陽泉礦區(qū)自燃煤矸石山綠化中覆蓋層碾壓效果試驗

陳勝華， 胡振琪， 李美生， 張 勇， 邢 超

〔1.太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院， 山西 陽泉 045000； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所， 北京 100083； 3.山西陽泉煤業(yè)(集團)有限責(zé)任公司, 山西 陽泉 045000〕

自燃煤矸石山是煤礦區(qū)主要的污染源之一，對其進行綜合治理一直是中國煤礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)環(huán)境修復(fù)的難點[1-2]。目前中國煤矸石堆存量大(據(jù)估計，全國歷年堆放的煤矸石累計存量約4.5×109t，且每年以2×108t的速度遞增)[2-4]，綜合利用技術(shù)水平低(不超過30%)[3]，尚不可能如美國等發(fā)達(dá)國家那樣，大量消耗煤矸石甚至徹底鏟除[5-6]，基于此將煤矸石山作為廢棄物污染場，對其實施封閉并綠化，是對煤矸石山進行綜合環(huán)境治理的有效途徑，也是煤礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要保障[4]。由于煤矸石山特殊的堆積形式及煤矸石的高含硫、含碳量，露天堆積的煤矸石山極易自燃[7-12]，從而給煤矸石山綜合治理及生態(tài)修復(fù)帶來許多限制因素和技術(shù)難題。

目前中國煤矸石山治理實踐中自燃防治常用的辦法是在煤矸石山表面構(gòu)建覆蓋層以改變煤矸石山的供氧蓄熱條件，即選用土質(zhì)惰性材料并經(jīng)有效壓實，使其密實度增大，孔隙比減小，空氣阻隔性增強，以保障覆蓋層具備一定的低滲透性能，從而有效阻隔空氣，防止煤矸石山內(nèi)部發(fā)生自燃[8-10]。覆蓋材料的空氣阻隔性與其壓實程度有很大關(guān)系[13-19]，而中國在自燃煤矸石山覆土壓實方面，實踐較多，有針對性的理論及試驗研究較少[1-2]。調(diào)研表明，煤矸石山有關(guān)覆土工程設(shè)計、壓實方法及壓實質(zhì)量控制等，多是借用其他土建工程項目的經(jīng)驗與參數(shù)，在實踐中凸顯的問題有：壓實工程的實施無針對性的施工標(biāo)準(zhǔn)，壓實質(zhì)量的控制無實用可行的指標(biāo)，從而導(dǎo)致煤矸石山治理投入大、成效差。分析原因，煤矸石山有其特殊的地形條件和施工環(huán)境，例如坡面長、傾斜度大、機械施工條件差等，有效實施碾壓難度較大，且覆土層直接攤鋪于堆積疏松的煤矸石上，其基層剛性差，一定程度上影響碾壓效果。因此，需要研究煤矸石山構(gòu)建覆蓋層相關(guān)的碾壓方法及參數(shù)，如碾壓遍數(shù)、鋪土厚度及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)等，為煤矸石山綜合治理實踐提供科學(xué)的試驗數(shù)據(jù)及參數(shù)設(shè)計思路。本研究在山西省陽泉市的自燃煤矸石山治理現(xiàn)場進行了黃土碾壓試驗。結(jié)合現(xiàn)場碾壓條件，使用現(xiàn)場自制的煤矸石山壓實工具，對不同鋪土厚度的覆蓋用黃土材料實施碾壓，并測定緊實度和干密度以表征碾壓效果，研究以壓實度(85%)作為質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)條件下合適的碾壓遍數(shù)及鋪土厚度，旨在為煤矸石山構(gòu)建覆蓋層提供碾壓參數(shù)及工程設(shè)計方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及工具

本碾壓試驗在煤矸石山治理現(xiàn)場進行，試驗材料為料場代表性黃土，土料來自附近307復(fù)線施工現(xiàn)場。測定其界限含水率，塑性指數(shù)IP為13.7，屬于粉質(zhì)黏土[20]，天然含水率在14.5%～19.3%，平均16.9%，干密度在1.32～1.45 g/cm3。根據(jù)室內(nèi)輕型擊實試驗結(jié)果[21]，該土樣的最大干密度為1.82 g/cm3，最優(yōu)含水率16.4 %。碾壓工具為施工現(xiàn)場的壓實工具。由于該項目需要在煤矸石山斜坡上進行碾壓操作，而國內(nèi)無專用的大坡面碾壓機具，工程項目組自制一套設(shè)備，即用鐵皮包裹混凝土構(gòu)成碾磙(主要參數(shù)為：截面直徑1.58 m，寬1.1 m，單位重量3 800 kg，總重約4 t)，由挖掘機牽引作業(yè)，依據(jù)平碾碾壓法的壓實原理，由碾磙的重力作用于土體達(dá)到壓實目的。該碾壓工具可在40°以下的坡面工作，牽引機構(gòu)縱橫行走自如，牽引速度調(diào)節(jié)非常方便。

1.2 試驗設(shè)計

試驗場地選在陽泉礦大垴梁煤矸石山治理現(xiàn)場，具體在山頂一處平臺。將試驗用黃土按松鋪厚度20，40，60，80 cm分段連續(xù)攤鋪，每段面積按3 m×6 m布置。人工鐵鍬分段整平后用煤矸石山現(xiàn)場自制碾壓工具進行碾壓(圖1)，往返碾壓共5 遍。每碾壓一遍，即用土壤緊實度儀測量土層剖面的緊實度，另用環(huán)刀取3個平行樣室內(nèi)測定干密度。

圖1 煤矸石山碾壓試驗

土壤緊實度又稱土壤硬度，也叫穿透阻力，是指土壤對穿透、剪切作用的抵抗能力，是土壤機械組成、孔隙度、容重、含水狀況等的綜合表現(xiàn)，用力的大小來衡量(kPa)[22-23]。本試驗選用美國芝加哥Spectrum技術(shù)公司生產(chǎn)的SC 900數(shù)字式土壤緊實度儀，以其末端穿透土壤時因土壤的抵抗能力而作用的阻力作為土壤緊實度，儀器的末端為錐形，可用于深層土壤的測定。緊實度測定在鋪土每碾壓一遍后進行，按照梅花狀布點選擇5個樣點，每個測點從0開始，在土層剖面上由淺入深每隔2.5 cm為一個層次，即有0—2.5，2.5—5.0，5.0—7.5 cm等多個層次。

干密度的測定須在土層剖面分層取樣。鋪土厚度20，40 cm，均在剖面分上、下兩層取樣；鋪土厚度為60 cm，在剖面分上、中、下3 層取樣；鋪土厚度80 cm，在剖面分上、中、下、底4 層取樣。每層取樣，需同時用環(huán)刀取兩個代表性土樣，以烘干法測定試樣的含水率ω，當(dāng)兩個測值的差值小于1%時，取平均值。干密度反映土質(zhì)材料的壓實效果，密度越大，孔隙越小，土質(zhì)材料也就越密實，說明壓實效果越好，反之，壓實效果就差一些[18]。在工程中，土的壓實程度用壓實度DC來表示(式1)，本試驗用的黃土測得最大干密度為1.82 g/cm3：

(1)

本文依托課題，研究中基于煤矸石山坡面壓實具有一定難度，不可能如路基工程類達(dá)到高的壓實度(≥90%)[24]，故各種覆蓋材料的空氣阻隔性是在其壓實度約85%的條件下測試的[17]，因此，試驗以壓實度85%作為壓實質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，研究該壓實目標(biāo)條件下合理的碾壓工程參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

試驗通過測試不同厚度土層的緊實度和干密度，來衡量土層的壓實效果。針對碾壓遍數(shù)和鋪土厚度對緊實度及干密度的影響分別分析如下。

2.1 碾壓遍數(shù)對土層緊實度和干密度的影響

分析圖2不同厚度土層碾壓后緊實度變化。當(dāng)鋪土厚度為20 cm時，隨著碾壓遍數(shù)的增加，不同深度的緊實度都有增長的趨勢，碾壓3遍，土層不同深度的緊實度均超過2 000 kPa，碾壓至5遍后，土層整體的緊實度較大，均超過2 500 kPa。

當(dāng)鋪土厚度為40 cm時，隨著碾壓遍數(shù)增加，不同土層深度的緊實度均有增加，且1～3遍的增長趨勢較為明顯，碾壓3遍后，不同土層深度的緊實度從0～1 000 kPa升高到1 000～2 000 kPa，約增加1 倍，且變化比較均勻，碾壓5 遍后，土層的緊實度有所增加但趨勢不是很明顯，在土層深度在12—20 cm處，增加碾壓遍數(shù)，土層緊實度幾乎與碾壓3 遍時的緊實度相同，在2 000～2 500 kPa。當(dāng)鋪土厚度為60 cm時，隨著碾壓遍數(shù)的增加，淺部土層(土層深度大約在20—30 cm以內(nèi))的緊實度增加較快，碾壓5遍后，達(dá)到了整體較大的水平，緊實度在2 000～2 500 kPa；而深度較大的土層(土層深度超過20—30 cm)，碾壓遍數(shù)對緊實度的影響不是很明顯，碾壓2遍后，緊實度在1 000 kPa左右，碾壓3遍、5遍后，不同深度土層的緊實度約在1 500 kPa左右。

當(dāng)鋪土厚度為80 cm時，隨著碾壓遍數(shù)的增大，淺部土層(土層深度小于15—25 cm)的緊實度增加較快，碾壓1 遍時淺部土層的緊實度在500～1 000 kPa，碾壓5 遍后升高到2 000～2 500 kPa，較深土層(土層深度超過15—25 cm)的緊實度受碾壓遍數(shù)的影響較小，碾壓1 遍時在1 000～1 500 kPa，碾壓5 遍后為2 000～2 500 kPa。

可以得出，碾壓遍數(shù)的增加會增大土層的緊實度，且1～3遍時緊實度增大的趨勢較大，而3遍以后緊實度有所增加，但不是很明顯；淺部土層(土層深度小于15—25 cm)受碾壓遍數(shù)的增加緊實度變化較大，而深部土層(土層深度超過15—25 cm)緊實度的變化受到碾壓遍數(shù)影響較小。

分析圖3不同厚度土層碾壓后干密度的變化，鋪土厚度為20 cm時，碾壓第2 遍，上、下土層的干密度均到達(dá)較高值，約1.7～1.8 g/cm3。鋪土厚度為40 cm時，上土層在碾壓第3遍時干密度達(dá)到最大(約1.7 g/cm3)，下土層在碾壓第2遍時達(dá)到最大(約1.6 g/cm3)，之后隨著碾壓遍數(shù)增加，干密度沒有明顯遞增(第5 遍碾壓后，上、下土層的干密度在1.6 g/cm3左右)，分析原因，應(yīng)與土壤的含水率在碾壓過程中發(fā)生變化有關(guān)。當(dāng)鋪土厚度為60 cm時，隨著碾壓遍數(shù)的增加，上、中部土層的干密度有逐漸增大的趨勢(第1 遍碾壓后，上、中部土層的干密度在1.2～1.3 g/cm3；碾壓5 遍后，干密度增加到1.5 g/cm3左右)，而下部土層的干密度在第3遍碾壓后，干密度不再有明顯增加(第3 遍與第5 遍幾乎持平)，這也說明，碾壓遍數(shù)對下部土層的干密度影響較小。當(dāng)鋪土厚度為80 cm時，上、中、下土層在碾壓2遍后達(dá)到較大值(平均干密度約為1.6 g/cm3)，而底部土層受碾壓遍數(shù)的影響不是很明顯。

圖3 不同厚度土層碾壓后干密度變化

碾壓遍數(shù)對上、中部土層干密度的影響較大，對下、底部土層的干密度影響較小，表明該碾壓條件下具有一定的作用深度。在碾壓3遍后，上、中部土層的干密度達(dá)到較大值，分析原因，土層經(jīng)碾壓后干密度會發(fā)生變化，其大小不僅與碾壓機具及碾壓遍數(shù)有關(guān)，也受土壤含水率的影響。試驗過程中，覆土表層含水率有所降低，改變了初始接近最優(yōu)含水率的狀態(tài)，因此，土層干密度不會隨碾壓遍數(shù)增加而持續(xù)上升，甚至下降。本試驗過程模擬現(xiàn)場施工條件，反復(fù)碾壓間隔時間符合現(xiàn)場實際。綜合分析得出，當(dāng)碾壓遍數(shù)為1～3遍時，不同厚度土層的緊實度和干密度有較大的增加趨勢，隨著碾壓遍數(shù)的增加，緊實度和干密度增加較小，且下部土層受碾壓遍數(shù)的影響較小。

2.2 鋪土厚度對土層緊實度和干密度的影響

土層在碾壓后，對各個層位進行取樣，并測試其緊實度和干密度，為了衡量不同鋪土厚度經(jīng)壓實后土層整體的緊實度和干密度，現(xiàn)依據(jù)式(1)和(2)計算不同鋪土厚度土層的平均緊實度與平均干密度。計算結(jié)果見表1-2及圖4-5。

(2)

(3)

表1 不同鋪土厚度的土層平均緊實度

表2 不同鋪土厚度的土層平均干密度及壓實度

分析圖4不同鋪土厚度的土層碾壓后平均緊實度的變化，同等碾壓遍數(shù)下，鋪土厚度為20 cm時，平均緊實度最大，隨著鋪土厚度的增加，平均緊實度有所下降?？傮w趨勢來看，鋪土厚度在20—40 cm時，能得到較大的平均緊實度。本次試驗用碾壓工具為現(xiàn)場自制碾磙，重約4 t，分析可知，利用該輕碾進行碾壓，土體承受的是碾磙重量的靜壓作用，壓實強度較低，作用深度較小。

圖4 不同鋪土厚度的土層碾壓后平均緊實度變化

分析圖5不同鋪土厚度的土層碾壓后平均干密度的變化，在相同的碾壓遍數(shù)下，20—40 cm土層的平均干密度較大，隨著鋪土厚度的增加至60 cm，80 cm，土層平均干密度有很大程度的下降。20—40 cm土層碾壓1遍后，平均壓實度為87.6%和86.3%，即碾壓1遍就基本達(dá)到85%，隨著碾壓遍數(shù)的增多，壓實度總體呈遞增趨勢，碾壓5遍后，較薄土層的壓實度甚至可達(dá)到90%；比較而言，60—80 cm土層的壓實度較低，且隨碾壓遍數(shù)增多，變化并不大，在碾壓5遍后，總體壓實度在75%～80%。

綜上分析，相同的碾壓遍數(shù)下，隨著鋪土厚度的增大，平均緊實度和平均干密度成下降趨勢，土層整體的壓實度也在降低，當(dāng)鋪土厚度在20～40 cm，平均干密度和平均緊實度呈較高的水平。

圖5 不同鋪土厚度的土層碾壓后平均干密度變化

3 結(jié) 論

(1)該方法碾壓作用深度淺，一定的碾壓遍數(shù)可滿足輕度壓實的要求(質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為壓實度85%)。

(2)利用現(xiàn)場自制碾磙(4 t)進行平碾碾壓，碾壓質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)85 %，建議的施工方案及碾壓參數(shù)為：含水量接近最優(yōu)含水率(相差不超過±2%)，松鋪厚度20—40 cm，碾壓3～5遍。

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