不同風(fēng)化年限的淮南礦區(qū)煤矸石理化性質(zhì)變化規(guī)律

嚴(yán)家平，陳孝楊，蔡 毅，黃 河

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不同風(fēng)化年限的淮南礦區(qū)煤矸石理化性質(zhì)變化規(guī)律

嚴(yán)家平1，陳孝楊2，蔡 毅2，黃 河2

（1. 安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院，淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，淮南 232001）

堆存于地表的煤矸石在遭受風(fēng)化以后，其物理和化學(xué)性質(zhì)可在短時間內(nèi)發(fā)生較大變化，這些變化往往具有一定規(guī)律。該文選取淮南礦區(qū)潘北、潘一及新莊孜煤礦5個不同風(fēng)化年限的煤矸石采樣區(qū)進(jìn)行分層采樣。通過對135個樣品的相關(guān)理化性質(zhì)測試，對比分析了不同風(fēng)化程度下煤矸石主要理化性質(zhì)變化規(guī)律。結(jié)果表明，煤矸石在電導(dǎo)率、pH值和陽離子交換量等理化性質(zhì)的變化具有一定規(guī)律：隨著風(fēng)化年限的增加，煤矸石電導(dǎo)率與pH值降低，陽離子交換量則不斷增高。新鮮煤矸石的3項指標(biāo)在2a內(nèi)具有較快的降低速率，其中電導(dǎo)率在2 a內(nèi)可降低30%，pH值下降接近10%，此后的降低變化速率則較緩慢。陽離子交換量在2 a內(nèi)可增加17%，在后期的變化中則表現(xiàn)為緩慢上升趨勢。在剖面變化特征方面，通過對30和30～60 cm之間的上下兩層對比分析發(fā)現(xiàn)位于上層的電導(dǎo)率與pH值普遍略高于下層，陽離子交換量則為上層略低于下層。其中pH值的上、下兩層的變化差距較小，僅在0.1～0.3之間。煤矸石的電導(dǎo)率、pH值，以及陽離子交換量等3項指標(biāo)的時空變化均與風(fēng)化作用的時間或風(fēng)化程度密切相關(guān)。從植物生長條件角度出發(fā)，上述理化指標(biāo)的變化均有利于煤矸石的復(fù)墾利用。

煤礦；土地復(fù)墾；煤矸石；風(fēng)化作用；風(fēng)化年限；理化性質(zhì)；復(fù)墾條件；淮南礦區(qū)

0 引 言

煤矸石是指煤礦生產(chǎn)和洗選過程中排出的多種巖石的混合體。就巖石類型而言，煤矸石以碳質(zhì)含量不等的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，少量為砂巖及化學(xué)鹽巖類。由于中國煤炭產(chǎn)量大，煤矸石的堆存量同樣巨大，且以每年1.5×108～2.0×108t的速度增加。預(yù)計到2020年，煤矸石年產(chǎn)生量將接近6×108t[1]。煤矸石的堆存既壓占大面積土地，同時對水體、土壤及大氣等都造成了一定程度的污染和危害[2-4]。近年來，盡管中國加大煤矸石綜合利用的力度，但煤矸石在自然環(huán)境的堆存現(xiàn)象極為普遍。為減少煤矸石堆存對環(huán)境的影響，前人對矸石堆存區(qū)的綠化及生態(tài)修復(fù)等已有豐富研究，同時對煤矸石在采煤沉陷區(qū)充填復(fù)墾及路基回填等方面的研究亦不斷深入[5-7]。

無論是煤矸石堆存區(qū)的生態(tài)修復(fù)還是煤矸石在其他方面的應(yīng)用，它的理化指標(biāo)均是決定其利用效果的關(guān)鍵。表生作用下煤矸石的理化指標(biāo)決定于巖石類型，以及其在地表的暴露方式與時間的長短。針對煤矸石在地表環(huán)境中的理化性質(zhì)發(fā)生的變化，大量學(xué)者開展了這一領(lǐng)域或相關(guān)領(lǐng)域的研究。于淼等[8]研究表明，表生環(huán)境中煤矸石的塊徑會隨著風(fēng)化程度的增強(qiáng)而減??；馬芳等[9]研究表明，相同粒徑的煤矸石隨風(fēng)化程度增強(qiáng)其含鹽量逐步提高；許麗等[10]研究表明，煤矸石堆存年限與風(fēng)化程度均影響其風(fēng)化物的酸堿度。蔡毅等[11]研究發(fā)現(xiàn)在風(fēng)化作用下，采樣區(qū)上層煤矸石粒組小于2 mm及2～10 mm的質(zhì)量百分比顯著高于下層，并且隨著風(fēng)化年限的增加，煤矸石粒組小于2 mm的質(zhì)量百分比呈上升趨勢。德國學(xué)者們先后對淮南礦區(qū)煤矸石及粉煤灰堆存區(qū)進(jìn)行研究，分析煤矸石等理化指標(biāo)分布特征，并為其復(fù)墾用作林業(yè)農(nóng)業(yè)用地提供科學(xué)指導(dǎo)[12-13]。這些研究均說明，表生環(huán)境中遭受風(fēng)化作用的煤矸石塊度、孔隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)等發(fā)生顯著變化，同時其電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC）、pH值、陽離子交換量（cation exchange capacity，CEC）等指標(biāo)均會不斷變化。這些指標(biāo)變化共同導(dǎo)致煤矸石在表生環(huán)境中土壤化程度不斷增強(qiáng)。

由于煤矸石由不同巖石類型組成，其結(jié)構(gòu)和礦物組成的差異表現(xiàn)出抗風(fēng)化能力的差異。通常較粗碎屑結(jié)構(gòu)的砂巖往往較細(xì)粒結(jié)構(gòu)泥巖或粉砂質(zhì)泥巖抗風(fēng)化能力強(qiáng)，同樣為碎屑結(jié)構(gòu)的砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)又比鈣質(zhì)膠結(jié)的穩(wěn)定性好。由研究區(qū)的煤矸石地表風(fēng)化特征來看，殘留在表層的塊度較大的煤矸石主要是砂巖或巖石中的結(jié)核，而炭質(zhì)泥巖、高嶺石泥巖等泥質(zhì)結(jié)構(gòu)的巖石，甚至較細(xì)的泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)的巖石極易風(fēng)化為細(xì)顆粒組分。

研究區(qū)煤矸石的巖性組成特征及堆存條件無較大差異。因此風(fēng)化年限及其埋藏深度不同成了影響其風(fēng)化程度的主導(dǎo)因素。本文研究主要針對不同風(fēng)化年限、不同埋深的煤矸石，從而進(jìn)一步掌握表生環(huán)境中不同風(fēng)化程度煤矸石理化性質(zhì)的變化特點(diǎn)及差異，為煤矸石堆存區(qū)土地復(fù)墾提供理論依據(jù)。

1 樣品場地堆存環(huán)境及樣品采集

1.1 樣品來源及場地堆存環(huán)境

研究對象煤矸石來源于淮南礦區(qū)潘北礦、潘一礦及新莊孜礦3個煤礦，并選取3個礦井的不同堆存年限與不同堆存區(qū)的掘進(jìn)矸石。在地質(zhì)構(gòu)造單元上，3個礦井同屬一個煤田相同的礦區(qū)，含煤地層及開采煤層的層位均屬于下二疊統(tǒng)下石盒子中下含煤段。因此，所選的3個礦井煤矸石的巖石類型及組合特征基本一致。故煤矸石的礦物巖石組成無較大差異。煤矸石的主要巖石類型為粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖及鈣質(zhì)細(xì)砂巖。其中細(xì)顆粒組分的粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖占各類巖石總量的80%～85%左右，細(xì)砂巖約占15%左右。

排除人為因素，同一時間由礦井排出的煤矸石遭受的表生作用主要取決于氣候、局部地形、地下水水位、生物作用類型等自然因素。研究區(qū)位于江淮之間的淮南，淮河北側(cè)和淮河南側(cè)的二級階地，區(qū)內(nèi)地勢平坦，地下水位較高且水位基本相近。煤矸石樣品堆存地外圍均為耕地。通過調(diào)查，選取的煤矸石堆存地在首次堆存以后基本無人為擾動。其中新莊孜礦矸石山因堆存時間較長而覆蓋天然小型灌木和雜草，潘一礦矸石堆分布有少量雜草，潘北礦矸石堆存區(qū)因全為較新鮮矸石而無植被覆蓋。所有煤矸石堆存區(qū)外圍均為耕地。

對各采樣地進(jìn)行調(diào)查之后，綜合考慮地形條件等因素，對各采樣地劃定采樣區(qū)?？紤]采樣工作的安全，斜坡較穩(wěn)定且坡度較緩的矸石山采樣地可劃定矩形采樣區(qū)進(jìn)行采樣，否則劃定條帶狀采樣區(qū)進(jìn)行采樣。采樣區(qū)劃定如下：潘北礦兩處煤矸石山以及新莊孜礦煤矸石山的南坡劃定條帶狀采樣區(qū)，潘一礦煤矸石山南坡及北坡分別劃定矩形采樣區(qū)。各采樣區(qū)及其結(jié)束排矸后堆存年限見表1。

表1 采樣區(qū)風(fēng)化年限

Table.1 Weathering age of sampling areas

注：0指來自礦井的新鮮煤矸石，基本沒有遭受風(fēng)化。

Note: 0 refers to the fresh coal gangue that just comes from coal mine, there is no obvious weathering evidence

1.2 樣品采集

1.2.1 采樣點(diǎn)布置

對初步選定的采樣區(qū)再次現(xiàn)場勘查并進(jìn)行采樣點(diǎn)布設(shè)。采樣點(diǎn)布設(shè)主要依據(jù)是煤矸石堆存的地形條件，如具有顯著坡度的矸石山往往因邊坡的穩(wěn)定性差而采用平行等高線方向的橫坡條形采樣法。而矸石堆的地面坡度較小或平堆的矸石堆在表面上風(fēng)化相對均勻，采用的采樣方法是順坡矩形法布置采樣點(diǎn)。根據(jù)潘北礦和新莊孜Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號采樣區(qū)的地表具有顯著的坡度的特點(diǎn)，考慮到其斜坡穩(wěn)定性差會影響不同高程煤矸石的風(fēng)化程度差異，故采用了沿等高線方向的橫坡條形采樣法。該矸石山地面坡度總體較小，故采用矩形采樣點(diǎn)布置法。另外，為了解同一風(fēng)化年限因局部堆存條件的微小改變，如坡向或坡度不同而造成的理化指標(biāo)差異，特意在潘一礦煤矸石山布置了南坡與北坡Ⅲ、Ⅳ兩個采樣區(qū)。具體采樣點(diǎn)布設(shè)如下：

在Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號條帶狀采樣區(qū)，沿其長每隔7 m布設(shè)一個采樣點(diǎn)，共15個采樣點(diǎn)。各采樣點(diǎn)位于同一水平線上，依次記為1，2，3，…15，如圖1a。采樣區(qū)Ⅲ、Ⅳ兩處矩形采樣區(qū)，如圖1b，同樣布設(shè)15個采樣點(diǎn)，但15個點(diǎn)按照3行5列布置。

注：按照每個采樣區(qū)布置15個采樣點(diǎn)的設(shè)計方案

1.2.2 樣品采集

由于煤矸石是多種巖石類型的混合體，單一巖塊的化學(xué)組成與化學(xué)性質(zhì)不能代表煤矸石體的理化性質(zhì)。為使得樣品在采樣區(qū)具有代表性和客觀真實(shí)性，本文的樣品采集采用量大與面廣的采樣設(shè)計方案。在所研究的5個矸石堆存區(qū)內(nèi)共采集樣品135個。采樣深度為60 cm，即由表層至60 cm深度的坑內(nèi)壁上刻槽連續(xù)取樣。除了采樣區(qū)Ⅰ為新鮮煤矸石而沒有進(jìn)行分層外，其他4個采樣區(qū)的煤矸石均為不同的地表暴露或風(fēng)化時間，而對這4個采樣區(qū)采取了分層采樣。分層厚度按照30 cm劃分上下兩層，其中上層代號為A，下層代號為B。所采煤矸石樣需正確反映其自然塊度分布特征。各采樣點(diǎn)各層樣品的采集質(zhì)量約2～3 kg。

為避免樣品采集時對樣品塊度結(jié)構(gòu)的破壞，樣品采集槽長度與寬度適當(dāng)加大，并在挖掘過程中避免破壞煤矸石自然塊度。對采集的樣品裝袋密封，并采取避免搬運(yùn)擠壓破碎措施。

2 試驗過程

EC、pH值及CEC是研究理化性質(zhì)的重要指標(biāo)，因此本文對煤矸石樣品的這些理化指標(biāo)進(jìn)行研究。各項指標(biāo)的測試均是將同一采樣區(qū)的同一層15個采樣點(diǎn)的小于2 mm粒組的樣品混合，然后對混合后樣品取3組平行樣，分別測定其pH值、EC、CEC指標(biāo)，最后計算各項指標(biāo)平均值。具體測定方法如下：

2.1 EC的測定

稱取3份質(zhì)量為10.0 g樣品并分別置于50 mL小口有機(jī)試劑瓶中，加入蒸餾水20 mL，蓋好瓶塞。在180 r/min往復(fù)式振蕩機(jī)振蕩5 min，使煤矸石顆粒充分散開，靜置0.5～1 h使其澄清，分離浸提液待測。采用電導(dǎo)法測定待測液電導(dǎo)率。

2.2 pH值測定

稱取3份質(zhì)量為10.0 g樣品并分別置于50 mL高型燒杯中，加入蒸餾水25 ml。用玻璃棒劇烈攪動2 min，靜置30 min。采用電位法測定pH值。

2.3 CEC的測定

稱取過2 mm篩的風(fēng)干煤矸石樣5 g，用1 mol/L乙酸銨溶液（pH值=7）處理3～5次，直至上清液中檢驗不到Ca2+為止。然后以同樣的方法，用95%的乙醇洗滌樣品3～5次，直至上清液檢測不到NH4+為止。最后一次盡量除盡洗滌液，液棄去上清液。本研究采用乙酸銨交換法測定樣品CEC，具體操作步驟參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[14]。

3 結(jié)果與分析

3.1 電導(dǎo)率及其變化特征

由各采樣區(qū)上、下層樣品的電導(dǎo)率試驗結(jié)果如圖2。研究區(qū)新鮮煤矸石電導(dǎo)率高達(dá)732.33ms/cm，表層煤矸石在風(fēng)化2 a后電導(dǎo)率降低至514.00s/cm。與Ⅰ采樣區(qū)新鮮的煤矸石相比，風(fēng)化2 a的煤矸石電導(dǎo)率降低30%。而Ⅴ采樣區(qū)遭受風(fēng)化25 a的煤矸石無論是表層還是位于30～60 cm深度下層，其電導(dǎo)率分別低至113.79～ 121.81s/cm。與新鮮的煤矸石相比，Ⅳ與Ⅴ采樣區(qū)的電導(dǎo)率僅是新鮮煤矸石Ⅰ采樣區(qū)的84%和83%。電導(dǎo)率不僅顯著降低，且上下層之間的變化差距基本接近。顯然，隨著風(fēng)化年限的增加，煤矸石的電導(dǎo)率在整體上呈降低趨勢。因表層受風(fēng)化作用強(qiáng)于下層，從而使表層電導(dǎo)率均小于下層。隨風(fēng)化年限增加，30～60 cm上下2層的電導(dǎo)率降低程度趨于一致。

由于風(fēng)化作用，煤矸石的宏觀表現(xiàn)為塊度不斷變小，即煤矸石塊比表面積不斷增加。在微觀結(jié)構(gòu)上，煤矸石的礦物不斷分解，可溶鹽類礦物的離子由原來的化合態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)[15]。因此，煤矸石的風(fēng)化程度越強(qiáng)，其可溶鹽越容易被降水淋溶沖蝕。

圖2 各采樣區(qū)不同風(fēng)化時間分層樣品EC分布特征

堆存或暴露地表時間較長的煤矸石遭受風(fēng)化和淋溶程度較高，可溶鹽流失量較大。加之上層煤矸石中的可溶性鹽分通過雨水淋溶可滲透至下層煤矸石中，為下層粘土礦物及黏粒等具有吸附能力的顆粒所吸附，亦可導(dǎo)致下層煤矸石中的可溶性鹽分含量增多[16-17]。因此，風(fēng)化時間較長的煤矸石EC小于較新鮮的煤矸石，同一采樣區(qū)上層煤矸石的電導(dǎo)率小于下層。

3.2 pH值及其變化特征

根據(jù)各采樣區(qū)各層煤矸石樣pH值的試驗結(jié)果見表2，各采樣區(qū)煤矸石pH值總體較高，具有顯著的堿性。

表2 各采樣區(qū)上、下層煤矸石pH值

Table.2 pH value of coal gangue samples in two layers

由表2可知，煤矸石堆存地表的時間及其埋藏深度均對其pH值的變化具有一定影響，但總體來看不夠顯著。采樣區(qū)Ⅰ的新鮮煤矸石的pH值接近于10（少數(shù)樣品高于10），隨著堆存年限的增加，各采樣區(qū)煤矸石pH值依次降低。但其降低的速率總體較低。相比較位于Ⅰ采樣區(qū)的新鮮的煤矸石而言，在遭受風(fēng)化2 a年內(nèi)，pH值下降接近10%，明顯快于后期。從采樣點(diǎn)的剖面上來看，下層煤矸石樣品pH值均高于上層。煤矸石pH值的上述分布特征表明，研究區(qū)煤矸石pH值隨著其風(fēng)化程度增強(qiáng)而呈降低趨勢。但是在剖面上，不同采樣區(qū)上層與下層的變化僅0.1～0.3之間，無顯著變化差異。

淮南礦區(qū)的煤矸石硫的含量較低，蔡峰等[18]研究表明，淮南礦區(qū)煤矸石中硫的平均質(zhì)量百分比僅為0.07%。另據(jù)程功林等[19]對淮南礦區(qū)煤矸石礦物成分分析表明，礦區(qū)煤矸石孔隙、裂隙中含大量的碳酸鹽膠結(jié)物。碳酸鹽水解會消耗H+，使煤矸石的pH值上升[20]。此外，淮南礦區(qū)煤矸石多含有Ca、Mg、K、Na等堿金屬化合物，F(xiàn)e2O3、CaO、MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為5.09%、2.26%、1.2%。部分堿性物質(zhì)的溶解會提高煤矸石的pH值。

因此，研究區(qū)煤矸石礦物組成特征導(dǎo)致其pH值總體較高，而表生環(huán)境中煤矸石相關(guān)化學(xué)成分遭到風(fēng)化淋溶流失，最終導(dǎo)致煤矸石pH值隨其風(fēng)化程度增強(qiáng)而降低[21-22]。

3.3 CEC及其變化特征

不同采樣區(qū)煤矸石樣的CEC及其總體分布特征由圖3所示。由圖3可知，無論是CEC在不同采樣區(qū)的平面分布，還是其在同一采樣區(qū)上、下層的剖面分布，兩方面均表現(xiàn)出顯著的特征?？傮w表現(xiàn)為，不同采樣區(qū)之間，CEC基本上隨著煤矸石的風(fēng)化年限增加而增高；同一采樣區(qū)，上層煤矸石的CEC較下層的高。煤矸石的CEC隨其風(fēng)化程度的增強(qiáng)而增高。

圖3 各采樣區(qū)不同風(fēng)化時間分層樣品CEC分布特征

相比較而言，煤矸石在遭受風(fēng)化2a年內(nèi)，CEC的增加幅度顯然較后期快。如位于Ⅱ采樣區(qū)上層與Ⅰ采樣區(qū)相比，CEC增加17%，而Ⅲ、Ⅴ采樣區(qū)則分別為18%和38%。Ⅲ、Ⅴ采樣區(qū)雖然風(fēng)化年限較長，但CEC的增加速率較小。

土壤的CEC是由膠體表面性質(zhì)決定，且由有機(jī)的交換基（主要是腐殖酸）和無機(jī)的交換基（主要是黏土礦物）共同構(gòu)成。有機(jī)～無機(jī)復(fù)合體所吸附的陽離子總量包括交換性鹽基和水解性酸，兩者的總和即為CEC[23]。因此，煤矸石CEC的大小主要決定于其中有機(jī)質(zhì)和黏土礦物的類型與數(shù)量。

表生環(huán)境中，煤矸石不僅塊度特征發(fā)生變化，其礦物成分亦不斷改變。礦物成分的變化主要表現(xiàn)為內(nèi)生礦物的逐漸減少和表生礦物的逐漸增加[24]。以地殼中分布較廣的硅酸鹽礦物長石為例，其在風(fēng)化過程中會逐漸轉(zhuǎn)化為伊利石，伊利石在酸性條件下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為高嶺石，在堿性條件下會進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為蒙脫石[25]。伊利石風(fēng)化程度較低，一般含有大量鉀素，其CEC為10～40cmol(+)/kg[26]；作為伊利石進(jìn)一步的風(fēng)化產(chǎn)物的高嶺石，其CEC僅為3～15 cmol(+)/kg。作為伊利石另一風(fēng)化產(chǎn)物蒙脫石具有顆粒小、比表面積較大、分散度高、吸水性強(qiáng)等特點(diǎn)。蒙脫石的CEC為60～100cmol(+)/kg。因此，隨著風(fēng)化作用的進(jìn)行，煤矸石中表生黏土礦物含量不斷上升，進(jìn)而導(dǎo)致煤矸石CEC具增高的趨勢。

除礦物成分的變化，有機(jī)質(zhì)含量的變化亦可影響煤矸石CEC的大小，即煤矸石有機(jī)質(zhì)含量的減少具有降低其CEC的趨勢。

隨著風(fēng)化作用的進(jìn)行，表生環(huán)境中煤矸石塊度逐漸減小，當(dāng)煤矸石粒徑小于0.005 mm（即黏粒）可帶負(fù)電以吸附陽離子，進(jìn)而具有提高煤矸石CEC的趨勢。宋鳳敏通過對漢中地區(qū)不同土壤的CEC測定試驗，分析指出具有較強(qiáng)吸附能力的黏粒是土壤中主要的無機(jī)交換基[26]。因此，黏粒含量的增多具有提高煤矸石CEC，并增強(qiáng)煤矸石保肥能力及緩沖能力的趨勢。

綜上所述，表生環(huán)境中，各采樣區(qū)遭受風(fēng)化作用的煤矸石塊度、結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分的變化共同導(dǎo)致煤矸石CEC不斷提高，即各采樣區(qū)煤矸石CEC隨著煤矸石風(fēng)化程度的增強(qiáng)而提高。

4 討 論

4.1 煤矸石塊度結(jié)構(gòu)變化的土地復(fù)墾意義

在表生作用環(huán)境中，煤矸石發(fā)生的最明顯的變化是塊度分布特征的變化，即原大塊或粗粒組分降低，細(xì)粒組分增加[11]。與此同時，煤矸石的其他物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生一系列變化。從微觀上，煤矸石的孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組成、化學(xué)組成與性質(zhì)同樣發(fā)生一系列相應(yīng)變化，其中一部分礦物被溶解，在地下水或雨水的作用下甚至化合形成新的礦物質(zhì)。

由矸石的塊度結(jié)構(gòu)分析結(jié)果可見，隨著在地表暴露時間的增加，其塊度結(jié)構(gòu)顯然具有大塊組分降低，細(xì)粒組分增加的趨勢。不僅如此，煤矸石的強(qiáng)度亦隨之降低，孔隙率增高，吸水和持水能力相應(yīng)增強(qiáng)[27]。煤矸石的這些物理性質(zhì)的變化均有利于植物根系的發(fā)育和生長。因此，無論是在煤矸石堆存區(qū)原地復(fù)墾，還是利用堆存地的煤矸石進(jìn)行采煤沉陷區(qū)充填復(fù)墾，采用地表暴露或風(fēng)化時間較長塊度較小的煤矸石將更有利于復(fù)墾。

4.2 化學(xué)指標(biāo)變化的土地復(fù)墾意義

前已述及，隨著煤矸石風(fēng)化程度的增加，其電導(dǎo)率EC值、pH值和陽離子交換量CEC值均發(fā)生一系列變化。而這些指標(biāo)的變化對于土地復(fù)墾總體上是有利的。

由5個不同采樣區(qū)表層煤矸石EC的試驗結(jié)果表明，新鮮的煤矸石在表生環(huán)境下10 a左右可以達(dá)到相對穩(wěn)定值。另據(jù)畢銀麗等[28]研究，取自同一堆存區(qū)不同埋藏深度的煤矸石表層的EC值較深層低。此外，在室內(nèi)浸泡條件下，不同埋深的煤矸石樣品的EC均表現(xiàn)出相同的變化趨勢。由于煤矸石在不同的風(fēng)化年限具有不同的電導(dǎo)率，在煤矸石山綠化及煤矸石充填復(fù)墾利用時，需針對不同電導(dǎo)率的煤矸石進(jìn)行相應(yīng)的處理，使之適合作物的生長進(jìn)而給煤矸石山綠化及煤矸石充填復(fù)墾帶來最佳效果。

煤矸石的酸堿度pH值是土壤的又一主要養(yǎng)分特征參數(shù)之一。pH值的大小直接影響充填復(fù)墾或煤矸石山生態(tài)修復(fù)的效果。通常煤矸石具有易受侵蝕、極端貧瘠、酸堿度極高或極低等特點(diǎn)[29]。研究區(qū)新鮮煤矸石的pH值接近10.0，較強(qiáng)堿性的煤矸石不僅不利于直接復(fù)墾，其淋溶液可能對其周圍土壤及水體造成污染[30]。而風(fēng)化2 a的煤矸石pH值則顯著下降。因此，研究區(qū)內(nèi)新鮮的煤矸石在表生條件下堆置一段時間，待其pH值有所降低以后更有利于改善復(fù)墾條件。

CEC是土壤的基本特性和主要肥力影響因素之一，可以直接反映土壤的保肥、供肥性能和緩沖能力，同時影響其它理化性質(zhì)。一般認(rèn)為CEC大于20 cmol/kg的土壤保肥供肥能力強(qiáng)，CEC在10～20 cmol/k的土壤保肥供肥能力中等，CEC小于10 cmol/kg的土壤保肥供肥能力弱[31]。由此可知，研究區(qū)新鮮煤矸石的保肥能力較弱，隨著風(fēng)化程度不斷增強(qiáng)，風(fēng)化2 a的煤矸石即具有接近中等的保肥能力，而風(fēng)化12、25 a的煤矸石保肥能力亦是不斷提高直至達(dá)到中等水平的保肥能力。因此，對煤矸石堆存區(qū)綠化或生態(tài)修復(fù)，以及利用煤矸石充填復(fù)墾等煤矸石工程應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮風(fēng)化作用對煤矸石CEC的影響，充分利用自然的力量提高煤矸石的復(fù)墾效果。

5 結(jié) 論

從淮南礦區(qū)5個采樣區(qū)的煤矸石樣品的電導(dǎo)率、pH值和陽離子交換量分析測試結(jié)果來看，3項主要理化指標(biāo)與煤矸石在地表遭受的風(fēng)化時間和埋藏深度密切相關(guān)。所有指標(biāo)無論是在風(fēng)化年限還是上、下兩層之間的變化差異方面均表現(xiàn)有一定的規(guī)律。具體結(jié)論如下：

1）隨著風(fēng)化年限的增加，不同采樣區(qū)的煤矸石電導(dǎo)率呈降低趨勢。尤其是在前兩年內(nèi)，新鮮煤矸石的電導(dǎo)率可降低30%。而后期則呈緩慢下降趨勢。在30和30～60 cm之間的上下兩層，上層普遍低于下層。不同風(fēng)化時間段上、下層之間的電導(dǎo)率變化差距基本接近。但隨風(fēng)化年限增加，位于下層的電導(dǎo)率降低程度與上層趨于一致。

2）煤矸石在地表的堆存時間及其埋藏深度均對其pH值有一定影響，其總體規(guī)律是：隨著堆存年限的增加，其pH值不斷降低。在早期，尤其是遭受風(fēng)化2 a年內(nèi)的煤矸石pH值下降稍快與后期。從剖面上，位于下層煤矸石樣品pH值均高于上層。但是在60 cm以上的剖面上，不同采樣區(qū)上層與下層的變化僅0.1～0.3之間，無顯著變化差異。

3）煤矸石的CEC基本上隨著煤矸石的風(fēng)化年限或風(fēng)化程度增加而增高。對于同一地區(qū)同一類煤矸石而言，遭受風(fēng)化2 a年的煤矸石的CEC增加幅度顯然較后期快。與新鮮煤矸石采樣區(qū)相比，遭受風(fēng)化2 a年的煤矸石的CEC可增加17%，而在后期的增加速率則明顯緩慢 同樣，同一采樣區(qū)因煤矸石的上層或表層遭受風(fēng)化的程度高而造成CEC上高下低。

表生環(huán)境中，無論煤矸石的堆存時間還是埋藏深度，都可以造成煤矸石塊度及相關(guān)化學(xué)指標(biāo)變化的差異。在煤矸石遭受風(fēng)化的前2 a內(nèi)，這些指標(biāo)變化的速率高于后來的變化速率。因此，遭受風(fēng)化2 a時間的煤矸石較有利于復(fù)墾利用。

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Physicochemical property change regularities of coal gangue with different weathering ages in Huainan minging area

Yan Jiaping1, Chen Xiaoyang2, Cai Yi2, Huang He2

(1.232001,; 2.232001,)

Coal gangue is the solid waste from coal mining. Because of weathering, the physico-chemical properties of the coal gangue exposed on the ground’s surface changes constantly. In order to study the change of coal gangue physico-chemical properties under the effects of weathering, the electrical conductivity, pH value and cation exchange capacity, 3 major physico-chemical indices are chosen to analyze their change characteristics and general regularities with the weathering time and the buried depth of coal gangue. The research chooses the distributing area of coal gangue with different weathering age, and divides the research layer into upper layer and lower layer, which are from surface to 30 cm depth and from 30 to 60 cm depth, respectively. A total of 135 samples from 5 coal gangue hills with different weathering age in Panbei, Panyi as well as Xinzhuangzi coal mines in Huainan mining area are collected with the stratified sampling method. The results show that there are certain change regularities of the physico-chemical properties of the coal gangue. The electrical conductivity and pH value of coal gangue decrease with the increasing of weathering age. And the cation exchange capacity increases along with the increasing of weathering age. The 3 indices of fresh coal gangue have a faster decrease rate within the early 2 a. The electrical conductivity reduces by 30% and the pH value falls by nearly 10% within the early 2 a. Then they change slowly. The cation exchange capacity can be increased by 17% within the early 2 a, and then its change grows slower. The change characteristics of physico-chemical properties of the coal gangue in profile are also obvious. Through the comparative analysis of the upper and lower layers, it is found that the electric conductivity and pH value in the upper layer are generally slightly higher than that of the lower layer, while the cation exchange capacity in the upper layer is slightly lower than that of the lower layer. The difference of pH value between the 2 layers is only from 0.1 to 0.3. The spatial and temporal variations of coal gangue conductivity, pH value and cation exchange capacity are all closely related to the weathering time or the degree of weathering. The great change occurs in the physico-chemical properties of coal gangue exposed to the ground’s surface within 2 a. It shows that the weathering is significant. Of course, the temperature effect and hydrolysis as well as other physical processes play the role in the process. Lumpiness decrease of coal gangue due to physical weathering can speed up the change of chemical and other physical indicators. From the angle of the mining area land reclamation, these changes of the physical and chemical properties of coal gangue will be in favor of land reclamation in the mining area. The results provide the theoretical basis for land reclamation of coal gangue storage area.

coal mines; land reclamation; coal gangue; weathering; weathering age; physicochemical properties; reclamation condition; Huainan mining area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.023

TD88

A

1002-6819(2017)-03-0168-07

2016-07-20

2016-12-19

國家自然科學(xué)基金資助項目（51274013, 41372369）

嚴(yán)家平，男，安徽淮南人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事礦山環(huán)境地質(zhì)方面的教學(xué)與研究?；茨习不绽砉ご髮W(xué)測繪學(xué)院，232001。 Email：jpyan@aust.edu.cn

嚴(yán)家平，陳孝楊，蔡 毅，黃 河. 不同風(fēng)化年限的淮南礦區(qū)煤矸石理化性質(zhì)變化規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(3)：168－174. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.023 http://www.tcsae.org

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