CN114109389A - 一种露天矿内排土场含水层及其重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种露天矿内排土场含水层及其重构方法，包括：在剥离作业时选取重构含水层岩土，其包括第一类岩土材料、第二类岩土材料和第三类岩土材料，其中，第一类岩土材料、第二类岩土材料的力学性质与原含水层相似，且第二类岩土材料的粒径比第一类岩土材料的粒径大；第三类岩土材料具有隔水性；将第二类岩土材料构筑在含水层的边缘，将第一类岩土材料构筑在含水层的中间，并在第一类岩土材料上铺设第三类岩土材料；随着排土作业的进行，持续重复上述步骤进行铺设，并在闭坑时将第二类岩土材料构筑的边缘强径流区闭合；采用第三类岩土材料并沿着终采坑坑底逐层、逐圈铺设隔水封闭圈，并且加固隔水封闭圈。
Description
技术领域
本发明涉及露天矿减损开采生态修复领域，尤其涉及一种露天矿内排土场含水层及其重构方法。
背景技术
煤炭开采方式分为井工开采和露天开采。露天开采是通过机械设备剥离煤层上覆地层，将煤炭资源采出的过程。从露天开采的定义也可以看出露天开采对煤层上覆地层的破坏是彻底的，这种开采方式直接导致了矿区范围内含水层、隔水层、土壤和植被被完全破坏。矿区范围内含水层的缺失直接导致区域地下水系统的紊乱，严重影响了当地水生态环境的稳定。目前多数露天矿生产过程中通过内排土作业实现剥离岩土的转移，但是这种内排土作业常常是无序的，无法有效恢复开采范围内的原始地层结构，尤其是含水层无法被有效恢复，不利于区域水生态的稳定。
发明内容
本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种露天矿内排土场含水层及其重构方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。
本发明的一个目的在于提出一种露天矿内排土场含水层重构方法，包括如下步骤：
S10：在剥离作业时选取重构含水层岩土，其包括第一类岩土材料、第二类岩土材料和第三类岩土材料，其中，所述第一类岩土材料、第二类岩土材料的力学性质与原含水层相似，且第二类岩土材料的粒径比第一类岩土材料的粒径大；所述第三类岩土材料具有隔水性；
S20：将第二类岩土材料构筑在含水层的边缘，将第一类岩土材料构筑在含水层的中间，并在第一类岩土材料上铺设第三类岩土材料；
S30：随着排土作业的进行，持续重复步骤S10至S20进行铺设，并在闭坑时将第二类岩土材料构筑的边缘强径流区闭合；
S40：采用第三类岩土材料并沿着终采坑坑底逐层、逐圈铺设隔水封闭圈，并且加固所述隔水封闭圈。
在本发明的一个示例中，所述第三类岩土材料抗压强度与原隔水层接近，且经过压实后渗透系数小于0.001m/d。
在本发明的一个示例中，由第一类岩土材料重构筑的含水层厚度比原始含水层厚度略厚，以便经过沉降作用后第一类岩土材料重构区域的含水层厚度与原始含水层厚度接近。
在本发明的一个示例中，第三类岩土材料铺设方式为：中间厚周围边缘薄。
在本发明的一个示例中，由第二类岩土材料重构筑的含水层强径流带宽度与原始含水层厚度相同。
在本发明的一个示例中，由第二类岩土材料构筑的强径流带厚度与第一类岩土材料和第三类岩土材料的边缘厚度之和相同。
在本发明的一个示例中，第二类岩土材料的粒径为第一类岩土材料的粒径的至少五倍。
本发明的另一个目的在于提出一种露天矿内排土场重构含水层，包括：
第二类岩土材料，构筑在含水层的边缘；
第一类岩土材料，构筑在由第二类岩土材料所限定的含水层中间位置；
第三类岩土材料，构筑在第一类岩土材料的上端；
其中，所述第一类岩土材料、第二类岩土材料的力学性质与原含水层相似，且第二类岩土材料的粒径比第一类岩土材料的粒径大；所述第三类岩土材料具有隔水性。
在本发明的一个示例中，所述第三类岩土材料抗压强度与原隔水层接近，且经过压实后渗透系数小于0.001m/d。
在本发明的一个示例中，第一类岩土材料重构筑的含水层厚度比原始含水层厚度略厚，以便经过沉降作用后第一类岩土材料重构区域的含水层厚度与原始含水层厚度接近。
下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。
图1为根据本发明实施例的露天矿内排土场含水层的重构过程示意图(垂直于开采方向的剖面图)；
图2为根据本发明实施例的露天矿内排土场含水层的重构过程示意图(平行于开采方向的剖面图)；
图3为根据本发明实施例的露天矿内排土场含水层的重构闭坑后地层示意图(平行于开采方向的剖面图)；
图4为根据本发明实施例的露天矿内排土场含水层的重构过程俯视图；
图5为根据本发明实施例的露天矿内排土场含水层的重构完毕俯视图。
附图标记列表：
重构含水层100；
原地隔水层110；
原地含水层120；
重构隔水层130；
第一类岩土材料140；
第二类岩土材料150；
第三类岩土材料160；
隔水封闭圈170；
终采坑180。
具体实施方式
为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
露天矿在开采后，在原地含水层120的上端和下端分别为原地隔水层110；当然在重构含水层100时，需要在原地隔水层110部分分别构筑重构隔水层130，即在本发明中位于重构含水层100的上端和下端部分。
根据本发明第一方面的一种露天矿内排土场含水层重构方法，包括如下步骤：
S10：在剥离作业时选取重构含水层岩土，其包括第一类岩土材料140、第二类岩土材料150和第三类岩土材料160，其中，所述第一类岩土材料140、第二类岩土材料 150的力学性质与原含水层相似，且第二类岩土材料150的粒径比第一类岩土材料140 的粒径大；所述第三类岩土材料160具有隔水性；具体地，第一类岩土材料140要求力学性质与原含水层相似，比如硬度、渗透性等，粒径级配较好。第二类岩土材料150要求力学性质与原含水层相似，比如硬度、渗透性等，但是粒径均匀一致，粒径为第一类岩土材料140平均粒径的5倍以上。第三类岩土材料160要求崩解性好，渗透性与原隔水层相似，粒径级配较好，经过压实之后抗压强度与原隔水层接近。
S20：将第二类岩土材料150构筑在含水层的边缘，将第一类岩土材料140构筑在含水层的中间，并在第一类岩土材料140上铺设第三类岩土材料160；
S30：随着排土作业的进行，持续重复步骤S10至S20进行铺设，并在闭坑时将第二类岩土材料150构筑的边缘强径流区闭合；
S40：采用第三类岩土材料160并沿着终采坑180坑底逐层、逐圈铺设隔水封闭圈170，并且加固所述隔水封闭圈170。
重构的含水层外侧一圈采用第二类岩土材料150构筑能够形成强径流带，可以将同层位原含水层裂隙水有序引流到矿坑制定位置；通过用第三类岩土材料160在第一类岩土材料 140构筑的含水层上部铺设中间厚两侧薄的覆盖隔水层，实现了矿坑内排台阶上侧积水有序流向第二类岩土材料150构成的强径流带；露采结束后用隔水材料对终采坑180进行隔水处理，避免了不同含水层间水资源连通，同时避免了含水层水持续外流，维持了原地下水流场的稳定；该重构含水层100有效疏排了矿坑地层涌水和大气降水，减少了内排土场滑坡、泥石流等地质灾害的发生。
该露天矿含水层重构方法，构筑了一种横向渗透系数有差异、纵向多层结构的地层，该地层保证了生产期间矿坑周围基岩裂隙水有序流动、内排台阶积水及时疏排，闭坑后原位含水层快速建立水力联系，起到了促进区域生态稳定性提升的效果。
在本发明的一个示例中，所述第三类岩土材料160抗压强度与原隔水层接近，且经过压实后渗透系数小于0.001m/d。增加第三类岩土材料160封盖在第一类岩土材料140 上，是为了减少含水层重构期间降雨等渗入重构的地层中导致岩土失稳，通过第三类岩土材料160可以将降水引入地层边缘第二类岩土材料150中，第二类岩土材料150渗透性强，能够形成强径流带排水通道，有助于矿坑涌水的集中排泄。一般地渗透系数 K<0.001m/d的地层称为隔水层。
在本发明的一个示例中，由第一类岩土材料140重构筑的含水层厚度比原始含水层厚度略厚，以便经过沉降作用后第一类岩土材料140重构区域的含水层厚度与原始含水层厚度接近。
在本发明的一个示例中，第三类岩土材料160铺设方式为：中间厚周围边缘薄，也就是说，第三类岩土材料160在第一类岩土材料140上侧铺设一层隔水层盖顶，该盖顶为中间厚两遍薄，形成一层完整的隔水层。
在本发明的一个示例中，由第二类岩土材料150重构筑的含水层强径流带宽度与原始含水层厚度相同；
主要是想保证第二类岩土材料150有一定宽度，以便能够形成有效的排水通道，该通道太窄了不利于矿坑涌水与降水的及时排出；可以理解为第二类岩土材料150重构含水层径流带宽度可以由该矿该水平矿坑涌水及降雨量决定，确保各种水被及时排走。当然第二类岩土材料150重构筑的含水层强径流带宽度与原始含水层厚度也可以不相同。
在本发明的一个示例中，由第二类岩土材料150构筑的强径流带厚度与第一类岩土材料140和第三类岩土材料160的边缘厚度之和相同；
两处厚度相同的情况下地面基本是平的，不会形成台阶，第三类岩土材料上的降水能够及时沿着坡度流入第二类岩土材料构筑的强径流带内。
在本发明的一个示例中，第二类岩土材料150的粒径为第一类岩土材料140的粒径的至少五倍；第二类岩土材料150是要构筑强径流区，因此它所用的材料必须是能够形成足够的孔隙度，但是要求其构筑的含水层渗透性至少能够大于原地层渗透性两个等级，这样才能保证强径流带的水能够沿着强径流带排泄，而不至于过多的流入重构的含水层内部。当然第二类岩土材料150的粒径为第一类岩土材料140的粒径的至少五倍不是硬性要求，只要能满足渗透性条件即可。一般地，岩层的透水性是分级的，为了更加详细的理解岩层分级，如下表1所示：
表1岩层分级表
以某露天矿为例进行说明：在剥离作业时分选含水层重构第一类岩土材料140、第二类岩土材料、分选隔水层重构第三类岩土材料160、重构含水层100、闭合含水层边缘强径流区、封闭终采坑180五个工序，具体步骤如下：
1)分选含水层重构第一类岩土材料140、第二类岩土材料150，主要步骤包括：
①露天矿剥离开采时，将力学性质与原含水层相似的岩土材料单独存放，主要力学性质指的是岩土材料的硬度、渗透性等。
②将该材料分为第一类岩土材料140、第二类岩土材料150两类。第一类岩土材料140级配较好，混合压实后渗透系数与原含水层接近，平均粒径为5mm；第二类岩土材料 150粒径均匀一致，平均粒径为3cm。
2)分选隔水层重构第三类岩土材料160，主要步骤包括：
①露天矿剥离开采时，将崩解性好，渗透性与原隔水层相似的岩土单独存放，作为隔水层重构第三类岩土材料160的原料。
②通过破碎装置将第三类岩土材料160原料进行破碎，加工成粒径级配好，平均粒径小于3mm的第三类岩土材料160。
3)重构含水层100，如图1、图2和图4所示，主要步骤包括：
①结合矿坑端帮含水层层位，沿着含水层底板标高，首先用第二类岩土材料150构筑含水层边缘，第二类岩土材料150构筑的含水层强径流带宽度与原始含水层厚度相同，坡度为第二类岩土材料150的自然安息角。第二类岩土材料150构筑的含水层强径流带高度为第一类岩土材料140和第三类岩土材料160复合层厚度之和。此处原始含水层高度为 10m，第一类岩土材料140、第三类岩土材料160材料复合层与第二类岩土材料150接触点厚度为12m，第二类岩土材料150构筑的强径流带宽度为10m，高度为12m。
②紧挨着第二类岩土材料150构筑的含水层强径流带用第一类岩土材料140构筑含水层，通过采用合适的压实工艺使得第二类岩土材料150构筑含水层渗透性与原含水层渗透性接近。第二类岩土材料150构筑含水层厚度为11m。
③在第二类岩土材料150构筑的含水层之上用第三类岩土材料160构筑隔水层。该层隔水层顶部为凸起的弧形，该隔水层边缘厚度为1m，弧形顶部最高点厚度为2m。经过压实等工艺处理隔水层渗透系数小于0.001m/d。
4)随着排土作业进行，如图3和图5所示，持续按照该结构铺设，闭坑时将第二类岩土材料150构筑的边缘强径流区闭合。
5)封闭终采坑180(如图3所示)，主要步骤如下：
①闭坑后采用第三类岩土材料160沿着终采坑180坑底逐层、逐圈铺设隔水封闭圈170，并采用一定方法对隔水封闭圈170进行加固。隔水封闭圈170宽度为10米左右，逐层铺设并压实，使其渗透系数小于0.001m/d，直至铺设至终采坑180顶部。
②采用大块碎石和混凝土沿隔水封闭圈170构筑一层厚度为1.5m厚的护坡。避免后期该终采坑180边缘出现滑坡、泥石流等地质灾害。
本发明的另一个目的在于提出一种露天矿内排土场重构含水层100，包括：
第二类岩土材料150，构筑在含水层的边缘；
第一类岩土材料140，构筑在由第二类岩土材料150所限定的含水层中间位置；
第三类岩土材料160，构筑在第一类岩土材料140的上端；
其中，所述第一类岩土材料140、第二类岩土材料150的力学性质与原含水层相似，且第二类岩土材料150的粒径比第一类岩土材料140的粒径大；所述第三类岩土材料160 具有隔水性；
重构的含水层外侧一圈采用第二类岩土材料150构筑能够形成强径流带，可以将同层位原含水层裂隙水有序引流到矿坑制定位置；通过用第三类岩土材料160在第一类岩土材料 140构筑的含水层上部铺设中间厚两侧薄的覆盖隔水层，实现了矿坑内排台阶上侧积水有序流向第二类岩土材料150构成的强径流带；露采结束后用隔水材料对终采坑180进行隔水处理，避免了不同含水层间水资源连通，同时避免了含水层水持续外流，维持了原地下水流场的稳定；该重构含水层100有效疏排了矿坑地层涌水和大气降水，减少了内排土场滑坡、泥石流等地质灾害的发生。
该露天矿含水层重构含水层100，构筑了一种横向渗透系数有差异、纵向多层结构的地层，该地层保证了生产期间矿坑周围基岩裂隙水有序流动、内排台阶积水及时疏排，闭坑后原位含水层快速建立水力联系，起到了促进区域生态稳定性提升的效果。
在本发明的一个示例中，所述第三类岩土材料160抗压强度与原隔水层接近，且经过压实后渗透系数小于0.001m/d。
在本发明的一个示例中，第一类岩土材料140重构筑的含水层厚度比原始含水层厚度略厚，以便经过沉降作用后第一类岩土材料140重构区域的含水层厚度与原始含水层厚度接近。
根据本发明的一种露天矿内排土场含水层重构方法相对于现有技术，具有如下有益效果：
1)构筑该含水层所需岩土材料皆为剥离作业产生的岩土，就地取材，成本低。
2)重构的含水层外侧一圈采用第二类岩土材料150构筑，第二类岩土材料150构筑的含水层孔隙度远大于第一类岩土材料140构筑的含水层，能够形成强径流带，可以将同层位原含水层裂隙水有序引流到矿坑制定位置。
3)通过用第三类岩土材料160在第一类岩土材料140构筑的含水层上部铺设中间厚两侧薄的覆盖隔水层，实现了矿坑内排台阶上侧积水有序流向第二类岩土材料150构成的强径流带。
4)通过上述2)和3)两步，有效疏排了矿坑地层涌水和大气降水，减少了内排土场滑坡、泥石流等地质灾害的发生。
5)露采结束后用隔水材料对终采坑180进行隔水处理，避免了不同含水层间水资源连通，同时避免了含水层水持续外流，维持了原地下水流场的稳定。
6)通过采用该方法有效恢复了被露采作业破坏的含水层，闭坑后原位含水层快速建立水力联系，起到了促进区域生态稳定性提升的效果。
上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的露天矿内排土场含水层及其重构方法的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。
Claims (10)
1.一种露天矿内排土场含水层重构方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10：在剥离作业时选取重构含水层岩土，其包括第一类岩土材料(140)、第二类岩土材料(150)和第三类岩土材料(160)，其中，所述第一类岩土材料(140)、第二类岩土材料(150)的力学性质与原含水层相似，且第二类岩土材料(150)的粒径比第一类岩土材料(140)的粒径大；所述第三类岩土材料(160)具有隔水性；
S20：将第二类岩土材料(150)构筑在含水层的边缘，将第一类岩土材料(140)构筑在含水层的中间，并在第一类岩土材料(140)上铺设第三类岩土材料(160)；
S30：随着排土作业的进行，持续重复步骤S10至S20进行铺设，并在闭坑时将第二类岩土材料(150)构筑的边缘强径流区闭合；
S40：采用第三类岩土材料(160)并沿着终采坑(180)坑底逐层、逐圈铺设隔水封闭圈(170)，并且加固所述隔水封闭圈(170)。
2.根据权利要求1所述的露天矿内排土场含水层重构方法，其特征在于，
所述第三类岩土材料(160)抗压强度与原隔水层接近，且经过压实后渗透系数小于0.001m/d。
3.根据权利要求1所述的露天矿内排土场含水层重构方法，其特征在于，
由第一类岩土材料(140)重构筑的含水层厚度比原始含水层厚度略厚，以便经过沉降作用后第一类岩土材料(140)重构区域的含水层厚度与原始含水层厚度接近。
4.根据权利要求3所述的露天矿内排土场含水层重构方法，其特征在于，
第三类岩土材料(160)铺设方式为：中间厚周围边缘薄。
5.根据权利要求1所述的露天矿内排土场含水层重构方法，其特征在于，
由第二类岩土材料(150)重构筑的含水层强径流带宽度与原始含水层厚度相同。
6.根据权利要求1所述的露天矿内排土场含水层重构方法，其特征在于，
由第二类岩土材料(150)构筑的强径流带厚度与第一类岩土材料(140)和第三类岩土材料(160)的边缘厚度之和相同。
7.根据权利要求1所述的露天矿内排土场含水层重构方法，其特征在于，
第二类岩土材料(150)的粒径为第一类岩土材料(140)的粒径的至少五倍。
8.一种露天矿内排土场重构含水层，其特征在于，包括：
第二类岩土材料(150)，构筑在含水层的边缘；
第一类岩土材料(140)，构筑在由第二类岩土材料(150)所限定的含水层中间位置；
第三类岩土材料(160)，构筑在第一类岩土材料(140)的上端；
其中，所述第一类岩土材料(140)、第二类岩土材料(150)的力学性质与原含水层相似，且第二类岩土材料(150)的粒径比第一类岩土材料(140)的粒径大；所述第三类岩土材料(160)具有隔水性。
9.根据权利要求8所述的露天矿内排土场重构含水层，其特征在于，
所述第三类岩土材料(160)抗压强度与原隔水层接近，且经过压实后渗透系数小于0.001m/d。
10.根据权利要求8所述的露天矿内排土场重构含水层，其特征在于，
第一类岩土材料(140)重构筑的含水层厚度比原始含水层厚度略厚，以便经过沉降作用后第一类岩土材料(140)重构区域的含水层厚度与原始含水层厚度接近。
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