水玻璃为激发剂,制备得到标准 筘0m m x l 0 0m m 泥岩一地聚合物试样。定义了一维应力条 件下,以单轴加载水平为指标的损伤变量,通过渗透试验分析了不同损伤程度条件下材料渗透特 性。结果表明,低损伤 当t r /o “ 。 0 3 时 ,试样的原始空隙与微裂纹迅速扩 展、贯通,应力卸载后贯通裂纹不闭合,导致渗透率的急剧增大,且数量级介于1 0 。1 6 1 0 叫5m 2 。通 过线性与指数2 种形式拟合试验结果,确定了本试验条件下损伤变量指数n 6 ,损伤变量D 。与渗 透率k 呈典型非线性关系。泥岩地聚合物材料,在无损伤至破坏全过程中,其损伤一渗透性能满足 构建重构隔水层对渗透率要求。为实现永久隔水目的,应当关注其长期渗透性能,以及在地下水环 境中是否释放重金属离子等污染性物质,研究团队将针对以上方面内容继续开展研究。 关键词露天煤矿;漏斗效应;重构隔水层;泥岩一地聚合物;损伤一渗透系数 中图分类号T D 8 2 4文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 1 0 - 3 5 5 6 - 0 7 R e c o n s t r u c t e dw a t e r - b l o c k i n gl a y e ri no p e n - p i tm i n ea n dt h ed a m a g e - p e r m e a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c so fm u d s t o n e - g e o p o l y m e r Z H O UW e i ’”,S H IX u y a n g ’”,L IM i n 9 3 ,L UX i a n g ‘”,L U A NB o y u l ’2 I .S c h o o lo f M i n e s ,C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g &T e c h n o l o g y ,X u z h o u 2 2 111 6 ,C h i n a ;2 .S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f C o a lR e s o u r c e sa n dS 咖M i n i n g ,C h i n aU - n i v e r s i t y o f M i n i n g &T e c h n o l o g y ,X u z h o u2 2 1 1 1 6 ,C h i n a ;3 .S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f D e e pG e o t e c h n i c a la n dU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g 。C h i n aU n i v e r s i t y o f M i n i n g &T e c h n o l o g y ,X u z h o u 2 2 1I1 6 ,C h i n a A b s t r a c t T h em a j o re n v i r o n m e n t a lp r o b l e mi no p e np i tc o a lm i n i n gi sw a t e rc o n s e r v a t i o na n dr e s t o r a t i o n ,w h i c hr e s t r i c t st h el a r g e - s c a l ed e v e l o p m e n to fo p e np i tm i n e s .T h es u r r o u n d i n gg r o u n d w a t e rr e s o u r c e sa r es e v e r e l yd a m a g e db y 收稿日期2 0 1 9 0 7 2 0修回日期2 0 1 9 - l l 一2 5责任编辑钱小静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 8 3 基金项目中央高校基本科研业务费资助项目 2 0 2 0 Q N 4 3 作者简介周伟 1 9 8 2 一 ,男,江苏盐城人,教授。E m a i l e u m t z h w c u m .e d u .c n 通讯作者时旭阳 1 9 8 9 一 ,男,河北石家庄人,博士后。E m a i l s x y w l p 2 0 0 8 1 6 3 .c o m 万方数据 第1 0 期周伟等露天矿坑隔水层重构及泥岩一地聚合物损伤渗透特性 t h ef u n n e l i n ge f f e c tf o r m e di nm i n i n gp r o c e s s ,w h i c hi sd i f f i c u l tt or e c o v e r .T h er e a s o n sa r ed e m o n s t r a t e da sf o l l o w s t h e w a t e r b l o c k i n gl a y e ra b o v ec o a ls e a mi sm i s s i n gd u et os t r i p p i n g ;t h em a t e r i a ll o o s ei ns t r u c t u r ei nt h ei n n e rd u m pi s c h a r a c t e r i z e db yal a r g ep e r m e a b i l i t y ,w h i c hd o e sn o ta c h i e v et h ee f f e c to fw a t e rb l o c k i n g .A tp r e s e n t ,t h e r ei sl i t t l es y s t e m a t i cr e s e a r c ha n de f f e c t i v em e a s u r e sf o rr e s t o r i n ga n dm a i n t a i n i n go p e n - p i tm i n ew a t e rr e s o u r c e s .T h i sp a p e rp r o p o s e sar e c o n s t r u c t e dw a t e r b l o c k i n gl a y e rb a s e do nm u d s t o n ep o l y m e rc o m p o s e db yt h es o l i dw a s t e si no p e n p i tm i n e s a n ds u r r o u n d i n gi n d u s t r i a la r e a s .W i t ht h er e a l i z a t i o no ft h ec o n s t r u c t i o no ft h ew a t e r - b l o c k i n gl a y e r ,al a r g ea m o u n to f i n d u s t r i a lw a s t ei sc o n s u m e d ,f o r m i n ga ni n d u s t r i a le c o s y s t e mc e n t e r e di n o p e np i tm i n e s L o wp e r m e a b i l i t yw i t h i n 1 0 1 5m 2i st h eb a s i cf e a t u r eo ft h ew a t e r - b l o c k i n gm a t e r i a l .A l k a l i i n d u c i n gp o w d e rm a t e r i a l s M u d s t o n e ,s l a ga n dr e d m u d ,f i n ea g g r e g a t em a t e r i a l s t a n d a r ds a n d ,a n da c t i v a t o r s o d i u ms i l i c a t e w e r eu s e dt op r e p a r es t a n d a r d 6 5 0m m x 1 0 0r a m m u d s t o n e - g e o p o l y m e rs a m p l e s .T h ed a m a g ep e r m e a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i sr e s e a r c h .T h ed a m a g ev a r i a b l eD 口i sm e a s u r e db yu n i a x i a ll o a d i n g .T h ep e r m e a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c su n d e r d i f f e r e n td a m a g e sa r ea n a l y z e dt h r o u g he x p e r i m e n t s .T h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rl o wd a m a g e O /O r 。 0 3 ,t h eo r i g i n a lv o i da n dm i c r o c r a c k so ft h es a m p l er a p i d l y e x p a n d ,a n da f t e rs t r e s su n l o a d i n g ,ap e n e t r a t i n gc r a c ki sf o r m e d ,w h i c hl e a d st oas h a r pi n c r e a s ei np e r m e a b i l i t y .A n d t h eo r d e ro fm a g n i t u d ei sb e t w e e n1 0 一’6 - 1 0 一‘5m 2 .B yf i t t i n gt h et e s tr e s u l t si nl i n e a ra n de x p o n e n t i a lf o r m s .t h ed a m - a g ev a r i a b l ei n d e xn 6i sd e t e r m i n e d ,a n dt h ed a m a g ev a r i a b l eD ,i so fat y p i c a ln o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h ep e r - m e a b i l i t yk .I nt h ep r o c e s sf r o mn od a m a g et od a m a g e ,t h ed a m a g e p e r m e a b i l i t yo ft h em u d s t o n ep o l y m e rm e e t st h e p e r m e a b i l i t yr e q u i r e m e n t so ft h er e c o n s t r u c t e dw a t e r - b l o c k i n gl a y e r .I no r d e rt oa c h i e v ep e r m a n e n tw a t e ri s o l a t i o n ,a t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt oi t sl o n g - t e r mp e r m e a b i l i t ya n dw h e t h e rp o l l u t a n t ss u c ha sh e a v ym e t a li o n sa r er e l e a s e di nt h e g r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t . K e yw o r d s o p e n p i tc o a lm i n e ;f u n n e le f f e c t ;r e c o n s t r u c t e da q u i c l u d e ;m u d s t o n e g e o p o l y m e r ;d a m a g e p e r m e a b i l i t yC O - e f f i c i e n t 我国煤炭露天开采行业发展迅速,目前煤炭露天 产量占总产量已超2 l %⋯。据统计,我国露天煤矿 有4 0 5 座,其中千万吨煤矿6 4 座,已形成初具规模的 露天矿群。我国煤炭露天产能分布具有“北多南少、 局部集中”的特点,约9 0 %产能分布于北纬3 9 0 以北, 且基本位于4 0 0m m 降水线以内。该区域生态环境 极为脆弱,生态保护、复垦工作形势极为严峻。 露天开采初期,矿区及周边浅层地下水被疏干排 弃,导致水资源流失浪费严重。开采形成的巨大矿 坑,产生“漏斗效应”【2J ,导致周边浅表层地下水向下 层无水带渗透,地下水环境遭严重破坏,即使内排闭 坑后也无法恢复。根据以上情况,研究团队提出,在 内排土场构建人工隔水层,阻断浅表层水的下渗。短 时间内,有助于实现露天矿山的阶段性复垦,恢复地 表植被及生态环境;其长远意义在于,永久恢复浅表 层地下水,从而推动因露天矿山开采而损害的生态圈 的整体恢复。这对于生态脆弱区域矿山开采及生态 恢复具有重要意义。 构建露天矿内排土场重构隔水层是一个全新的 工程应用领域,其中包含多个关键科学问题,简要概 括为①重构隔水层应具备何种形式、空间位置特 征、工程尺度,以及空间结构受力如何;②构建材料 应有的力学、物理化学特征;③受开采扰动影响,材 料损伤后,渗透特性是否满足隔水功能需求;④如何 降低材料与施工成本,是否可以做到负成本。 笔者针对露天矿重构隔水层形式、原材料以及材 料损伤一渗透特性开展了初步研究。提出“水平隔水 层构建为主,防渗墙为辅”的基本原则,以泥岩一地聚 合物为构建材料,分析了其在不同损伤程度条件下的 渗透特性。 l 露天煤矿内排土场重构隔水层构建 内排土场重构隔水层以构建水平隔水层为主,以 阻断浅层地下水向下流失路径。水平隔水层并不是 一次构建完成,而是随着内排工作线、开采工作线逐 步向最终境界推进,为保证短时间内重构隔水层能发 挥保水功能,需要构建竖向隔水层,即“防渗墙”【3 。5J , 以防止浅层地下水的横向流失。所以露天矿内排土 场重构隔水层构建原则为构建水平隔水层为主、防 渗墙为辅。 1 .1 水平隔水层构建 露天煤矿开采空间区域原始地层可大致划分为 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 5 个地质构造层,分别为覆盖层、含水层、隔水层、基 岩、煤层,如图l 所示。其中隔水层一般为致密的岩 石,渗透率极小,可隔断含水层中的重力水向下流失, 保持地下水环境的长期稳定。通常煤层以上部分包 含多个隔水层,隔水层之问为含水层或者无水带。 . 田j ,j t 圜 阁1 原始地层分布 F i g .1O l ’i g i n a ls I l ’a t i g r a p h i cd i s t I ’i b u t i o n 露天开采过程中,煤层以上地质构造层被爆破剥 离,隔水层被完全破坏,含水层侧向限制被打开,造成 周边地下水向下流失。为从根本上恢复矿区地下水 与生态环境,需要在内排土场构造新的人工地层,以 恢复被破坏的地下水环境。人工地层包含3 层,从上 到下分别为腐殖土层、含水层和隔水层,如图2 所 示。腐殖土层适宜植被、农作物生长,通过优化内排 顺序,辅助以生物发酵手段构造而成;含水层主要功 能为保持浅表层地下水,为植被、农作物生长提供水 源,通过优化内排工艺构造而成;隔水层构建目的在 于,隔断浅表层地下水向下渗透流失路径,是3 类人 工地层中最关键环节。 重构隔水层 图2 人工构建地层分布 F i g .2A l ’l i f t ‘i a l l yc o n s t r u c t e ds t r a t i g r a p h i cd i s t l ‘i b u t i o n 1 .2 水平分段分区域构建 水平隔水层位置高度应与最上一层原始隔水层 保持一致,以保证重构水平隔水层构建完成后与原始 隔水层形成完整隔水层,避免大范围错层出现。水平 隔水层的构建跟随内排土工作线、开采工作线逐步向 开采境界推进,由于内排台阶是逐步推进的动态过 程,所以水平隔水层的构建应分段构筑 图3 ,一次构 筑宽度f 。由于内排土场物料为松散物料,在自重 条件下会发生沉降,所以分段构筑有利于防止隔水层 因不均匀沉降而发生破坏、断裂,而减弱其隔水功能。 1 .3 防渗墙构建 由于水平隔水层非一次构建完成,为在短期内保 证浅层水的恢复与保持,需要阶段性构建防渗墙,以 避免已恢复浅层水的横向流失。防渗墙仅起到阶段 性作用,露天矿闭坑时水平隔水层即构建完成。防渗 原始地层 图3内排土场重构隔水层示意 F i g .3S c h e m a t i 1 i a g l ’t 1 1 1 1o t ’t h e r e e o l l s t t ‘u e t i I Io ft h e a q u i c l u d ei nt h e 1 u m p i n gs i t e 墙主要包含2 种类型桩孔压入式防渗墙与沟槽灌人 式防水墙j 与内排土场重构隔水层相比,防渗墙的构 建技术相对较为成熟,本文不做深入探讨。 2 重构隔水层材料 2 .1 材料基本特征 重构隔水层最关键功能是隔断浅表层地下水下 渗路径,具备低渗透性是最基本也是最关键的特征; 在构建过程中与构建完成后会受载荷作用发生不同 程度的损伤,所以组成材料应当具备一定的力学强 度,以保证隔水层的完整性;重构隔水层上表面与浅 表层水接触,为保证地下水清洁可利用,重构隔水层 材料应不与水发生反应,且不释放毒害物质。综合分 析,重构隔水层材料应当具备的基本特征见表1 。 表l重构隔水层材料特征 T a b l elM a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c so fr e c o n s t r u c t e d w a t e r .b l o c k i n gl a y e r 项日指标 1 0 一”~1 0 1 5 ≥0 .6 无毒害 遇水不产生物理、化学反应 H 标零成本 2 .2 材料渗透性特征 排土场为松散破碎物料的堆积体,渗透系数较 大,表2 列举了云南某露天煤矿排土场物料渗透性 能。其中压实黏土的渗透性能较差,渗透率在 1 0 叫1i n 二量级,部分矿区将黏土压实后作为临时帷 幕,可以起到临时挡水的作用,但若作为重构隔水层, 其渗透性能远达不到永久隔水的效果;泥灰岩一粉土 为典型的土石混合体,主要由风化泥岩、破碎灰岩以 及散土构成,无论是排土场浅表层还是下部经过长期 压力重塑的深层土石混合体,其渗透率较大,均在 1 0 。1 1 1 1 量级。 所以,无沦深层还是浅表层排土场物料,渗透系 数均较大,无法满足隔水与阻水的要求。在露天矿内 一一一一一 万方数据 第l O 期周伟等露天矿坑隔水层重构及泥岩一地聚合物损伤渗透特一日 3 5 5 9 排土场构建霞构隔水层尚无相关科学技术成果与工 程实例,重构隔水层渗透率应达到多大量级也无相关 论证,但有相近领域科学、工程问题呵以借鉴。 表2云南某露天煤矿排土场物料渗透性能 T a b l e2M a t e r i a lp e r m e a b i l i t yo fa no p e n - p i tc o a l m i n ed u m pi nY u n n a nP r o v i n c e 物料类型‘嚣凝 c m 触.s - I j 凝I l l - 掌7 平警7 度/f 1 11 1 1 二 2 4 .8 ~2 5 .0 2 5 .6 ~2 5 .8 泥灰岩一粉土4 4 .2 ~4 4 .4 0 6 0 .8 ~6 1 .0 6 2 .0 ~6 2 .2 2 .6 8 I 5 4 .3 9 1 0 5 2 .4 8 1 06 6 .5 8 l 【 ‘4 8 .0 7 1 0 4 2 .6 8 1 0 叫” 4 .3 9 X 1 0 1 0 2 .4 8 1 0 一”30 7 X 1 0 6 .5 8 X 1 0 ” 8 .0 7 1 0 - 9 煤炭井工开采过程中,治理陷落柱问题与露天矿 内排土场重构隔水层有相似之处。6 。陷落柱突水是 井工煤矿水害的主要诱因,需要通过注浆封堵等方式 降低陷落柱渗流速率防止发生突水。所采用注浆材 料硬化后渗透率在1 0 。1 6 ~1 0 “’I l l 二量级,可以达到很 好的治理效果。所以在构建露天煤矿内排土场重构 隔水层问题中,隔水层材料渗透性能可以借鉴井工开 采中治理陷落柱问题所采用注浆材料渗透率。 3 泥岩一地聚合物材料 地聚合物是一类新型、环保、廉价的无机聚合物 材料【7 I ,由硅铝质工业废渣在碱性条件下激发形成, 具有特殊三维网状结构,具备力学性能优良、耐久性 耐腐蚀性强、低碳排放、有效固定重金属离子与核废 料等优点。1 0 。。泥岩为低活性硅铝质材料,是露天矿 上广泛存在的固体废弃物。本文以泥岩作为基本原 材料,以高活性的钢渣、赤泥作为活性调节原材料,制 备泥岩一地聚合物材料。 3 .1 原材料 1 泥岩。露天煤矿中泥岩存量极其丰富,硅铝 质组分占比超7 0 %,见表3 ,具有一定的碱激发活性。 降低原材料细度,增大比表面积可提高活性。原材料 制备时,将原始破碎状泥岩进一步破碎、研磨,过 1n l m 筛备用。 表3 泥岩的化学组成 T a b l e3C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fm u d s t o n e 2 矿渣。矿渣是已知的工业废渣中活性最高 的原材料。将原材料在1 0 0c c 条件下烘干2 4h ,研磨 1 0r a i n 后备用。矿渣化学组分见表4 。 表4 矿渣的化学组成 T a b l e4C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs l a g 化学成分 A 110 3C a O S i O 二F e 二 jM g OM n T i O 二 I Ⅲs 质键分数/%1 7 .5 43 27 4 3 43 507 7 87 90 .5 20 .6 70 .8 0 3 赤泥。赤泥是炼铝过程中的一种工业废渣, 因氧化铁含量较高,呈红色,如图4 所示。赤泥的组 成随铝矿石与生产工艺的不同而有所不同,本试验采 用拜耳法赤泥,其化学组分见表5 。原材料获得后, 经1 0 0 ℃烘干2 41 1 ,研磨1 0r a i n 后备用。 图4 块状与粉状赤泥 F i g .4 M a s s i v eL i n dp o w d ,1 。Yl l I lI I IL 表5 赤泥粉体材料的化学组成 T a b l e5C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fr e dm u dp o w d e r m a t e r i a l s 4 标准砂。本试验采用I S O 标准砂。 5 激发剂。本试验采用水玻璃作为激发剂,模 数3 .0 ,波美度3 8 。,含水率6 3 %。 3 .2 标准试样制备 试验采用, /, 5 0n l I n X1 0 0I n l l l 的圆柱体。试样 制备原材料分别为活性调节粉体 矿渣和赤泥,质 量比1 1 、泥岩粉、激发剂、水及标准砂。试样 配比见表6 。 原材料按照上述比例混合均匀,装入模具充分振 动去除其中气泡,置于养护室内 温度 2 0 2 ℃, 湿度/ 9 5 % 养护2 4h 后脱模,继续养护至2 8d ㈠1 I 。 养护完成后,将试样切割、打磨,制成标准试样。 ””帆帅 ∞吣“ 昵弛 2 5 ●&6 3 9 5 9 7 2 5 ●6 6 7 2 7 8 7 ● 2 4 7 9 ~ ~ ~ ~ ~ 5 0 5 6 5 ●2 4 7 9 土 粉 一 山石灰泥 万方数据 3 5 6 0 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 表6 泥岩地聚合物材料配比 T a b l e6M a t e r i a Ir a t i o 注D 』} 1 0 0 %, ;J p 』} 1 0 0 %, ;d L 1 0 0 %, ;卢 鸭, m 『,m %II I L , 7 7 1 ” ∑一1 0 0 %。式中,O 为活性调市粉体百分比,%;P 为泥岩粉百分 m “十Ⅲt 比,%;d 为水胶比;口为胶砂比;,n 。为活性调节粉体质遁,g ;m 。为泥 岩粉质最,g ;m 。为水总质量。g ;m 。为沙总质量,g 。 4 泥岩一地聚合物损伤渗透试验 重构隔水层在构建过程中以及构建完成后均承 受竖向载荷,会产,E 一定程度的损伤。损伤的发生直 接影响材料的渗透特性,本文重点探讨泥岩地聚合物 材料在不同损伤条件下的渗透特性。 4 .1 损伤变量 定义一维应力情况损伤变量。1 yD ,r . D 。 矿/盯. ”盯≤盯。 1 其中,D ,,为一维应力情况损伤变量,无量纲;盯.为泥 岩地聚合物单轴抗压强度,M P a ;c r 为标准试样单轴 加载载荷,M P a ;,z 为指数系数,如图5 所示,图5 列出 了n 分别取1 ~7 整数时,一维损伤变量D ,,与单轴加 载应力的曲线关系。 试样固定损伤加载试验日的在于,对泥岩地聚合 物施加一定载荷,使试样产生一定程度的损伤。取 Q 。 Ⅲ】Ⅲ| l 制 蠼 暇 寒 逛 ‘R 恻 鼎 阁5 损伤变量随轴向应力变化曲线 F l ‘g .5 C u r v e s fd a m a g ev a r i a b l e w i t ha x i a ls t r e s s A 3 组试样共计3 块进行单轴加载试验,获得3 块试 样的单轴抗压强度,分别为1 7 .8 2 ,1 7 .9 2 , 1 7 .9 6M P a ,平均值为1 7 .9 0M P a ,方差0 .0 0 35 。A 3 组试样单轴峰值强度离散性可忽略不计,取盯. 1 7 .9 0M P a 作为A 3 组试样的峰值强度。 4 .2 固定损伤加载 取A 3 组试样共计11 块,编号为A 3 一l ~A 3 一l1 , 按照表7 ,分别将试样以应力控制方式单轴加载至不 同损伤水平,加载速率0 .0 2M P a /s ,加载至峰值后立 即卸载,用密封胶带将试样柱面密封保存,准备下阶 段渗透试验。进行试样固定损伤加载时,并未给出确 定数值的损伤变量,仪以单轴加载应力衡量损伤程 度,原冈在于,损伤变量定义时,z 值并未确定,在后文 试验结果分析中讨论。, 4 .3 损伤渗透试验结果 损伤渗透试验结果见表8 。 表7 试样损伤加载水平 T a b l e7D a m a g el o a d i n gl e v e lo fs a m p l e s 试样A 3 一l ,A 3 - 2 ,A 3 3 在渗透试验中未采集到 气体流量数据;随着盯/盯.的增大,渗透率矗逐渐增 大趋势;0 .3 ≤盯/矿.≤0 .8 时,渗透率七大小保持在 1 0 ’1 6I l l 水平,未发生量级』J .的变化;0 .8 盯/盯.≤l 时,渗透率矗急剧增大,数量级跳跃至1 0 1 ‘5m 二水平。 4 .4 损伤变量,z 值 将,z 取值l ~7 情况下的损伤变量D 。与渗透 率七绘制成图6 。将不同九值情况下的损伤变量D ,, 与渗透率矗分别进行线性拟合与指数拟合,拟合公式 为 万方数据 第1 0 期周伟等露天矿坑隔水层重构及泥岩一地聚合物损伤渗透特性 3 5 6 l 图6 不同1 1 值条件下损伤变量与渗透率关系 F i g .6R e l a t i o n s h i pb e t w e e n 1 a m a g ev a r i a b l eD ,a n d p e r m e a b i l i t yka t d i t f m ’e n t ,l 线性拟合 五 A lD 。 B l 2 指数拟合 3 式叶1 ,A l ,口,,,I ,,反为指数拟合系数。 从表9 中可以得到,线性拟合函数中尺二值随n 值的增大而增大,当凡 7 时,R 二 0 .9 4 19 ,说明随 着1 1 值的增大,损伤变量D ,。与渗透率矗越接近线性 相关;指数拟合中,当,F 6 时,R 1 0 .9 9 40 ,最接近于 1 ,拟合效果最佳。比较线性拟合与指数拟合最佳效 果,泥岩地聚合物单轴固定损伤加载条件下,损伤变 南tD ,,与渗透率七关系应当采用,F 6 情况下指数拟 合公式表示,即 是 5 .4 7 02 e 二5 ‘“t ’6 4 4 .5 结果与讨论 1 在较低损伤情况下 o - /o - 。 0 .3 ,单轴应力 卸载后材料并未出现贯通裂纹,导致渗透介质未能穿 过材料,所以未能采集到数据。这并不表示材料渗透 率无限小,只是采用的稳态渗流实验原理所致。对于 致密、微损伤材料,渗透率可采用瞬态法㈠3 ‘1 4 测定。 表9 拟合曲线系数 T a b l e9 F i t t i n gc u r v ec o e f f i c i e n t 参数 以I B . R 4 1 B 月1 6 2 .1 9 90 2 44 1 8O 05 2 1l l2 7 87 3 .18 73 0 .7 7 27 5 23 3 70 8 .8 4 80 O .6 3 83 2 .9 8 35 2 .5 7 78 0 .8 7 44 5 2 .2 2 90 36 7 90 0 .7 3 60 39 7 95 2 .4 8 38 0 .9 3 99 5 3 .7 6 20 1 .0 0 lO .8 1 22 4 .6 3 07 2 .4 8 01 0 .9 7 60 5 54 3 80 0 .7 1 10 0 .8 6 49 5 .1 0 34 2 .4 9 l5 0 .9 9 l6 5 6 .8 8 80 1 .9 4 30 0 .9 1 l5 5 .4 7 02 2 .5 0 00 09 9 40 5 8 .0 4 0 28 9 30 09 4 l9 5 .7 6 69 2 .5 0 18 0 .9 8 8l 2 以单轴加载方式使泥岩一地聚合物试样产,E 损伤,损伤主要发生于单车f t i b ;L 力一应变曲线中弹性极 限与峰值载荷之问的阶段以及峰后阶段。本文仅探 讨了峰前情况,因为达到峰值载荷后材料结构产生严 重破坏,不能保持完整,对工程应用意义不大。弹性 极限与峰值载荷之间阶段,随损伤的增大,试样的原 始空隙与微裂纹迅速扩展、贯通,应力卸载后贯通裂 纹不闭合,导致渗透率的急剧增大。 3 以低聚物缩聚反应为理论基础,采用泥岩、 矿渣、赤泥作为碱激发粉体材料,采用标准砂作为细 骨料材料,水玻璃为激发剂,制备得到标准 4 , 5 0I I I n l X l 0 01 1 1 1 1 1 泥岩一地聚合物试样。, 4 材料在一维应力作用下,损伤变量中I I 值的 大小决定r 损伤程度与应力一应变曲线不同阶段的 对应关系。当1 1 1 时,表示损伤的积累与应变呈J I 比例关系∽值越大,表叫损伤积累越靠近峰值载 荷 峰值应变 。实际情况巾,在达到弹性极限之前, 泥岩一地聚合物发生的变形可以完全恢复,该阶段材 料中产生的微裂纹在卸载后会发生闭合,不会引起渗 透率的
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