CN114160542A - 一种矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法及结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法及结构，该方法以矿井防污防渗处理为一级隔污屏障；以包封处理为二级隔污屏障；以处置封层中的黏土砂浆为三级隔污屏障。该结构以矿井的地下空间作为飞灰处置空间，飞灰处置空间设置墙体防渗层；飞灰处置空间内放置有多个包封箱体垛，每个包封箱体垛由多个包封箱体堆放组成；包封箱体包括箱体，箱体内装有螯合剂或化学药剂飞灰混合体，箱体通过水泥砂浆层封顶；所的飞灰处置空间的出口位置设置处置封层，多个包封箱体垛之间的飞灰处置空间中填充满黏土砂浆。能够有效缓解地面土地资源紧张，垃圾焚烧飞灰无处处置问题。能够有效利用煤矿开采后形成的地下闲置空间。
Description
技术领域
本发明属于矿井技术领域，涉及危险废弃物处置，具体涉及一种矿井地下 协同处置垃圾焚烧飞灰的方法及结构。
背景技术
为实现生活垃圾无害化处理，垃圾焚烧技术得到大力推进，截至2019年底， 全国在运的418座垃圾焚烧发电厂，在建167座，与此同时，垃圾焚烧产生大 量飞灰亟待处理处置。每焚烧1000吨垃圾，飞灰产量在30-50吨。截至2019 年垃圾焚烧总处理能力已达1.3亿吨/年，相当于年产飞灰650万吨。飞灰的处 置问题凸显。煤矿开采后遗留大量地下空间可利用，根据初步研究统计现有煤 矿地下空间约139亿m3，预计到2030年可达241亿m3。截至2020年7月13 日，根据中国煤炭工业协会产能情况换算井巷可利用地下空间，其中，内蒙古4692万m3/年，陕西省3150万m3/年，山西省1596万m3/年。可见，煤炭开采 后遗存大量的地下空间，未得到有效利用。面对飞灰填埋空间有限问题，矿井 协同处置生活垃圾焚烧飞灰有利于缓解地面土地资源紧张的问题，又可解决采 矿引起的地下空间闲置浪费的问题。
目前，解决垃圾焚烧飞灰的方法有：第一，利用水泥窑协同处置技术将飞 灰作为水泥生产材料固化在水泥中，水泥窑协同处置技术中飞灰投加量有限约 5％，每日新增飞灰量远超过水泥窑处置能力，处置有限，同时水泥窑协同处置 中飞灰预处理技术复杂，成本较高。第二，经固化-稳定化处理后将其送进生活 垃圾填埋场处置，经固化-稳定化处理的飞灰由于添加水泥或其他固化材料增容 较大，增加了地表土地资源的负荷。
鉴于此，急需一种矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法，解决日益增加 的垃圾焚烧飞灰无处处置和井巷地下空间资源闲置的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种矿井地下协同处 置垃圾焚烧飞灰的方法及结构，解决现有技术中垃圾处理占用地表土地资源的 技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，选取垃圾焚烧飞灰处置地点；
选取能够以矿井的地下空间作为飞灰处置空间的区域作为垃圾焚烧飞灰处 置地点；
步骤二，对整个飞灰处置空间的表面墙体结构进行防止地下水入侵和防止 污染物运移的矿井防污防渗处理，得到墙体防渗层，所述的矿井防污防渗处理 为一级隔污屏障；
步骤三，在垃圾焚烧飞灰处置地点的地表对垃圾焚烧飞灰进行包封处理， 形成包封箱体；所述的包封处理为二级隔污屏障；
步骤四，将包封箱体整齐放置于飞灰处置空间形成包封箱体垛；
步骤五，将包封箱体垛堆放完毕后，将飞灰处置空间进行封闭处理，在出 口位置设置处置封层；多个包封箱体垛之间的飞灰处置空间中填充满黏土砂浆； 所述的黏土砂浆为三级隔污屏障；
步骤六，拔出注浆管，将处置封层全部封闭。
本发明还具有如下技术特征：
具体的，步骤二中，所述的矿井防污防渗处理方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，根据矿井工程地质和水文地质资料圈定水分渗流通道和水分富集区 域；
步骤2，在水分渗流通道和水分富集区域内，根据煤层回采时的曾经的突水 信息和巷道内的水分渗滤信息，并结合地球物理探查和水化学检测等监测资料， 确定矿井的巷道附近的涌水通道和渗水通道；
步骤3，对于涌水通道采用骨料胶凝浆液进行注浆封堵；
所述的骨料胶凝浆液中，胶凝材料与骨料的质量比为1:2.5～1:3.2；水的掺 加质量为胶凝材料掺加质量的0.5～1.1倍；
步骤4，对于渗水通道采用无骨料胶凝浆液进行劈裂法注浆封堵；
所述的无骨料胶凝浆液包括水泥膨润土浆液和硅酸钠溶液，硅酸钠溶液掺 加体积为水泥膨润土浆液体积的0.48～0.52倍；
注浆按照先向渗水通道内压入水泥膨润土浆液，经过2～3小时后，提高注 浆压力，向其中注入硅酸钠溶液，同时利用膨润土膨胀特性和硅酸钠溶液遇水 泥胶体微粒迅速凝结，进而有效封堵渗水通道内的微裂隙；
步骤5，对矿井的半圆拱形巷道进行防渗处理：
矿井位于地层内，矿井的内壁为半圆拱形巷道壁，紧贴半圆拱形巷道壁设 置有墙体防渗层，即对整个飞灰处置空间的表面墙体结构设置墙体防渗层；
所述的墙体防渗层从外至内依次包括第一道混凝土防渗层、防水毯和第二 道混凝土防渗层，防水毯和第一道混凝土防渗层之间以及防水毯和第二道混凝 土防渗层之间通过锚固销进行锚固；
所述的第一道混凝土防渗层底部的地层内设置有排水沟，排水沟内铺设有 卵石，排水沟内还设置有污染物监测探头；
所述的防水毯从外至内依次包括超致密土工合成布、天然钠基膨润土、结 构致密的土工合成布和聚乙烯丝的四层结构；
所述的锚固销包括锚固杆，锚固杆上设置有多层锚环；
所述的防渗处理的具体过程包括：首先，用压缩空气将防渗混凝土拌合料 经喷枪高速喷射于原矿井的半圆拱形巷道壁的表面，形成第一道混凝土防渗层， 然后在第一道混凝土防渗层上铺设防水毯，通过锚固销将防水毯与第一道混凝 土防渗层紧密连接；再向防水毯喷射防渗混凝土拌合料，形成第二道混凝土防 渗层。
具体的，步骤3中，所述的胶凝材料为水泥、粉煤灰和膨润土，水泥、粉 煤灰和膨润土的质量配比为1:(0.5～3):(0.05～0.2)；
所述的骨料为砂、煤矸石和/或建筑固废破碎料，骨料粒径为5mm～2cm。
具体的，步骤4中，所述的水泥膨润土浆液，以重量份数计，包括以下原 料：水泥85～92份，膨润土15～8份，水100份；
所述的硅酸钠溶液的模数2.6～2.8，浓度为38～40波美度。
具体的，步骤5中，所述的防渗混凝土拌合料，以重量份数计，包括以下 原料：聚丙烯防渗纤维为1～3％、防渗外加剂为0.5～1.5％、水泥为20～30％， 骨料为65.5～78.5％。
优选的，所述的第一道混凝土防渗层的厚度为20～30cm，优选25cm，所 述的第二道混凝土防渗层的厚度10～20cm，优选15cm。
具体的，步骤三中，包封处理的具体过程为：
步骤S31,预制厚度为8～10cm的箱体，箱体由水泥砂浆制成；
步骤S32,在地表密闭罐体中对飞灰进行预处理，将螯合剂或化学药剂与垃 圾焚烧飞灰均匀混合，将螯合剂或化学药剂飞灰混合体装入预制的箱体中，且 注入高度为距离箱体顶部8～10cm，待利用螯合剂或化学药剂处理后的飞灰污 染物被有效控制，即达到有效固化稳定化后，再在箱体中注入水泥砂浆层，对 箱体进行封顶处理，以实现飞灰的包封处理。
优选的，所述的水泥砂浆中，水泥与砂的质量比为1:3，水的掺加量为水泥 质量的0.5倍。
优选的，步骤四中，包封箱体垛尺寸长度为沿走向方向8～10m，宽度依据 飞灰处置空间尺寸而定。
进一步优选的，当飞灰处置空间宽度小于8m时包封箱体垛尺寸为(8～10m) ×{飞灰处置空间宽度-(0.60～0.8m)}；当飞灰处置空间宽度大于8m时，包 封箱体垛尺寸为(8～10m)×(8～10m)。
更进一步优选的，包封箱体垛的垛与垛之间的间距d3为30～40cm，箱体顶 部与防渗处理后的墙体之间的距离d1为30～40cm，箱体侧面与防渗处理后的墙 体之间的距离d2为30～40cm。
具体的，步骤五中，处置封层为钢筋混凝土结构，宽度40～50cm，浇筑分 两次完成，先使混凝土浇筑至距离顶板30cm左右位置，向垃圾焚烧飞灰处置空 间中插入注浆管至最远处，向其中注入质量浓度为70％～80％的黏土砂浆，所述 的黏土砂浆为三级隔污屏障；根据浆液流速和空区大小向前抽拔注浆管，直至 将整个飞灰处置空间填满。
本发明还保护一种矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的结构，该结构以矿井 的地下空间作为飞灰处置空间，所述的飞灰处置空间的顶部为矿井的顶板岩层， 飞灰处置空间的底部为矿井的底板岩层；
飞灰处置空间设置墙体防渗层；
所述的飞灰处置空间内放置有多个包封箱体垛，每个包封箱体垛由多个包 封箱体堆放组成；所述的包封箱体包括箱体，箱体内装有螯合剂或化学药剂飞 灰混合体，箱体通过水泥砂浆层封顶；
所的飞灰处置空间的出口位置设置处置封层，多个包封箱体垛之间的飞灰 处置空间中填充满黏土砂浆。
进一步地，该结构采用如上所述的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法 制得。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明的方法能够有效缓解地面土地资源紧张，垃圾焚烧飞灰无处 处置问题。
(Ⅱ)本发明的方法能够有效利用煤矿开采后形成的地下闲置空间。
(Ⅲ)本发明的方法能够有效防止受扰动情况下上覆岩层下沉和地表沉陷 问题，为矿区生态环境提供一定保障。
(Ⅳ)本发明的方法能够拥有三级隔污屏障，可有效将垃圾焚烧飞灰和地 下水阻隔开，防止垃圾焚烧飞灰中的污染物入渗到地下水中造成地下水污染。
附图说明
图1为本发明的方法中包封箱体堆至地下飞灰处置空间示意图。
图2为本发明中的螯合剂或化学药剂处理后的垃圾焚烧飞灰包封处理过程 示意图。
图3为本发明中的包封箱体的整体结构示意图。
图4为本发明中的飞灰处置空间封闭处理中注浆示意图。
图5为本发明中的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的结构示意图。
图6(a)为未进行包封处的垃圾焚烧飞灰中污染物运移数值模拟结果。
图6(b)为本发明中的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰中污染物在包封箱 体中运移数值模拟结果。
图6(c)为本发明中的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰中污染物在处置封 层中运移数值模拟结果。
图7为本发明的墙体防渗层的结构示意图。
图8为本发明的防水毯的结构示意图。
图9为本发明的锚固销的结构示意图。
图10(a)为垃圾焚烧飞灰在天然地下空间内污染物运移数值模拟结果。
图10(b)为本发明所述的用于垃圾焚烧飞灰处置的矿井防污防渗处理方法 中巷道仅存在混凝土防渗时污染物运移数值模拟结果。
图10(c)为本发明所述的用于垃圾焚烧飞灰处置的矿井防污防渗处理方法 中污染物在混凝土和GCL结构下的运移数值模拟结果。
图中各个标号的含义为：1-顶板岩层，2-包封箱体；3-墙体防渗层，4-底板 岩层；5-注浆管，6-黏土砂浆，7-包封箱体垛，8-处置封层，9-飞灰处置空间， 10-地层，11-半圆拱形巷道壁；
201-箱体，202-螯合剂或化学药剂飞灰混合体，203-水泥砂浆层；
301-第一道混凝土防渗层，302-防水毯，303-第二道混凝土防渗层，304-锚 固销，305-排水沟，306-卵石，307-污染物监测探头；
30201-超致密土工合成布，30202-天然钠基膨润土，30203-结构致密的土工 合成布，30204-聚乙烯丝；
30401-锚固杆，30402-锚环。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体 实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法，如图1至图5所 示，包括以下步骤：
步骤一，选取垃圾焚烧飞灰处置地点；
选取能够以矿井的地下空间作为飞灰处置空间9的区域作为垃圾焚烧飞灰 处置地点；
垃圾焚烧飞灰处置地点为地质条件较好、空间结构较好、距离水源较远、 岩层整体防渗等级较高的区域；
飞灰处置空间9的顶部为顶板岩层1，底部为底板岩层4。
步骤二，对整个飞灰处置空间9的表面墙体结构进行防止地下水入侵和防 止污染物运移的矿井防污防渗处理，得到墙体防渗层3，矿井防污防渗处理为一 级隔污屏障；
作为本实施例的一种优选方案，墙体防渗层3的具体结构采用实施例3中 的墙体防渗层的结构。
作为本实施例的一种优选方案，矿井防污防渗处理的具体方法采用实施例4 中的用于垃圾焚烧飞灰处置的矿井防污防渗处理方法。
步骤三，在垃圾焚烧飞灰处置地点的地表对垃圾焚烧飞灰进行包封处理， 形成包封箱体2；包封处理为二级隔污屏障；
步骤三中，包封处理的具体过程为：
步骤S31,预制厚度为8～10cm的箱体201，箱体201由水泥砂浆制成；
步骤S32,在地表密闭罐体中对飞灰进行预处理，将螯合剂或化学药剂与垃 圾焚烧飞灰均匀混合，将螯合剂或化学药剂飞灰混合体202装入预制的箱体201 中，且注入高度为距离箱体201顶部8～10cm，待利用螯合剂或化学药剂处理 后的飞灰污染物被有效控制，即达到有效固化稳定化后，再在箱体201中注入 水泥砂浆层203，对箱体201进行封顶处理，以实现飞灰的包封处理。
本实施例中，螯合剂采用垃圾处理过程中常用的螯合剂，例如TMT(三巯 基均三嗪三钠盐类)、EDTA(乙二胺四乙酸。化学药剂采用垃圾处理过程中常 用的化学试剂，例如磷酸钠、纳米SiO2、Al2O3。
优选的，水泥砂浆中，水泥与砂的质量比为1:3，水的掺加量为水泥质量的 0.5倍。
步骤四，将包封箱体2整齐放置于飞灰处置空间9形成包封箱体垛7。
优选的，步骤四中，包封箱体垛7尺寸长度为沿走向方向8～10m，宽度依 据飞灰处置空间9尺寸而定。
进一步优选的，当飞灰处置空间宽度小于8m时包封箱体垛尺寸为(8～10m) ×{飞灰处置空间宽度-(0.60～0.8m)}；当飞灰处置空间宽度大于8m时，包 封箱体垛尺寸为(8～10m)×(8～10m)。
更进一步优选的，包封箱体垛7的垛与垛之间的间距d3为30～40cm，箱体 顶部与防渗处理后的墙体之间的距离d1为30～40cm，箱体侧面与防渗处理后的 墙体之间的距离d2为30～40cm。
步骤五，将包封箱体垛堆放完毕后，将飞灰处置空间9进行封闭处理，在 出口位置设置处置封层8，多个包封箱体垛7之间的飞灰处置空间9中填充满黏 土砂浆6；黏土砂浆6为三级隔污屏障；
具体的，步骤五中，处置封层8为钢筋混凝土结构，宽度40～50cm，浇筑 分两次完成，先使混凝土浇筑至距离顶板30cm左右位置，向垃圾焚烧飞灰处置 空间9中插入注浆管5至最远处，向其中注入质量浓度为70％～80％的黏土砂浆 6，黏土砂浆6为三级隔污屏障；同时，黏土砂浆6具有一定的塑性，可缓冲地 震等动载作用；根据浆液流速和空区大小向前抽拔注浆管5，直至将整个飞灰处 置空间9填满；
步骤六，拔出注浆管5，将处置封层8全部封闭。使整个垃圾焚烧飞灰处置 区处于密闭空间，防止垃圾焚烧飞灰污染物自身渗滤污染地下水，同时，阻隔 地下水入侵至垃圾焚烧飞灰中使污染物浸泡后渗出。实现将垃圾焚烧飞灰和地 下水的阻断。
实施例2：
本实施例给出一种矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的结构，如图5所示， 该结构以矿井的地下空间作为飞灰处置空间9，飞灰处置空间9的顶部为矿井的 顶板岩层1，飞灰处置空间9的底部为矿井的底板岩层4；
飞灰处置空间9设置墙体防渗层3；
飞灰处置空间9内放置有多个包封箱体垛7，每个包封箱体垛7由多个包封 箱体2堆放组成；包封箱体2包括箱体201，箱体201内装有螯合剂或化学药剂 飞灰混合体202，箱体201通过水泥砂浆层203封顶；
所的飞灰处置空间9的出口位置设置处置封层8，多个包封箱体垛7之间的 飞灰处置空间9中填充满黏土砂浆6。
进一步的，该结构采用实施例1中的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方 法制得。
实施例1和实施例2的效果模拟测试：
利用数值模拟分别对未进行包封处的垃圾焚烧飞灰中污染物运移情况、污 染物在包封箱体中运移和污染物在处置封层中运移情况进行模拟，如图6(a) 至图6(c)所示，结果显示，未进行包封处的垃圾焚烧飞灰中污染物扩散距离 最远；包封箱体隔污效果明显，污染物被控制在包封箱体附近；当包封箱体存 在一定瑕疵时，污染物沿着瑕疵面继续扩散，但扩散范围有限，被完全阻隔在 钢筋混凝土结构以内的黏土砂浆所造的三级隔污屏障以内。
实施例3：
本实施例给出一种墙体防渗层，如图7至图9所示，从外至内依次包括第 一道混凝土防渗层301、防水毯302和第二道混凝土防渗层303，防水毯302和 第一道混凝土防渗层301之间以及防水毯302和第二道混凝土防渗层303之间 通过锚固销304进行锚固；
第一道混凝土防渗层301底部的地层10内设置有排水沟305，排水沟305 内铺设有卵石306，排水沟305内还设置有污染物监测探头307；
防水毯302从外至内依次包括超致密土工合成布30201、天然钠基膨润土 30202、结构致密的土工合成布30203和聚乙烯丝30204的四层结构；
锚固销304包括锚固杆30401，锚固杆30401上设置有多层锚环30402。
作为本发明的一种优选方案，第一道混凝土防渗层301的厚度为20～30cm， 优选25cm，第二道混凝土防渗层303的厚度10～20cm，优选15cm。
本实施例中，防水毯302为GCL膨润土防水毯。GCL膨润土防水毯具有柔 性好、密封性好、抗剪强度高、绿色环保、耐低温、耐酸碱性、化学稳定性好 的特点，同时聚乙烯丝有利于第二道混凝土防渗层的附着。
本实施例中，防水毯302，纵向断裂强度≥15kN/m；横向断裂强度≥15kN/m； 纵向断裂伸长率≥10％；横向断裂伸长率≥10％；垂直渗透系数≤1×10-11cm/s； 剥离强度≥50N/100mm；抗静水压试验0.5MPa24小时无渗漏。
超致密土工合成布30201，单位面积质量≥1500g/m2，厚度≥7.5mm；断裂 强度≥15kN/m；断裂的断裂伸长率为40％～60％。
天然钠基膨润土30202，膨胀系数≥28ml/2g，当混凝土防渗层受扰动存在 一定裂隙时，天然钠基膨润土30202遇水膨胀，对裂隙产生一定自愈作用，且 阻止污染物运移。
结构致密的土工合成布30203，单位面积质量≥1200g/m2，厚度≥5.5mm， 断裂强度≥12kN/m，断裂的断裂伸长率为40％～80％。
聚乙烯丝30204，为弹簧状，最大外径为15～30mm，长度为255～550mm， 内嵌于结构致密的土工合成布30203中聚乙烯丝的单位面积质量800～1600g/m2。
锚固销304包括锚固杆30401，锚固杆30401上设置有多层锚环30402。
本实施例中，锚固销304由聚乙烯材料制成，锚环30402以三层为例，包 括一级锚环、二级锚环和三级锚环，一级锚环深入第一道混凝土防渗层一定深 度后，适当提拉锚固销，使一级锚环和二级锚环张开，将GCL膨润土防水毯与 第一道混凝土防渗层牢固锁在一起，同时，张开的二级锚环可对GCL膨润土防 水毯中因锚固杆穿过产生缝隙进行有效封堵。三级锚环有利于第二道混凝土防 渗层的附着。
本实施例中，排水沟305可对少量入渗的地下水进行疏排，污染物监测探 头307可监测重金属情况，及时掌握防渗结构的有效性。
实施例4：
本实施例给出一种用于垃圾焚烧飞灰处置的矿井防污防渗处理方法，该方 法包括以下步骤：
步骤1，根据矿井工程地质和水文地质资料圈定水分渗流通道和水分富集区 域；
步骤2，在水分渗流通道和水分富集区域内，根据煤层回采时的曾经的突水 信息和巷道内的水分渗滤信息，并结合地球物理探查和水化学检测等监测资料， 确定矿井的巷道附近的涌水通道和渗水通道；
步骤3，对于涌水通道采用骨料胶凝浆液进行注浆封堵；
骨料胶凝浆液中，胶凝材料与骨料的质量比为1:2.5～1:3.2；水的掺加质量 为胶凝材料掺加质量的0.5～1.1倍；
步骤3中，胶凝材料为水泥、粉煤灰和膨润土，水泥、粉煤灰和膨润土的 质量配比为1:(0.5～3):(0.05～0.2)；
骨料为砂、煤矸石和/或建筑固废破碎料，骨料粒径为5mm～2cm。
步骤4，对于渗水通道采用无骨料胶凝浆液进行劈裂法注浆封堵；
无骨料胶凝浆液包括水泥膨润土浆液和硅酸钠溶液，硅酸钠溶液掺加体积 为水泥膨润土浆液体积的0.48～0.52倍；
步骤4中，水泥膨润土浆液，以重量份数计，包括以下原料：水泥85～92 份，膨润土15～8份，水100份；
硅酸钠溶液的模数2.6～2.8，浓度为38～40波美度。
注浆按照先向渗水通道内压入水泥膨润土浆液，经过2～3小时后，提高注 浆压力，向其中注入硅酸钠溶液，同时利用膨润土膨胀特性和硅酸钠溶液遇水 泥胶体微粒迅速凝结，进而有效封堵渗水通道内的微裂隙；
步骤5，对矿井的半圆拱形巷道进行防渗处理：
矿井位于地层10内，矿井的内壁为半圆拱形巷道壁11，紧贴半圆拱形巷道 壁11设置有墙体防渗层3，即对整个飞灰处置空间9的表面墙体结构设置墙体 防渗层3；
墙体防渗层3采用实施例3中的墙体防渗层。
防渗处理的具体过程包括：首先，用压缩空气将防渗混凝土拌合料经喷枪 高速喷射于原矿井的半圆拱形巷道壁11的表面，形成第一道混凝土防渗层301， 然后在第一道混凝土防渗层301上铺设防水毯302，通过锚固销304将防水毯 302与第一道混凝土防渗层301紧密连接；再向防水毯302喷射防渗混凝土拌合 料，形成第二道混凝土防渗层303。
步骤5中，防渗混凝土拌合料，以重量份数计，包括以下原料：聚丙烯防 渗纤维为1～3％、防渗外加剂为0.5～1.5％、水泥为20～30％，骨料为65.5～78.5％。
本实施例中，骨料中最大粒径小于20mm，且10mm以上的粗骨料在30％ 以下。
本实施例中，防渗外加剂采用例如聚乙基羟基硅氧烷或硅酮锆等常用的防 渗外加剂。
本实施例中，防渗混凝土内部的空隙率较小，同时，聚丙烯防渗纤维在混 凝土中错综交杂分布，使防渗混凝土拌合料固化后形成可以阻止水分和污染物 运移的混凝土防渗层。
本实施例的方法能够从入渗通道处阻断地下水入侵，利用在矿井中建造复 合防渗结构，达到阻隔地下水入侵和处置飞灰重金属扩散问题的目的。本发明 的方法利用在巷道内部铺设两道混凝土防渗层夹一道GCL膨润土防水毯的方式， 达到防渗隔污和二次支护的效果。
本实施例的方法能够有效利用煤矿开采后形成的地下闲置空间；
本实施例的方法能够分别从地质结构中水流通道封堵和巷道防渗墙建造两 个方面阻断了地下水对所处置的垃圾焚烧飞灰的淋滤作用和垃圾焚烧飞灰中污 染物扩散。
本实施例的方法能够解决了传统填埋场防污屏障施工工艺简单无法应用于 地下半圆拱形巷道防渗处理的问题，创造性发明了适用于地下半圆拱形巷道防 渗隔污的处理方法。
实施例3和4的效果模拟测试：
利用数值模拟分别对垃圾焚烧飞灰在天然地下空间内污染物运移情况、巷 道仅存在混凝土防渗时污染物运移情况和巷道在混凝土和GCL膨润土防水毯结 构下污染物运移情况进行模拟。如图10(a)至图10(c)所示，结果显示：
第一，垃圾焚烧飞灰在天然地下空间内污染物运移较远，存在污染地下水 问题。第二，混凝土作为第一道防渗屏障，具有较好的隔污性，模拟显示污染 物被较好的控制在混凝土防渗墙内。当稳定的地层环境受扰，混凝土防渗屏障 被突破，GCL膨润土防水毯将起到很好的隔污作用，此时GCL膨润土防水毯作 为柔性材料不受扰动影响，污染物被控制在第二道屏障以内，保证了整个体系 的隔污效果。
Claims (10)
1.一种矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，选取垃圾焚烧飞灰处置地点；
选取能够以矿井的地下空间作为飞灰处置空间(9)的区域作为垃圾焚烧飞灰处置地点；
步骤二，对整个飞灰处置空间(9)的表面墙体结构进行防止地下水入侵和防止污染物运移的矿井防污防渗处理，得到墙体防渗层(3)，所述的矿井防污防渗处理为一级隔污屏障；
步骤三，在垃圾焚烧飞灰处置地点的地表对垃圾焚烧飞灰进行包封处理，形成包封箱体(2)；所述的包封处理为二级隔污屏障；
步骤四，将包封箱体(2)整齐放置于飞灰处置空间(9)形成包封箱体垛(7)；
步骤五，将包封箱体垛(7)堆放完毕后，将飞灰处置空间(9)进行封闭处理，在出口位置设置处置封层(8)，多个包封箱体垛(7)之间的飞灰处置空间(9)中填充满黏土砂浆(6)；所述的黏土砂浆(6)为三级隔污屏障；
步骤六，拔出注浆管(5)，将处置封层(8)全部封闭。
2.如权利要求1所述的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法，步骤二中，所述的矿井防污防渗处理的具体方法包括以下步骤：
步骤1，根据矿井工程地质和水文地质资料圈定水分渗流通道和水分富集区域；
步骤2，在水分渗流通道和水分富集区域内，根据煤层回采时的曾经的突水信息和巷道内的水分渗滤信息，并结合地球物理探查和水化学检测等监测资料，确定矿井的巷道附近的涌水通道和渗水通道；
其特征在于：
步骤3，对于涌水通道采用骨料胶凝浆液进行注浆封堵；
所述的骨料胶凝浆液中，胶凝材料与骨料的质量比为1:2.5～1:3.2；水的掺加质量为胶凝材料掺加质量的0.5～1.1倍；
步骤4，对于渗水通道采用无骨料胶凝浆液进行劈裂法注浆封堵；
所述的无骨料胶凝浆液包括水泥膨润土浆液和硅酸钠溶液，硅酸钠溶液掺加体积为水泥膨润土浆液体积的0.48～0.52倍；
注浆按照先向渗水通道内压入水泥膨润土浆液，经过2～3小时后，提高注浆压力，向其中注入硅酸钠溶液，同时利用膨润土膨胀特性和硅酸钠溶液遇水泥胶体微粒迅速凝结，进而有效封堵渗水通道内的微裂隙；
步骤5，对矿井的半圆拱形巷道进行防渗处理：
矿井位于地层(10)内，矿井的内壁为半圆拱形巷道壁(11)，紧贴半圆拱形巷道壁(11)设置有墙体防渗层(3)，即对整个飞灰处置空间(9)的表面墙体结构设置墙体防渗层(3)；
所述的墙体防渗层(3)从外至内依次包括第一道混凝土防渗层(301)、防水毯(302)和第二道混凝土防渗层(303)，防水毯(302)和第一道混凝土防渗层(301)之间以及防水毯(302)和第二道混凝土防渗层(303)之间通过锚固销(304)进行锚固；
所述的第一道混凝土防渗层(301)底部的地层(10)内设置有排水沟(305)，排水沟(305)内铺设有卵石(306)，排水沟(305)内还设置有污染物监测探头(307)；
所述的防水毯(302)从外至内依次包括超致密土工合成布(30201)、天然钠基膨润土(30202)、结构致密的土工合成布(30203)和聚乙烯丝(30204)的四层结构；
所述的锚固销(304)包括锚固杆(30401)，锚固杆(30401)上设置有多层锚环(30402)；
所述的防渗处理的具体过程包括：首先，用压缩空气将防渗混凝土拌合料经喷枪高速喷射于原矿井的半圆拱形巷道壁(11)的表面，形成第一道混凝土防渗层(301)，然后在第一道混凝土防渗层(301)上铺设防水毯(302)，通过锚固销(304)将防水毯(302)与第一道混凝土防渗层(301)紧密连接；再向防水毯(302)喷射防渗混凝土拌合料，形成第二道混凝土防渗层(303)。
3.如权利要求1所述的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法，其特征在于步骤二中，所述的墙体防渗层(3)，从外至内依次包括第一道混凝土防渗层(301)、防水毯(302)和第二道混凝土防渗层(303)，防水毯(302)和第一道混凝土防渗层(301)之间以及防水毯(302)和第二道混凝土防渗层(303)之间通过锚固销(304)进行锚固；
所述的第一道混凝土防渗层(301)底部的地层(10)内设置有排水沟(305)，排水沟(305)内铺设有卵石(306)，排水沟(305)内还设置有污染物监测探头(307)；
所述的防水毯(302)从外至内依次包括超致密土工合成布(30201)、天然钠基膨润土(30202)、结构致密的土工合成布(30203)和聚乙烯丝(30204)的四层结构；
所述的锚固销(304)包括锚固杆(30401)，锚固杆(30401)上设置有多层锚环(30402)。
4.如权利要求1所述的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法，其特征在于，步骤三中，包封处理的具体过程为：
步骤S31，预制厚度为8～10cm的箱体(201)，箱体(201)由水泥砂浆制成；
步骤S32，在地表密闭罐体中对飞灰进行预处理，将螯合剂或化学药剂与垃圾焚烧飞灰均匀混合，将螯合剂或化学药剂飞灰混合体(202)装入预制的箱体(201)中，且注入高度为距离箱体(201)顶部8～10cm，待利用螯合剂或化学药剂处理后的飞灰污染物被有效控制，即达到有效固化稳定化后，再在箱体(201)中注入水泥砂浆层(203)，对箱体(201)进行封顶处理，以实现飞灰的包封处理。
5.如权利要求4所述的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法，其特征在于，所述的水泥砂浆中，水泥与砂的质量比为1:3，水的掺加量为水泥质量的0.5倍。
6.如权利要求1所述的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法，其特征在于，步骤四中，包封箱体垛(7)尺寸长度为沿走向方向8～10m，宽度依据飞灰处置空间(9)尺寸而定；
当飞灰处置空间宽度小于8m时包封箱体垛尺寸为(8～10m)×{飞灰处置空间宽度-(0.60～0.8m)}；当飞灰处置空间宽度大于8m时，包封箱体垛尺寸为(8～10m)×(8～10m)。
7.如权利要求6所述的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法，其特征在于，包封箱体垛(7)的垛与垛之间的间距d3为30～40cm，箱体顶部与防渗处理后的墙体之间的距离d1为30～40cm，箱体侧面与防渗处理后的墙体之间的距离d2为30～40cm。
8.如权利要求1所述的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法，其特征在于，步骤五中，处置封层(8)为钢筋混凝土结构，宽度40～50cm，浇筑分两次完成，先使混凝土浇筑至距离顶板30cm左右位置，向垃圾焚烧飞灰处置空间(9)中插入注浆管(5)至最远处，向其中注入质量浓度为70％～80％的黏土砂浆(6)，根据浆液流速和空区大小向前抽拔注浆管(5)，直至将整个飞灰处置空间(9)填满。
9.一种矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的结构，其特征在于，该结构以矿井的地下空间作为飞灰处置空间(9)，所述的飞灰处置空间(9)的顶部为矿井的顶板岩层(1)，飞灰处置空间(9)的底部为矿井的底板岩层(4)；
飞灰处置空间(9)设置墙体防渗层(3)；
所述的飞灰处置空间(9)内放置有多个包封箱体垛(7)，每个包封箱体垛(7)由多个包封箱体(2)堆放组成；所述的包封箱体(2)包括箱体(201)，箱体(201)内装有螯合剂或化学药剂飞灰混合体(202)，箱体(201)通过水泥砂浆层(203)封顶；
所的飞灰处置空间(9)的出口位置设置处置封层(8)，多个包封箱体垛(7)之间的飞灰处置空间(9)中填充满黏土砂浆(6)。
10.如权利要求9所述的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的结构，其特征在于，该结构采用如权利要求1至8任一项所述的矿井地下协同处置垃圾焚烧飞灰的方法制得。
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2021
- 2021-11-08 CN CN202111313487.5A patent/CN114160542B/zh active Active
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