当前世界环境

介绍

印度是继中国和美国之后的世界第三大煤炭生产国，而中国和美国的电力部门主要是燃煤电厂。¹印度的煤炭开采采用地下开采和露天开采两种采矿技术。露天开采是我国主要的开采方式，约占我国煤炭总产量的80%。露天矿开采包括用爆破、钻孔破坏上层岩石，以挖掘深埋在厚岩层下的有价值的矿物。这样就产生了大量OB形式的废石(表1)，这些废石被倾倒到附近地区，在Jharia煤田附近很容易看到丘陵结构(图1)。OB材料的产量直接取决于剥离比，即每吨煤需要开采的OB量(吨)。近30年平均剥离比为1.97m: 3/吨。²可能大部分OB材料被倾倒到附近地区，因此在Jharia煤田和附近地区很容易看到巨大的丘陵结构。焦煤排土场的失稳是焦利亚煤田的一个主要问题，对附近的劳动群众构成了很大的威胁。¹⁰Kainthola等人(2011)报道了西部煤田有限公司的OB倾倒不稳定性。它的高度约为75米，坡度为43°，并向前滑动了18米。WCL新马日露天矿发生了另一次破坏，在60 m高的坑坡走向上发生了150 m长的破坏。岩土工程研究表明，土的黏聚力和内摩擦角值分别为48 kPa和23 ¼。采矿作业对现有生态系统构成严重威胁，主要是露天采矿，开采过程中产生大量废石或覆盖层物质，并长期倾倒在现场。由于缺乏有价值的营养物质，这些OB堆对植被的生长非常不利。^3.

从Jharia煤田生产如此大量的OB倾倒材料对自然土地属性和环境也产生了不利影响。⁴

图1:Kusunda露天矿附近的OB倾倒 点击此处查看图

表1:Jharia煤田OB产量，A Gupta & B Paul, 2015年)

OB转储的不稳定性问题

由于倾卸高度的不断增加，有可能威胁其稳定性和相关问题。因此，研究和监测OB堆场的稳定性是采矿行业的一个重要问题。由于排土场的滑坡和故障对附近居住的人口产生不利影响，早期已经报道了与OB排土场不稳定有关的各种事件。岩质边坡可能由于岩层的不连续和缺乏内聚性而变得不稳定和破坏。在矿渣或OB排土场中，两种岩石带之间存在粘土带，会影响稳定性。

因此，土的抗剪强度是粘聚和摩擦作用的总和。黏结值越高，边坡越稳定，因此评价排土场材料的黏结特性对提高其抗剪强度具有重要意义，而直接剪切试验可以达到这一目的。

边坡的稳定性取决于沿这种表面存在的材料的抗剪强度及其与边坡有关的方向。简而言之，任何排土场的稳定性取决于以下因素:颗粒的质地，比重，填料或压实状态，饱和度等。^5、6抗剪强度是颗粒(C)和摩擦角(Ø)，这取决于表面的机械和功能特性。以砂岩为主要复合材料的OB排土场材料的内摩擦系数(0.51)、内摩擦角(26.6)、黏聚力(28)值都非常小，容易发生未灭菌现象。⁷地层内的结合或节理会产生破坏面，这些破坏面涉及到提供交叉表面稳定性的节理组合。

边坡的几何特性是影响边坡稳定性的最重要因素。影响边坡几何特性的主要设计参数有台阶高度、边坡角度和破坏面总面积。因此，边坡的稳定性取决于高度，随着高度的增加，稳定性降低。边坡曲率对边坡失稳影响较大，在边坡设计中应避免边坡的凸部。由于最大的不稳定性，岩层的位移主要发生在排土场的顶部附近⁸因此，任何与排土场失稳有关的调查都应从排土场边坡的顶部进行。植被恢复是稳定排土场边坡最合适的技术之一。通过对孟加拉mundih矿排土场边坡稳定性的研究，得到了30 m高35.5 ¼角排土场的黏聚角和摩擦角值为0.6 kg/cm²和31.5º。由于缺乏土地、岩石条件薄弱以及暴雨，垃圾场的稳定性至关重要⁹

粉煤灰对环境的影响

火力发电厂燃烧煤炭产生大量的飞灰，成为印度严重的环境问题。火电厂面临着与粉煤灰管理有关的重大问题。露天倾倒粉煤灰不仅会通过径流使地下水水质恶化，还会对大气造成污染。由此可见，露天倾倒粉煤灰对环境的危害是多方面的。粉煤灰中含有二氧化硅、铝和铁等主要元素，同时还含有大量的钙、镁、钾、磷和硫。^10、11粉煤灰的处理主要是在灰池中以湿料浆的形式收集¹²这是合理的水污染附近的水资源或地下水浸出到地下污染。

研究区域

OB样本采集于jharia煤田三个不同露天矿，分别为Kusunda、Sijua和PB区(图2)，分别为OB1、OB2和OB3。样品是作为自然破碎的OB材料从垃圾场底部收集的。它被包装在密封塑料袋中，并被带到部门实验室进行进一步处理。然后对样品进行处理(筛选、筛选和洗涤)，进行进一步的物理和岩土测试，以评估材料的稳定性状态。

图2:研究区域地图 点击此处查看图

表2:粒度分布

方法

收集的样品被粉碎、筛选和洗涤以作进一步分析。物理和岩土性能，如粒度分析、体积密度、比重;干密度、剪切试验按印度标准进行分析。¹³

参数研究

OB主要由砂石和其他土壤类型组成，其稳定性取决于许多物理和岩土参数，如粒度、容重、比重和抗剪强度。所有这些参数都是按照印度标准进行分析的。

根据IS: 2720(第3部分/第1节)- 1980，用密度瓶分析OB和河砂的体积密度和比重。

根据印度标准2720 (Part IV)-1985，采用不同网目尺寸的振动筛进行粒度分析。筛子一个接一个地排列着，这样最粗的在上面，最细的在下面。取烘箱干土样(1kg)放在最粗的筛子上。将整个筛组置于振动筛上，摇筛约10分钟。将每个筛上的物料留存量以表格形式记录下来，并计算累计留存率(表1)。计算细粒的累积百分比，并绘制细粒百分比与晶粒尺寸的关系图(图4)。

图3:比重和体积密度 点击此处查看图

图4:的图形表示 粒度分布 点击此处查看图

采用直剪仪进行直剪试验。测量了剪切箱的尺寸，确定了待测试样的质量。在托盘中取所需质量的样品，并在其最佳水分含量下加水。然后将其彻底混合。然后组装剪切箱，分三层将样品转移到剪切箱中。将顶板固定在剪切箱上，然后将其转移到加载框架上。然后将砝码连接到加载框架上，并将刻度盘设置为零。机器启动后，检测环读数一直到样品失效为止。在不同重量(正常应力)下重复测试，并记录观察结果。绘制法向应力与剪应力关系图(图5)，计算材料的稳定性。

图5:抗剪强度特性 OB和OB加粉煤灰 点击此处查看图

结果与讨论

OB物料的容重在1.09 ~ 1.24之间，当粉煤灰用量为20%时，其容重可提高到1.3。OB的比重为2.09 ~ 2.46，当苍蝇的利用率为20%时，OB的比重增加到2.57(图3)。

粒度分布分析表明，砂石和粉砂的比例占主导地位，粘土可以忽略不计，砾石的比例很小。计算了曲率系数和均匀性常数。C的值_u在6到7和C_c被发现为2.7至3.4的每一个标准，这两个值被发现为良好分级到轻度良好分级的样本。从图(图4)中，计算了砂粉土和粘土的百分比，结果表明，在所有三个样品中，砂的比例占主导地位，其值在65- 70%之间。由于砂粒较高的存在使内聚力降低，最终合理地使排土场易失稳;另一方面，随着OB样品中添加粉煤灰，颗粒之间的内聚力增加，最终合理地使OB样品具有良好的包装和粘结性，从而为边坡提供额外的稳定性。

直剪试验结果表明，粉煤灰对OB的强度性能有较好的影响。从图(图5)中可以非常清楚地看到，OB样品即OB1 OB2 OB3的R值分别为0.987,0.984和0.989，这已经足够好了，但是当我们向这些样品中加入粉煤灰时，这些值发生了变化，颗粒的凝聚力大大增强，摩擦角减少了大约10%到20%。粉煤灰的进一步掺加降低了强度性能(R值)，表明黏结力降低，最终干扰了摩擦角，因此，有限掺量(10-20%)的粉煤灰掺加OB可以提供良好的强度值，10-20%掺量OB是有益的，可以提高OB排土场的稳定性。

讨论

OB矿山废石的处理是印度和世界上大多数采矿业废物管理的关键问题之一。本文基于可持续废物管理计划，其中两种不同类型的废物，即粉煤灰和OB同时用于克服OB倾倒不稳定的主要任务。Jharia煤田是印度重要的产煤地区之一，目前正面临着OB倾倒、处置和管理的问题。另一方面，粉煤灰处理是另一个对环境产生不利影响的问题。

表3:黏聚力与内摩擦角

Jharia煤田和其他矿区的OB材料由于没有明确的废物管理计划，倾倒不当，造成了各种环境问题，如排土场中存在的碳质元素同时燃烧造成大气污染，金属浓度浸出和径流到地下水和附近水资源造成水污染。矿区OB排土场由于其可能的破坏和对环境的不利影响而引起人们的关注。在OB排土场上种植树木和植物进行生态恢复是一个可能的选择，可以为排土场提供更多的稳定性，另一方面，根据岩土技术和改善材料的机械性能，我们可以稳定排土场。¹⁴粉煤灰是另一种与煤炭间接相关的废物，是煤炭倾倒的主要问题。由于飞灰中铁、锡、镉等金属的浓度较高，一般倾倒在露天环境中，会造成严重的环境问题。¹⁵因此，这是一种非常合适和可持续的方法，可以更好地管理飞灰，稳定OB排土场。

结论

从上述评估中可以很清楚地看出，粉煤灰在一定限度内对OB材料的稳定性方面显示出其宝贵的影响。大约有10%到20%的结果是积极的，但是随着粉煤灰添加的比例越来越多，材料的力学性能又出现了负面的变化，最终导致材料的强度下降。摩擦角在30⁰-35年⁰降到30以下⁰掺加10%和20%的粉煤灰。因此，减小了摩擦角，并最终发展了颗粒之间更好的内聚力。但粉煤灰的进一步加入又通过干扰粘聚力和摩擦角而削弱了稳定性(表3)。

添加10%-20%的粉煤灰后，坡角从32º减小到27º，这可能是由于较细的粉煤灰颗粒没有充分填充OB颗粒之间的空隙。因此最终坡角值增大，黏聚力减小。粉煤灰的进一步增加，即在30%时，随着空隙比的降低，空隙的填塞将变得更加紧密。这将导致OB + 30%粉煤灰的坡角从26º增加到28º。然而，粉煤灰与-à-vis OB的掺入对边坡角度的影响不显著。本工作的结论表明，粉煤灰与OB的利用可以为排土场提供更好的稳定性，并为采矿业提供复合废物管理方案。

确认

作者在此感谢我们的HOD, ESE系，Indian School of Mines Dhanbad为完成本文提供的宝贵支持。我们也感谢MHRD资助我们的工作并完成本文．我们要感谢我们的实验室同事提供的宝贵帮助。

参考文献

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