露天礦保水材料持水效果及抗剪特性試驗(yàn)研究

陳 濤，舒繼森，2，韓 流,2，錢 京

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

近年來，隨著能源轉(zhuǎn)型步伐加快，我國能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，但煤炭依然處于主體性地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國2019年煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的57.7%，原煤產(chǎn)量繼續(xù)增加到27.33億t[1]。由于煤炭資源的大規(guī)模開采和高強(qiáng)度的采礦作業(yè)，造成大面積地表挖損和采空塌陷區(qū)，植被退化和水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，破壞了原有的生態(tài)系統(tǒng)[2-3]。此外，我國北方礦區(qū)降雨量普遍較少(300～450 mm/a)，蒸發(fā)量較大，且降雨期比較集中，夏季降雨占到全年降雨量的50%～65%[4]，土壤的水分補(bǔ)給不足和保水性差使得礦區(qū)土壤復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)難度增大，造成了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化加劇[5-7]。因此，礦區(qū)保水復(fù)墾工藝技術(shù)對解決我國生態(tài)脆弱、干旱地區(qū)的礦區(qū)生態(tài)修復(fù)和地表植被治理具有重要的生態(tài)價(jià)值和社會(huì)效益，直接關(guān)系到綠色礦山建設(shè)和生態(tài)文明建設(shè)的成敗[8-9]。

近幾年，保水材料應(yīng)用于礦區(qū)保水復(fù)墾工藝技術(shù)得到越來越多的重視[10-11]。目前，保水劑配比的研究主要基于自然土壤條件，包括保水劑不同配比對不同植物種的生理特征影響研究，保水劑對土壤抗蝕等理化性質(zhì)的研究等。張超英等[12]表明混施生物炭和保水劑能顯著影響煤矸石基質(zhì)的保水性能和入滲性能。董穎等[13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在矸土比為1∶1下施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%保水劑具有最佳的矸石基質(zhì)保水效果。李景生等[14]通過保水劑混合沙吸水量試驗(yàn)表明混合率越大，其最大吸水量也越大，且受溫度、鹽成分和濃度的影響。張浣中[15]表明在溫度恒定時(shí)，保水劑的吸水倍率與其單位時(shí)間失水量共同決定著保水劑的失水速率的快慢，保水劑單位時(shí)間的失水速度與其粒徑大小成反比。侯賢清等[16]發(fā)現(xiàn)保水劑粒徑>0.25 mm的團(tuán)聚體數(shù)量比不施保水劑處理有所提高，保水劑能提高地表以下0～100 cm厚度土層的含水量。

由于露天礦邊坡是采礦工程活動(dòng)中的特殊結(jié)構(gòu)物，保水劑應(yīng)用于露天礦土地復(fù)墾中，除了土地復(fù)墾率，還需考慮保水劑會(huì)對邊坡穩(wěn)定性造成影響。因此，針對保水復(fù)墾土壤材料進(jìn)行持水效果試驗(yàn)、EC值和pH值測試及直接剪切試驗(yàn)，探究其持水效果、理化性質(zhì)及抗剪特性規(guī)律，從而得到露天礦土地復(fù)墾中保水復(fù)墾土壤材料的最佳配比。

1 試驗(yàn)材料和方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)材料主要包括2大類，第1類是礦區(qū)原始地表土，第2類是保水材料。

1)試驗(yàn)材料主要組分，礦區(qū)原始地表土的主要組分：第四系殘坡積土，呈黃褐色，由砂土和黏土組成。保水材料的主要成分：高分子樹脂吸水材料。

2)試驗(yàn)材料的特點(diǎn)，礦區(qū)原始地表土主要以砂性土為主，含砂土粒較多且具有一定的黏性。壓實(shí)后水穩(wěn)性好，強(qiáng)度較高，毛細(xì)作用小。顆粒間黏聚力較小，性質(zhì)松散，主要由0.075～2.000 mm的顆粒所組成低塑性土。保水材料主要原料是聚丙烯酸鹽，是一種含有羧基、羥基梭等強(qiáng)親水性基團(tuán)并具有一定交聯(lián)度的水溶脹型高分子聚合物[17]，可以快速吸收百倍以上的水分，吸水后呈白色晶體顆粒，即使加壓也很難把水分離出來，其具有超強(qiáng)吸水性能，可吸收比自身重幾百到幾千倍的水，并且吸水速度快，一旦吸水之后很難把水分離出來，但是可以被植物根系從中汲取水分，因此，具有較好的保水效果和復(fù)墾價(jià)值。保水材料具有A款、B款、C款、D款4種類型，其保水材料基本參數(shù)，見表1。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了對比礦區(qū)原始地表土與保水材料混合后的持水效果、pH值、EC值及抗剪特性的差異性，將這4款保水材料分別和礦區(qū)原始地表土按一定比例進(jìn)行混合，采用控制變量法進(jìn)行試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析，具體的試驗(yàn)對比方案如下：

1)試驗(yàn)1：保水材料的吸水特性試驗(yàn)：采用電子天平稱取4款等質(zhì)量15 g的保水材料A、B、C和D款于不同目數(shù)的濾網(wǎng)中，將濾網(wǎng)置于烤盤中，每次采用裝有50 g蒸餾水的噴水壺進(jìn)行澆水，然后每次取出濾網(wǎng)靜置15 min后，稱取其質(zhì)量，待連續(xù)澆水其保水材料的質(zhì)量都不再改變時(shí)，停止?jié)菜?，然后?jì)算其各款保水材料吸水質(zhì)量。

2)試驗(yàn)2：保水復(fù)墾土壤材料(指礦區(qū)原始地表土與保水材料的混合物)的釋水特性試驗(yàn)。將保水復(fù)墾土壤材料的吸水特性試驗(yàn)中的飽和保水材料分別置于烤盤中，第1組放在常溫25 ℃條件下；第2組放置放入烘干箱內(nèi)，在110 ℃的恒溫下烘干，第1組和第2組試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，并每隔1 h采用電子天平進(jìn)行一次保水材料釋水質(zhì)量稱重，連續(xù)稱重8 h，記錄數(shù)據(jù)，比較分析保水材料的釋水效果；為了探究在礦山土地復(fù)墾實(shí)際應(yīng)用中保水材料的持水效果，第3組采用電子天平分別稱取等質(zhì)量500 g的4款飽和保水材料，第4組稱取等質(zhì)量500 g的4款飽和保水復(fù)墾土壤材料，第3組和第4組分別放入烘干箱內(nèi)，在110 ℃的恒溫下烘干，每隔1 h采用電子天平進(jìn)行一次保水材料釋水質(zhì)量稱重，連續(xù)稱重8 h，比較保水復(fù)墾土壤材料的釋水效果。

3)試驗(yàn)3：保水復(fù)墾土壤材料的EC值和pH值特性試驗(yàn)：為了探究不同保水材料與礦區(qū)原始表土配比是否會(huì)造成土地鹽堿化，對試驗(yàn)1和試驗(yàn)2得到的最佳保水材料，采用電子天平分別稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%、0.33%、0.50%、1.00%的最佳保水材料分別與礦區(qū)表土混合(保水復(fù)墾土壤材料總質(zhì)量為100 g)，并放在燒杯中，將其加水至飽和，放置在常溫25 ℃條件下，每隔12 h分別進(jìn)行1次pH值和EC值測試，連續(xù)測試96 h，試驗(yàn)中采用數(shù)顯土壤EC計(jì)、pH計(jì)測量其EC值和pH值。

4)試驗(yàn)4：保水復(fù)墾土壤材料的抗剪特性試驗(yàn)。取試驗(yàn)3中的4種配比的保水復(fù)墾土壤材料做成環(huán)刀標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行固結(jié)排水-直接剪切試驗(yàn)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制出抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線，進(jìn)而得到不同配比保水復(fù)墾土壤材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角，固結(jié)排水-直接剪切試驗(yàn)采取ZJ應(yīng)變控制式直剪儀(4聯(lián)剪)，剪切進(jìn)度為0.2 mm/min，垂直載荷分級(jí)為100、200、300、400 kPa，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 ZJ應(yīng)變控制式直剪儀Fig. 1 ZJ strain controlled direct shear instrument

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 保水復(fù)墾土壤材料的持水特性

1)保水材料的吸水特性。通過試驗(yàn)1得到保水材料與加水次數(shù)、吸水質(zhì)量的3維柱狀關(guān)系，如圖2所示。隨著加水次數(shù)的增加，保水材料的吸水質(zhì)量不斷增大，直至保水材料吸水飽和時(shí)，其質(zhì)量不再改變達(dá)到最大值，其吸水量由大到小依次為：B款、C款、A款、D款，其中A、C款保水材料的吸水質(zhì)量相差不大，而B款保水材料的吸水質(zhì)量達(dá)到1 089.86 g為4款材料中的最大值，D款保水材料的吸水質(zhì)量達(dá)到844.14 g為4款材料中的最小值，說明B款保水材料的持水效果較好。

圖2 保水材料與加水次數(shù)、吸水質(zhì)量的柱狀關(guān)系Fig. 2 Column relationship between water-retaining materials, water addition times and water absorption quality

2)保水復(fù)墾土壤材料的釋水特性。將試驗(yàn)2中第1組和第2組數(shù)據(jù)繪制得到常溫和烘干條件下的保水復(fù)墾土壤材料釋水特性曲線，如圖3所示。在常溫條件下，隨著常溫時(shí)間的增加，其保水材料的釋水量的大小順序?yàn)椋篈款>C款>B款>D款。在烘干條件下，隨著烘干時(shí)間的增加，其保水材料釋水量的大小順序?yàn)椋篊款>B款>D款>A款。在這2種條件下，每種保水復(fù)墾土壤材料的釋水速率差距不大，且釋水量大小差不多。

圖3 常溫條件下和烘干條件下的保水復(fù)墾土壤材料釋水曲線Fig. 3 Water release curve of reclaimed soil materials under normal temperature and drying conditions

為了探究在礦山土地復(fù)墾實(shí)際應(yīng)用中保水復(fù)墾土壤材料的持水效果，通過試驗(yàn)2中第3組和第4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制得到等質(zhì)量飽和保水材料在烘干條件下的釋水特性曲線、保水復(fù)墾土壤材料在烘干條件下的釋水特性曲線，如圖4、圖5所示。等質(zhì)量飽和保水材料隨著烘干時(shí)間的增加，釋水質(zhì)量不斷增加，4款保水材料的釋水速率基本保持一致且釋水質(zhì)量幾乎相同。保水復(fù)墾土壤材料隨著烘干時(shí)間的增加，釋水累計(jì)質(zhì)量不斷增加，A、C和D款保水復(fù)墾土壤材料的釋水曲線大致相同，且在烘干2 h時(shí)，釋水速率突然變大，可能是在烘干2 h時(shí)，礦區(qū)原始表土的透氣性好于保水材料，形成保水材料水分散失的良好通道。但是B款保水復(fù)墾土壤材料的釋水速率始終保持大體一致性，在烘干過程中并未出現(xiàn)明顯的釋水速率突變現(xiàn)象，這是由于B款保水材料吸水形成的白色晶體顆粒團(tuán)體的膠附性較好，同時(shí)也說明B款保水材料的持水效果明顯好于其他3款。

圖4 等質(zhì)量飽和保水材料在烘干條件下的釋水特性曲線Fig. 4 Water release characteristic curve of equal mass saturated water-retaining material under drying conditions

圖5 保水復(fù)墾土壤材料在烘干條件下的釋水特性曲線Fig. 5 Water release characteristic curve of water-retaining reclaimed soil material under drying conditions

2.2 保水復(fù)墾土壤材料的EC和pH特性

電導(dǎo)率(EC)是物體傳遞電流的能力，EC值和溶液中的總鹽濃度密切相關(guān)，EC值通常用于表示溶液中可溶性鹽的總濃度；而土壤中可溶性鹽是強(qiáng)電解質(zhì)，其溶解后的水溶液具有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力，同時(shí)在一定濃度范圍內(nèi)，EC值與溶液的含鹽量呈正相關(guān)，土壤浸出液EC的數(shù)值能反映土壤含鹽量的高低；通過測定土壤浸出液的EC值來確定土壤中可溶性鹽的含量，可以直接判別出土壤的鹽漬化程度及作物反應(yīng)[18]。

經(jīng)試驗(yàn)1和試驗(yàn)2分析得到B款保水材料的持水效果最好，即吸水質(zhì)量最大、釋水質(zhì)量最小。通過試驗(yàn)3對B款保水復(fù)墾土壤材料進(jìn)行EC值和pH值測試得到不同配比的保水復(fù)墾土壤材料的EC值曲線和pH值曲線，如圖6所示。從EC曲線看出，隨著測試時(shí)間的增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%和0.33%保水材料的EC值逐漸減小且低于0.2。而0.50%和1.00%的EC值總體呈現(xiàn)增大趨勢且在84 h時(shí)出現(xiàn)明顯的突變，96 h的EC值在0.8～1.6。由于EC值很低時(shí)，不足以維持植物的正常生長，根據(jù)歐美各國大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室的檢測中心給出的EC值在0.76～3.5適合大多數(shù)植物生長[19]，顯然質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%和1.00%的B款保水復(fù)墾土壤材料滿足這個(gè)條件。從pH曲線看出，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的B款保水材料的初始pH值都在5.3～6.0，隨著測試時(shí)間的增大，其pH值逐漸增大，且0.50%的pH值增大幅度較為緩和。不同含量的B款保水復(fù)墾土壤材料pH值在84 h后逐漸穩(wěn)定，值都在6.4～7.0，說明保水材料的pH值一定程度上受礦區(qū)原始表土的影響后趨于中性。

圖6 保水復(fù)墾土壤材料的EC曲線和pH曲線Fig.6 Electrical conductivity EC value curve and pH value curve of soil materials for water conservation and reclamation

3 保水復(fù)墾土壤材料的抗剪特性

土體的抗剪強(qiáng)度作為反映土壤力學(xué)特性的重要指標(biāo)，是保持露天煤礦邊坡穩(wěn)定性的重要方面?？辜籼匦栽綇?qiáng)，說明土壤穩(wěn)固性越好，能提高坡體的穩(wěn)定性，反之土壤穩(wěn)固性越差，邊坡容易失穩(wěn)[20]。通過測定不同含量B款的飽和保水復(fù)墾土壤材料試件的抗剪強(qiáng)度，可以得到抗剪強(qiáng)度和保水材料含量的關(guān)系，并能找到最佳含量與邊坡表面巖土的機(jī)械強(qiáng)度。在進(jìn)行試驗(yàn)4前，測試得到純飽和B款保水材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為1.04 kPa、8.53°，礦區(qū)原始表土的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為18.81 kPa、15.36°。

從圖7可以看出，在同一正應(yīng)力下，保水復(fù)墾土壤材料的抗剪強(qiáng)度隨著保水材料含量的增加出現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當(dāng)保水材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.33%～0.50%時(shí)，抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，峰值強(qiáng)度為132.00 kPa；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.50%時(shí)，抗剪強(qiáng)度下降趨勢加快；同一保水材料含量下的抗剪強(qiáng)度隨著正應(yīng)力的增加逐漸增加。從圖8可以看出，保水復(fù)墾土壤材料的黏聚力隨著保水材料含量的增大逐漸減小，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.50%時(shí)，黏聚力下降速度增大；內(nèi)摩擦角隨著保水材料含量的增大出現(xiàn)先增大后減小，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%時(shí)，內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值19.00°；質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.50%時(shí)，內(nèi)摩擦角急劇下降。綜合2個(gè)曲線圖可以得到，在黏聚力相差不大的情況下，保水材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%時(shí)的內(nèi)摩擦角比其他的都大，說明該含量的保水復(fù)墾土壤材料的抗剪特性較好。

圖7 保水材料的抗剪強(qiáng)度曲線Fig.7 Shear strength curve of water-retaining material

由于保水材料吸水膨脹，當(dāng)進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)時(shí)，其白色顆粒在礦區(qū)原始表土中起到潤滑作用，造成水分子在保水復(fù)墾土壤材料顆粒間形成完整水膜，削弱了微觀結(jié)構(gòu)間黏結(jié)力，使得破壞時(shí)需要克服的黏聚力減小，當(dāng)保水材料含量越高時(shí)，其保水復(fù)墾土壤材料整體含水率越大，水的物理狀態(tài)對保水復(fù)墾土壤材料的力學(xué)弱化作用顯著，內(nèi)摩擦角也減小。

圖8 保水復(fù)墾土壤材料的黏聚力、內(nèi)摩擦角與保水材料含量的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curve of cohesion, internal friction angle and content of water-retaining reclaimed soil materials

4 結(jié) 論

1)通過保水復(fù)墾土壤材料的持水效果試驗(yàn)得到，目數(shù)為60～100目(0.15～0.25 mm)的B款保水材料的持水效果較好；在常溫和烘干條件下，不同目數(shù)的保水材料釋水速率差距幾乎相同，釋水量大小差不多，且摻入B款保水材料的保水復(fù)墾土壤材料的持水效果明顯優(yōu)于其他的。

2)隨著測試時(shí)間的增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%和0.33%的保水復(fù)墾土壤材料的EC值逐漸減小且低于0.2，而0.50%和1.00%的EC值總體呈現(xiàn)增大趨勢且在84 h時(shí)出現(xiàn)明顯的突變，其pH值逐漸增大，且0.50%的pH值增大幅度較為緩和。

3)保水復(fù)墾土壤材料的抗剪強(qiáng)度隨著保水材料含量的增加出現(xiàn)先增加后減小的趨勢；而黏聚力隨著保水材料含量的增大逐漸減小，內(nèi)摩擦角隨著保水材料含量的增大出現(xiàn)先增大后減小，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.50%時(shí)，黏聚力下降速度增大，但內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值19.00°；綜合抗剪強(qiáng)度峰值和內(nèi)摩擦角變化情況，在黏聚力相差不大的情況下，保水材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%時(shí)的內(nèi)摩擦角比其他的都大，該含量的保水復(fù)墾土壤材料的抗剪特性較好。