容重及摻土比例對(duì)風(fēng)化煤矸石滲透特性的影響

馮慧敏 王電龍 任慧君

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院2中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所3山西省水利建設(shè)開發(fā)中心4中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司5中煤科技集團(tuán)公司）

煤矸石是在煤炭開采、洗選加工過程中所產(chǎn)生的固體廢物，目前全國各地礦區(qū)存量達(dá)45億t[1]。由于煤矸石內(nèi)含有大量重金屬，加之結(jié)構(gòu)性差，大孔隙多，滲透率較高[2]，保水、保肥能力極差，如果長期受到雨水的淋溶沖刷，極易對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染。為預(yù)防煤矸石造成環(huán)境污染，除排矸時(shí)采取層層碾壓、摻土、覆土工藝外，矸石場(chǎng)閉庫后進(jìn)行平整、覆土，恢復(fù)農(nóng)田或營造植被，是目前簡(jiǎn)便有效的復(fù)墾方式。因此，加強(qiáng)不同碾壓容重及摻土比例下煤矸石滲透特性的研究，對(duì)于提高干旱半干旱地區(qū)矸石山綠化植被的存活率，乃至礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)都具有十分重要的意義。

關(guān)于煤矸石的滲透特性，目前已有許多有意義的研究。胡振華等[3]認(rèn)為，隨著容重及摻土比例的增大，煤矸石垂直一維滲透速率呈冪函數(shù)減小趨勢(shì)；在較小容重和摻土比例下，用通用經(jīng)驗(yàn)公式和考斯加可夫經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)煤矸石的入滲過程較為理想；在較大容重和摻土比例下，用通用經(jīng)驗(yàn)公式與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合度表達(dá)最好。馮慧敏、胡振華等[4，5]，曾對(duì)風(fēng)化煤矸石坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。K.N.Potter[6]認(rèn)為，煤矸石風(fēng)化程度越高，入滲能力越低，且隨著滲透時(shí)間的增加，其滲透速率呈負(fù)指數(shù)冪遞減趨勢(shì)。蘇強(qiáng)平認(rèn)為，矸石山普通草地初滲速率較高，而綠化矸石山穩(wěn)滲速率較高。李德平等[7]研究了矸石山的水土流失規(guī)律，認(rèn)為提高煤矸石的入滲速率可有效減少水土流失。

從以上已有的研究成果可以看出，目前有關(guān)煤矸石水力特性的研究，主要集中在一維入滲及坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙方面，而對(duì)更接近野外實(shí)際入滲情景的二維滲透特性的研究鮮有報(bào)道。筆者采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)方法，對(duì)不同容重及摻土比例下，風(fēng)化煤矸石的二維滲透特性進(jìn)行了更加深入的研究探索，旨在為山西省乃至我國煤礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)與水土保持提供一定的技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

模擬試驗(yàn)材料取自古交市煤礦矸石山風(fēng)化5年的煤矸石，分為兩種：一種是純煤矸石，容重分別為1.20 t/m3、1.25 t/m3和1.30 t/m3（用質(zhì)量體積法測(cè)定）；另一種是摻土煤矸石，即煤矸石與黃土按體積為 1∶0.5、1∶1.0、1∶2.0 的比例摻混均勻，容重控制在 1.20 t/m3。煤矸石的顆粒組成為：粒徑≤0.15 mm，比例為 15.82%；0.15－0.25 mm，比例為 3.23%；0.25－0.50 mm，比例為5.34%；0.5－1.0 mm，比例為11.02%；1.0－2.0 mm，比例為 7.42%；2.0－5.0 mm，比例為 38.32%；≥5.0 mm，比例為 18.77%。不同容重的試驗(yàn)材料，孔隙狀況見表1。

表1 不同處理煤矸石孔隙狀況

1.2 試驗(yàn)裝置與材料處理

為了更好地觀察入滲濕潤峰動(dòng)態(tài)，采用15ο扇柱體有機(jī)玻璃土槽進(jìn)行不同容重及摻土比例風(fēng)化煤矸石的滲透試驗(yàn)。土槽高度為50 cm，長度為35 cm，觀測(cè)定流量供水條件下的土壤水分分布。試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，主要參考了肖娟、雷廷武等[8－10]學(xué)者的試驗(yàn)研究成果。采用“茂菲氏”輸液管系統(tǒng)作為試驗(yàn)供水系統(tǒng)，以保持試驗(yàn)流量的基本恒定。有機(jī)玻璃箱表面刻有以cm為單位的刻度線，方便讀取濕潤線坐標(biāo)。

試驗(yàn)前，將試驗(yàn)材料自然風(fēng)干至含水率基本一致。試驗(yàn)時(shí)，先按土槽截面計(jì)算好長為50 cm時(shí)土槽的體積，然后按照設(shè)計(jì)容重計(jì)算出土槽中應(yīng)該填入的試驗(yàn)材料的質(zhì)量，最后將相應(yīng)質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)材料均勻分層填入試驗(yàn)土槽中，直到達(dá)到設(shè)計(jì)高度為止。摻土煤矸石首先按設(shè)計(jì)容重及配比，計(jì)算出各自應(yīng)填入實(shí)驗(yàn)裝置中的質(zhì)量，然后將土和煤矸石充分混合均勻，分層填入試驗(yàn)槽。各試驗(yàn)處理所用材料質(zhì)量見表2。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2013年9月份在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究所進(jìn)行。首先，用秒表量筒法率定試驗(yàn)流量，本次試驗(yàn)選用的流量為0.5 L/h。試驗(yàn)開始后，分別在第 1 min、2 min、3 min、5 min、10 min、20 min、60 min、120 min和180 min，讀取記錄土槽兩側(cè)濕潤線垂直及水平滲透最遠(yuǎn)點(diǎn)距離，作為垂直及水平最大濕潤距離，取兩側(cè)測(cè)量結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)最終數(shù)據(jù)。采用多人多點(diǎn)同時(shí)讀數(shù)，盡量縮短記錄時(shí)間。同時(shí)采用拍照復(fù)核及重復(fù)試驗(yàn)，以降低邊界效應(yīng)及試驗(yàn)誤差。每組試驗(yàn)重復(fù)2次，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

表2 試驗(yàn)用不同處理煤矸石及土壤的質(zhì)量

2 結(jié)果與分析

2.1 容重對(duì)滲透特性的影響

利用 SPSS（11.5）軟件，對(duì)水平和垂直最大濕潤距離與滲透時(shí)間進(jìn)行相關(guān)分析表明：隨著滲透時(shí)間的增加，水平和垂直最大濕潤距離均以冪函數(shù)關(guān)系y（x）＝atb呈遞增趨勢(shì)。關(guān)系式相關(guān)參數(shù)見表3和4。以滲透時(shí)間為橫坐標(biāo)，水平與垂直最大濕潤距離為縱坐標(biāo)，建立相關(guān)關(guān)系如圖 1（a）和（b）。

圖1 不同容重下濕潤距離動(dòng)態(tài)變化

由圖 1（a）可以看出：

（1）容重為1.30 t/m3純煤矸石的水平最大濕潤距離增大趨勢(shì)線位于最上方，容重為1.25 t/m3純煤矸石的趨勢(shì)線位于中間，容重為1.20 t/m3純煤矸石的趨勢(shì)線位于最下方。說明容重越大，在相同滲透時(shí)間內(nèi)的水平最大濕潤距離越大，即平均滲透速率越大。

（2）從3種容重下純煤矸石水平最大濕潤距離增大的趨勢(shì)線還可以看出，在試驗(yàn)初始階段，趨勢(shì)線斜率較大，隨試驗(yàn)時(shí)間延長，趨勢(shì)線斜率逐漸減小。結(jié)合表3、表4中各關(guān)系式的冪指數(shù)可以判斷，容重越小趨勢(shì)線斜率減小速率越大，容重越大趨勢(shì)線斜率減小速率越小。說明在3種容重下純煤矸石隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，水平滲透速率均逐漸減小，且容重越小減小速度越快，容重越大減小速度越慢。

表3 不同容重下水平濕潤距離擬合參數(shù)

表4 不同容重下垂直濕潤距離擬合參數(shù)

（3）隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，3種容重下的純煤矸石水平最大濕潤距離的差值越來越大。例如，在試驗(yàn)時(shí)間為5min時(shí)，容重為1.30 t/m3的純煤矸石水平最大濕潤距離是1.25 t/m3純煤矸石的 1.04倍，是1.20 t/m3純煤矸石的1.08倍；試驗(yàn)時(shí)間為 60 min時(shí)，容重為1.30 t/m3純煤矸石的水平最大濕潤距離是 1.25 t/m3純煤矸石的 1.07 倍，是 1.20 t/m3純煤矸石的1.68倍；試驗(yàn)時(shí)間為120 min時(shí)，容重為1.30 t/m3的純煤矸石水平最大濕潤距離是1.25 t/m3純煤矸石的 1.18 倍，是 1.20t/m3純煤矸石的 1.87 倍。

由垂直最大濕潤距離增大趨勢(shì)線圖1（b）可以看出：3種容重煤矸石試驗(yàn)初始階段的垂直滲透速率均較大，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長，滲透速率均逐漸減小，與水平最大濕潤距離情況類似。但是，隨著容重的增大，相同滲透時(shí)間內(nèi)垂直最大濕潤距離（平均滲透速率）呈減小趨勢(shì)，恰與水平最大濕潤距離發(fā)展趨勢(shì)相反。這是因?yàn)楫?dāng)煤矸石容重較小時(shí)，孔隙度較大，滲透速率也較大，模擬試驗(yàn)流速小于實(shí)際滲透速率，此時(shí)垂直方向滲透速率主要受重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)影響，而水平方向滲透速率主要受基質(zhì)勢(shì)影響。由達(dá)西定律可得水平方向和垂直方向的滲透速率公式（1）和公式（2）。

式中：Vh為垂直方向滲透速率，Kh為垂直方向滲透系數(shù)，Ψz為重力勢(shì)，Ψm為基質(zhì)勢(shì)，Ψp為壓力勢(shì)，Vv為水平方向滲透速率，Kv為水平方向滲透系數(shù)。

由公式（1）和公式（2）可以看出，水分在垂直方向上受到的作用力為重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)之和，而在水平方向上僅受到基質(zhì)勢(shì)作用，所以水分總是優(yōu)先沿著垂直方向滲透。隨著風(fēng)化煤矸石容重的增大，孔隙度減小，滲透速率隨之減小。當(dāng)滲透速率減小到小于模擬試驗(yàn)流速時(shí)，在濕潤面附近便逐漸有水分聚集形成飽和水帶，水平方向滲透速率轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓧毫?shì)控制（公式（4）），垂直方向滲透速率轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍亓?shì)和壓力勢(shì)控制（公式（3））。容重越大，相同時(shí)間內(nèi)聚集的水量越多，壓力勢(shì)越大，當(dāng)壓力勢(shì)增大程度足以抵消因滲透系數(shù)減小造成的滲透速率減小程度時(shí)，水平方向滲透速率便隨容重增大而增大。而在垂直方向上，由于因滲透系數(shù)減小引起的滲透速率減小程度比水平方向上大KhΨz，造成壓力勢(shì)增大程度不足以抵消因滲透系數(shù)減小造成的滲透速率減小程度，因此垂直方向滲透速率隨容重增大呈減小趨勢(shì)。

2.2 摻土比例對(duì)滲透特性的影響

以滲透時(shí)間為橫坐標(biāo)，以3種煤矸石摻土比例下水平與垂直最大濕潤距離為縱坐標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系，如圖 2（a）和（b）。

由圖2可以看出，隨著滲透時(shí)間的延長，水平與垂直最大濕潤距離均迅速增大，但是從趨勢(shì)線的斜率可以看出，增大速度呈減小趨勢(shì)。例如，在摻土比例 V煤∶V土（1.0∶1.0）情況下，1－10 min 水平方向平均滲透速率為 1.56 cm/min，10－60 min 平均滲透速率為 0.17 cm/min，60－120 min 平均滲透速率為0.10 cm/min；在摻土比例 V煤∶V土（1.0∶2.0）情況下，1－10 min內(nèi)垂直方向的平均滲透速率為0.72 cm/min，10－60 min 平均滲透速率為 0.16 cm/min，60－120 min平均滲透速率為 0.10 cm/min。利用 SPSS（11.5）軟件對(duì)水平和垂直濕潤最大距離與滲透時(shí)間進(jìn)行相關(guān)分析得出，隨著滲透時(shí)間的延長，水平與垂直濕潤最大距離均以冪函數(shù)關(guān)系y（x）＝atb呈遞增趨勢(shì)。關(guān)系式相關(guān)參數(shù)見表5和表6。

由圖2還可以看出：3種不同摻土比例的煤矸石，在相同時(shí)間內(nèi)的水平與垂直最大濕潤距離（平均滲透速率）相差不大，這可能是因?yàn)樵谳^小摻土比例（V煤∶V土（1.0∶1.0））情況下，土壤顆粒已將煤矸石大孔隙（17.45%）全部填滿，再繼續(xù)增大摻土比例，對(duì)滲透速率的影響程度相對(duì)減小之故。但較同容重下，純煤矸石的水平最大濕潤距離有較大幅度的增大，而垂直最大濕潤距離則有所減小，說明煤矸石摻土后更有利于水平方向的滲透。

圖2 不同摻土比例下濕潤距離動(dòng)態(tài)變化

表5 不同摻土比例下水平濕潤距離擬合參數(shù)

表6 不同摻土比例下垂直濕潤距離擬合參數(shù)

3 結(jié)論

試驗(yàn)表明，容重對(duì)風(fēng)化煤矸石的滲透特性影響顯著，隨著煤矸石容重的增大，相同時(shí)間內(nèi)水平方向最大濕潤距離呈增大趨勢(shì)，垂直方向最大濕潤距離呈減小趨勢(shì)。不同容重風(fēng)化煤矸石水平與垂直方向的最大濕潤距離，隨滲透時(shí)間的延長呈冪函數(shù)遞增關(guān)系，平均滲透速率隨時(shí)間延長呈減小趨勢(shì)，且容重越大減小速率越快；不同摻土比例風(fēng)化煤矸石水平與垂直方向的最大濕潤距離，隨滲透時(shí)間的延長亦呈冪函數(shù)遞增關(guān)系，平均滲透速率隨時(shí)間的延長呈減小趨勢(shì)，相同時(shí)間內(nèi)相差不大，但與同容重的純煤矸石相比，水平方向濕潤距離有所增大。

碾壓容重與摻土比例，是矸石場(chǎng)排放過程中的重要指標(biāo)，選擇合適的碾壓容重和摻土比例，使其既能在土壤表層保持適當(dāng)水分，促進(jìn)植被根系生長，又能防止因碾壓容重過大或摻土比例過高，在下部形成不透水層，致使土壤表層水分過多，形成滑動(dòng)體，造成滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。研究成果為矸石場(chǎng)的矸石堆放與閉庫后的生態(tài)恢復(fù)重建提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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