馮慧敏 王電龍 任慧君

（1山西農業(yè)大學林學院2中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所3山西省水利建設開發(fā)中心4中煤科工集團北京華宇工程有限公司5中煤科技集團公司）

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45億t[1]。由于煤矸石內含有大量重金屬，加之結構性差，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，極易對周圍環(huán)境造成嚴重污染。為預防煤矸石造成環(huán)境污染，除排矸時采取層層碾壓、摻土、覆土工藝外，矸石場閉庫后進行平整、覆土，恢復農田或營造植被，是目前簡便有效的復墾方式。因此，加強不同碾壓容重及摻土比例下煤矸石滲透特性的研究，對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)境建設都具有十分重要的意義。

關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；在較小容重和摻土比例下，用通用經(jīng)驗公式和考斯加可夫經(jīng)驗公式表達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)驗公式與實測數(shù)據(jù)的擬合度表達最好。馮慧敏、胡振華等[4，5]，曾對風化煤矸石坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特性進行了較為系統(tǒng)的研究。K.N.Potter[6]認為，煤矸石風化程度越高，入滲能力越低，且隨著滲透時間的增加，其滲透速率呈負指數(shù)冪遞減趨勢。蘇強平認為，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，而對更接近野外實際入滲情景的二維滲透特性的研究鮮有報道。筆者采用室內模擬試驗方法，對不同容重及摻土比例下，風化煤矸石的二維滲透特性進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)恢復與水土保持提供一定的技術支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

模擬試驗材料取自古交市煤礦矸石山風化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（用質量體積法測定）；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 試驗裝置與材料處理

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

試驗前，將試驗材料自然風干至含水率基本一致。試驗時，先按土槽截面計算好長為50 cm時土槽的體積，然后按照設計容重計算出土槽中應該填入的試驗材料的質量，最后將相應質量的實驗材料均勻分層填入試驗土槽中，直到達到設計高度為止。摻土煤矸石首先按設計容重及配比，計算出各自應填入實驗裝置中的質量，然后將土和煤矸石充分混合均勻，分層填入試驗槽。各試驗處理所用材料質量見表2。

1.3 試驗方法

試驗于2013年9月份在山西農業(yè)大學水土保持研究所進行。首先，用秒表量筒法率定試驗流量，本次試驗選用的流量為0.5 L/h。試驗開始后，分別在第 1 min、2 min、3 min、5 min、10 min、20 min、60 min、120 min和180 min，讀取記錄土槽兩側濕潤線垂直及水平滲透最遠點距離，作為垂直及水平最大濕潤距離，取兩側測量結果的平均值作為試驗最終數(shù)據(jù)。采用多人多點同時讀數(shù)，盡量縮短記錄時間。同時采用拍照復核及重復試驗，以降低邊界效應及試驗誤差。每組試驗重復2次，試驗結束后對數(shù)據(jù)進行整理。

表2 試驗用不同處理煤矸石及土壤的質量

2 結果與分析

2.1 容重對滲透特性的影響

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

圖1 不同容重下濕潤距離動態(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線位于最上方，容重為1.25 t/m3純煤矸石的趨勢線位于中間，容重為1.20 t/m3純煤矸石的趨勢線位于最下方。說明容重越大，在相同滲透時間內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線還可以看出，在試驗初始階段，趨勢線斜率較大，隨試驗時間延長，趨勢線斜率逐漸減小。結合表3、表4中各關系式的冪指數(shù)可以判斷，容重越小趨勢線斜率減小速率越大，容重越大趨勢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時間的延長，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）隨著試驗時間的延長，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，在試驗時間為5min時，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；試驗時間為 60 min時，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；試驗時間為120 min時，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線圖1（b）可以看出：3種容重煤矸石試驗初始階段的垂直滲透速率均較大，隨著試驗時間的延長，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，相同滲透時間內垂直最大濕潤距離（平均滲透速率）呈減小趨勢，恰與水平最大濕潤距離發(fā)展趨勢相反。這是因為當煤矸石容重較小時，孔隙度較大，滲透速率也較大，模擬試驗流速小于實際滲透速率，此時垂直方向滲透速率主要受重力勢和基質勢影響，而水平方向滲透速率主要受基質勢影響。由達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，Ψm為基質勢，Ψp為壓力勢，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和基質勢之和，而在水平方向上僅受到基質勢作用，所以水分總是優(yōu)先沿著垂直方向滲透。隨著風化煤矸石容重的增大，孔隙度減小，滲透速率隨之減小。當滲透速率減小到小于模擬試驗流速時，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變?yōu)橛蓧毫菘刂疲ü剑?）），垂直方向滲透速率轉變?yōu)橛芍亓莺蛪毫菘刂疲ü剑?））。容重越大，相同時間內聚集的水量越多，壓力勢越大，當壓力勢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，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。

2.2 摻土比例對滲透特性的影響

以滲透時間為橫坐標，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建立相關關系，如圖 2（a）和（b）。

由圖2可以看出，隨著滲透時間的延長，水平與垂直最大濕潤距離均迅速增大，但是從趨勢線的斜率可以看出，增大速度呈減小趨勢。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）軟件對水平和垂直濕潤最大距離與滲透時間進行相關分析得出，隨著滲透時間的延長，水平與垂直濕潤最大距離均以冪函數(shù)關系y（x）＝atb呈遞增趨勢。關系式相關參數(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，在相同時間內的水平與垂直最大濕潤距離（平均滲透速率）相差不大，這可能是因為在較小摻土比例（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，對滲透速率的影響程度相對減小之故。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 結論

試驗表明，容重對風化煤矸石的滲透特性影響顯著，隨著煤矸石容重的增大，相同時間內水平方向最大濕潤距離呈增大趨勢，垂直方向最大濕潤距離呈減小趨勢。不同容重風化煤矸石水平與垂直方向的最大濕潤距離，隨滲透時間的延長呈冪函數(shù)遞增關系，平均滲透速率隨時間延長呈減小趨勢，且容重越大減小速率越快；不同摻土比例風化煤矸石水平與垂直方向的最大濕潤距離，隨滲透時間的延長亦呈冪函數(shù)遞增關系，平均滲透速率隨時間的延長呈減小趨勢，相同時間內相差不大，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，是矸石場排放過程中的重要指標，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水分，促進植被根系生長，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，形成滑動體，造成滑坡等地質災害。研究成果為矸石場的矸石堆放與閉庫后的生態(tài)恢復重建提供了一定的理論基礎。

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