程 偉，郭海橋，尚 志，牟守國，卞正富，雷少剛

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 國土資源研究所，江蘇 徐州 221116; 2.礦山生態(tài)修復(fù)教育部工程研究中心，江蘇 徐州 221116; 3.神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021500; 4.神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

煤矸石是煤炭開采過程中最主要的固體廢棄物，煤矸石的排矸量約為煤炭產(chǎn)量的10%～15%，露天堆放的煤矸石堆(山)為影響礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[1]。內(nèi)蒙古地區(qū)是我國主要的煤炭產(chǎn)區(qū)，礦區(qū)煤矸石排放量約為15 000萬t/a[2]。在國家土地復(fù)墾條例中明確規(guī)定礦區(qū)排矸(巖)場必須進行土地復(fù)墾和植被恢復(fù)。已有的實踐表明，表土資源稀缺是礦區(qū)生態(tài)復(fù)墾工程實施中面臨的主要問題之一?？衫玫谋硗临Y源是礦區(qū)土地復(fù)墾工程實施和植物定居的限制性條件之一。

內(nèi)蒙古蒙東礦區(qū)某露天煤礦煤矸石主要為炭質(zhì)頁巖，富含有機質(zhì)且污染物含量少，常具極薄層理，巖體裂隙多，易于風(fēng)化成土。研究表明，巖石在露天堆放過程中，易受物理、化學(xué)和生物因素的影響而逐漸風(fēng)化崩解[3-7]。巖石物理風(fēng)化崩解是成土作用的起始，影響巖石物理風(fēng)化崩解速率速度的因素主要有pH，溫度、水分、鹽分、物理應(yīng)力等，其中溫度、水分是影響風(fēng)化崩解速率最主要的因素。在酷寒地區(qū)，晝夜溫差大，巖石受到水分和凍融循環(huán)雙重影響[8-10]，其內(nèi)部孔隙水分發(fā)生凍結(jié)并膨脹，導(dǎo)致巖石內(nèi)部微裂縫發(fā)生形變并擴散，應(yīng)力作用改變了巖石層間結(jié)構(gòu)，促使巖石風(fēng)化崩解速率，并進一步風(fēng)化成土。因此，研究水分和凍融循環(huán)條件下煤矸石的風(fēng)化特性對分析酷寒礦區(qū)煤矸石風(fēng)化成土的過程和機理具有重要的意義，研究結(jié)果有助于拓展礦區(qū)土地復(fù)墾表土來源。

目前已有的研究主要集中在煤矸石風(fēng)化物的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)以及對環(huán)境的影響，而對煤矸石風(fēng)化崩解定量研究和風(fēng)化機理研究較少[11]，尤其是酷寒地區(qū)煤矸石風(fēng)化成土探索及影響因素研究較少[12-15]。筆者研究了水分改變和凍融循環(huán)處理對酷寒礦區(qū)煤矸石風(fēng)化崩解速率的影響，探討煤矸石風(fēng)化的機理，有助于解決酷寒地區(qū)礦山土地復(fù)墾表土短缺問題，為礦區(qū)土地復(fù)墾提供理論依據(jù)和實驗指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古煤炭資源豐富，預(yù)測總儲量達1.02萬億t，約占全國預(yù)測儲量的20%以上，是我國十分重要的接續(xù)區(qū)和戰(zhàn)略性能源儲備區(qū)，已被國家列為煤炭主產(chǎn)區(qū)之一。蒙東礦區(qū)是內(nèi)蒙古主要煤炭基地之一，探明儲量約1 086億t[16]。

蒙東礦區(qū)某大型露天煤礦為年產(chǎn)超過2 000萬t的大型煤礦，2011—2016年期間剝離量為3 533～9 365萬m3/a，礦井水排放量為153～538萬m3/a。研究區(qū)域?qū)俑珊?半干旱草原氣候，年溫差和晝夜溫差變化很大，夏季(6—8月)高溫炎熱，冬季(11—3月)氣候嚴(yán)寒，冰凍期約5個半月，最低氣溫普遍在-40.0 ℃以下，凍土最大深度1.3 m。本區(qū)域年平均降水量200～300 mm，年蒸發(fā)量1 400～1 900 mm，降水主要集中在6—8月，歷史最大暴雨量為39.7 mm，冬季降水(雪)稀少。區(qū)內(nèi)常年多西北風(fēng)，風(fēng)力一般4～5級，最大可達10級。露天煤礦內(nèi)無常年性地表水體，僅在融雪季節(jié)和夏季暴雨過后，在溝谷中可形成暫時性地表水流,夏季降雨形成的暫時性水流。

1.2 實驗方法

(1)樣品采集。實驗用未風(fēng)化煤矸石于2016年5月取自煤礦露天采坑，為避免環(huán)境因素對實驗的影響，新鮮未風(fēng)化煤矸石取自采煤工作面，樣品封存后立即運回實驗室進行研究。煤矸石為炭質(zhì)頁巖，很難切割成型，在實驗室內(nèi)盡量切割成5 cm3的立方體，樣品切割時盡量避開頁巖外表面，以保證每個試驗樣品由未風(fēng)化煤矸石切割成。實驗分3類14種處理(表1)，每個處理設(shè)置3 個平行樣，共有42 個樣品。

(2)煤矸石黏土礦物及化學(xué)成分的測定。煤矸石中黏土礦物的測定采用X 射線衍射法對粒徑小于2 mm 的黏土礦物進行測定[17],采用X射線熒光光譜儀對粒徑小于2 mm煤矸石的化學(xué)成分進行分析[18]。

(3)煤矸石密度、吸水性、含水率等參數(shù)按照國家《煤和巖石物理力學(xué)測定方法》(GB/T 23561)完成。

1.3 煤矸石風(fēng)化崩解速率實驗設(shè)計

本次試驗從水分及凍融循環(huán)對煤矸石風(fēng)化崩解速率影響為出發(fā)點來進行試驗設(shè)計，分別設(shè)置水分變化、凍融循環(huán)、水分+凍融循環(huán)等3種試驗方案(表1)。水分變化對煤矸石風(fēng)化的設(shè)置溫度為室溫(20 ℃)，水分變化梯度分別為飽和吸水量的15%、飽和吸水量的30%、飽和吸水量的50%，飽和吸水量4個梯度。飽和吸水量的15%、飽和吸水量的30%、飽和吸水量的50%采用表面浸水處理方式，飽和吸水量采用浸水飽和方式(GB/T 23561)。凍融循環(huán)參照凍融循環(huán)試驗的操作規(guī)程(SL264—2001)，以取樣地最低氣溫和查閱相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，分別設(shè)置-5，-20,-40，-60 ℃為冷凍溫度，20 ℃為融解溫度，40 ℃為保溫溫度進行凍融循環(huán)試驗(表1)。具體為煤矸石烘干樣在設(shè)定低溫溫度下凍結(jié)12 h，然后在20 ℃的環(huán)境中融解4 h，隨后在40 ℃條件下放置8 h，即每個凍融循環(huán)周期為24 h，反復(fù)循環(huán)。水分+凍融循環(huán)疊加條件同上，選擇煤矸石含水率為飽和吸水量的30%,50%和飽和吸水量3種梯度，溫度選擇-20 ℃和-60 ℃兩個梯度，每次循環(huán)開始時補足水分。每3 塊巖樣為1處理組，循環(huán)次數(shù)分別為0，5，10，30 次。各組干燥程度均以干燥后質(zhì)量不大于泡水/浸水前質(zhì)量為界，進行稱重。一般文獻中以風(fēng)化巖石顆粒直徑小于2 mm即為風(fēng)化成土，上述處理后每次稱重≤2 mm,2 mm≤D≤20 mm顆粒質(zhì)量，每次≤2 mm顆粒質(zhì)量增加量為風(fēng)化崩解速率量。每種處理分別進行了30次試驗循環(huán)。煤矸石的風(fēng)化崩解速率=第i次煤矸石的風(fēng)化崩解速率量/第1次頁巖崩解前質(zhì)量×100%，(i=1,5，…，30)。

表1 煤矸石風(fēng)化處理分組情況
Table 1 Categories of different treatments

實驗處理條件/℃水分處理飽和吸水量的15%飽和吸水量的30%飽和吸水量的50%飽和吸水量20 M1M2M3M4-5/40T1———-20/40T2MT1MT3MT5-40/40T3———-60/40T4MT2MT4MT6

2 結(jié) 果

2.1 煤矸石主要物理化學(xué)參數(shù)

從表2中的分析結(jié)果可知，某煤礦的矸石為高炭頁巖，礦物組分主要為黏土礦物(40%)和石英(60%)，其中黏土礦物主要包含伊利石、蒙脫石、高嶺石、綠泥石等，礦物結(jié)構(gòu)單元層之間鍵合力較弱，黏粒親水能力強，具有較強的吸水能力，水分子很容易進入到黏土礦物單元層中，并導(dǎo)致黏土礦物層間距離加大，引起礦物顆粒體積膨脹，加快風(fēng)化成土速度(表2)。從燒失量來看，煤矸石的腐殖組在14.68%左右，表明煤矸石由植物纖維組織形成的有機質(zhì)成分較多，風(fēng)化成土后營養(yǎng)組分豐富。從元素的化學(xué)組成來看，某煤礦煤矸石中SiO2含量為46.62%，Al2O3含量為20.72%，K2O含量為1.27%，MgO含量為0.397%，F(xiàn)e2O3含量為1.244%，P2O5含量為0.02%，組分分析表明，某煤礦煤矸石風(fēng)化成土后可以為復(fù)墾植物提供較多有機質(zhì)和營養(yǎng)元素(表3)。

表2 某礦煤矸石主要物理性質(zhì)
Table 2 Physical properties of the coal gangue

密度/(g·cm-3)含水量/%吸水量/%飽和吸水量/%飽和系數(shù)2.142.845.1513.110.39

表3 某礦煤矸石主要化學(xué)組分
Table 3 Chemical components of the coal gangue%

腐殖質(zhì)SiO2Al2O3K2OFe2O3TiO2MgOCaONa2OSO3P2O514.680 046.620 020.720 01.270 01.244 00.958 00.397 00.297 00.270 00.113 00.020 7

2.2 水分變化對煤矸石風(fēng)化的影響

由表4可以看出，恒溫條件下各組煤矸石風(fēng)化崩解速率隨水分增加而加大，各組間差異顯著(處理30循環(huán)后，組間P<0.05)，其中，“Mean”為3個平行樣風(fēng)化崩解速率的平均值;SD為標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation)的縮寫。從實驗5,10和30次循環(huán)的測試結(jié)果來看，飽和水分處理的煤矸石風(fēng)化崩解速率均高于其他各組，表明水分含量變化可在恒溫條件下影響煤矸石的風(fēng)化崩解速率。在恒溫條件下，矸石含水量增加有利于煤矸石風(fēng)化崩解速率。矸石層理分析表明，某煤矸石主要由頁巖組成，當(dāng)矸石水分較少時，風(fēng)化過程裂隙發(fā)育不完全，主要是表層矸石吸水膨潤后剝落，風(fēng)化崩解速率較慢。當(dāng)水分逐漸增加，尤其是水分飽和后，矸石內(nèi)部的黏土礦物大量吸水膨脹，頁巖裂隙發(fā)育加大，矸石表層剝落和內(nèi)部裂解速率同時進行，加速了煤矸石風(fēng)化崩解速率進程。

表4 水分變化對煤矸石風(fēng)化崩解速率的影響(20 ℃)
Table 4 Effect of constant moisture on rock decay rates of the sampled coal waster(20 ℃)

樣品編號含水量5次循環(huán)Mean/%SD10次循環(huán)Mean/%SD30次循環(huán)Mean/%SDM1飽和吸水量的15%0.120.040.310.021.580.14M2飽和吸水量的30%0.980.022.140.043.870.09M3飽和吸水量的50%1.350.042.280.065.070.08M4飽和吸水量1.630.052.340.077.710.17

2.3 凍融循環(huán)對煤矸石風(fēng)化的影響

由表5可以看出，恒定水分條件下凍融循環(huán)煤矸石風(fēng)化崩解速率最高為0.6%，遠小于其他各組煤矸石的風(fēng)化崩解速率，不同溫度處理組間差異不顯著(P>0.05)，P為統(tǒng)計學(xué)意義，即概率，反映某一事件發(fā)生的可能性大小。在煤矸石烘干水分條件下，凍融循環(huán)次數(shù)對煤矸石風(fēng)化崩解速率影響不大，5,10和30次循環(huán)后風(fēng)化崩解速率區(qū)別不大，組間無顯著性差異。由表4可知，在水分含量較少的情況下，凍融循環(huán)對煤矸石風(fēng)化崩解速率影響不大，煤矸石風(fēng)化崩解速率緩慢，這也和其他人的研究結(jié)果相吻合[19-20]。

2.4 水分+凍融循環(huán)對煤矸石風(fēng)化的影響

由表6結(jié)果可以看出，水分+凍融循環(huán)處理顯著改變煤矸石風(fēng)化崩解速率，加速煤矸石風(fēng)化成土。由表6還可以看出，在煤矸石含水量相同的情況下，低溫更有利于煤矸石風(fēng)化崩解。結(jié)果表明，經(jīng)過5,10和30次循環(huán)后，-60/40 ℃組風(fēng)化崩解速率高出-20/40 ℃組54.4%,31.84%,78.6%(30%的飽和吸水量)，102.1%,64.52%,82.18%(飽和吸水量的50%)和46.87%,19.65%和19.14%(飽和吸水量)。表5中結(jié)果同樣顯示，在處理溫度相同情況下，煤矸石含水率的增加更有利于其風(fēng)化崩解。如在30次循環(huán)結(jié)束時，-20/40 ℃，-60/40 ℃溫度處理下飽和吸水量煤矸石經(jīng)30次凍融循環(huán)后風(fēng)化崩解速率分別為其他組的4.50倍(30%的飽和吸水量)和1.92倍(50%的飽和吸水量),3.0倍(30%的飽和吸水量)和1.26倍(50%的飽和吸水量)。研究結(jié)果表明，經(jīng)過30次循環(huán)后，煤矸石風(fēng)化崩解速率達到34.12，表明≤2 mm的矸石含量達到34.12%，能夠滿足排土場復(fù)墾需要。結(jié)合研究區(qū)溫度變化情況和復(fù)墾工程實踐難度，在促進露天排巖場采用飽和吸水量的50%+-20/40 ℃處理條件以加速煤矸石風(fēng)化崩解的實施條件具有較強的實際操作性。

表5 凍融循環(huán)對煤矸石風(fēng)化崩解速率的影響
Table 5 Effect of freeze/thaw cycles on rock decay rates of the sampled coal waster

樣品編號溫度處理/℃5次循環(huán)Mean/%SD10次循環(huán)Mean/%SD30次循環(huán)Mean/%SDT1-5/40 0.260.010.310.040.420.05T2-20/400.250.050.310.020.530.04T3-40/400.220.030.380.040.510.03T4-60/400.240.020.460.030.600.05

表6 水分+凍融循環(huán)處理對煤矸石風(fēng)化崩解速率的影響
Table 6 Effect of constant moisture and freeze/thaw cycles on rock decay rates of the sampled coal waster

組號含水量溫度處理5次循環(huán)Mean/%SD10次循環(huán)Mean/%SD30次循環(huán)Mean/%SDMT1飽和吸水量的30%-20/40 ℃4.190.797.820.9314.562.11MT2-60/40 ℃6.471.0210.312.4126.012.92MT3飽和吸水量的50%-20/40 ℃6.740.5420.042.2134.123.54MT4-60/40 ℃13.151.5532.972.5362.163.12MT5飽和吸水量-20/40 ℃16.172.8642.243.0465.562.80MT6-60/40 ℃23.754.0250.542.1778.115.68

3 分析與討論

研究區(qū)地處酷寒區(qū)，表土層厚度僅20～30 cm,可利用種植的土壤資源稀少限制了礦區(qū)土地復(fù)墾的進程。分析及實驗結(jié)果表明，該礦區(qū)煤矸石是由黏土礦物等膠結(jié)而成的片層結(jié)構(gòu)，巖石成水平層理，巖性較為松軟，抗剪切能力差，成巖裂縫和風(fēng)化裂縫發(fā)育較好，在水分浸潤以及冷熱干濕交替作用下，物理風(fēng)化效果極為強烈，易于成土。對煤矸石化學(xué)分析表明其有機質(zhì)含量多，富含C,Mg,K，Ca,Fe等營養(yǎng)元素，促進煤矸石快速風(fēng)化成土，減少復(fù)墾過程中客土的使用，有利于增加露天采場的內(nèi)、外排巖場的復(fù)墾速度。

研究區(qū)晝夜溫差大，有利于煤矸石內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力而破碎。結(jié)合表2～5和圖1的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤矸石風(fēng)化崩解速率大小依次為水分+凍融循環(huán)>恒溫水分變化>凍融循環(huán)。單純變溫(凍融循環(huán))條件處理后的煤矸石風(fēng)化崩解速率最為緩慢，風(fēng)化行為表現(xiàn)出逐層剝落，風(fēng)化崩解速率慢。恒溫條件下，隨著煤矸石浸水程度的增加，煤矸石風(fēng)化由單純的表面逐層剝落過渡到表層剝落和內(nèi)部崩解并存且同時發(fā)生，其原因首先是黏土礦物吸水后膨脹，使得煤矸石內(nèi)部裂隙變寬變深后導(dǎo)致矸石裂解。其次煤矸石中礦物成分在水中發(fā)生溶解，溶解性的鹽進入到煤矸石孔隙中去，形成的鹽晶體在生長過程中對煤矸石內(nèi)部孔隙壁產(chǎn)生應(yīng)力，加速煤矸石風(fēng)化崩解。水分變化和凍融循環(huán)(變溫)聯(lián)合作用處理組的風(fēng)化崩解效果最為明顯，促使煤矸石風(fēng)化崩解速率的原因除了黏土礦物吸水膨脹外，還有冰晶的膨脹作用以及鹽晶體的物理應(yīng)力。水、鹽在低溫條件下析出結(jié)晶對矸石內(nèi)部縫隙造成不可逆的破壞，尤其在凍融循環(huán)條件下，大量冰(鹽)晶的結(jié)晶溶解交替進行，使得煤矸石內(nèi)部物理應(yīng)力作用不斷，內(nèi)部裂隙變寬加深，矸石的頁巖層理狀結(jié)構(gòu)使得其不斷崩解變成細小的碎屑，能夠很快的達到成土的效果(<2 mm)。表5和圖1實驗結(jié)果也反映了這一點，飽和吸水量和-60 ℃處理組煤矸石在10次循環(huán)后已經(jīng)沒有大于20 mm的巖石顆粒存在。-20 ℃+50%飽和吸水量處理條件下經(jīng)30次循環(huán)后同樣沒有大于20 mm的巖石顆粒存在?？紤]到現(xiàn)場實際情況，本研究推薦現(xiàn)場煤矸石風(fēng)化水分條件為飽和吸水量的50%，溫度在冬季僅依靠自然晝夜溫差即可達到要求，無需額外降溫。

圖1 不同試驗處理下煤矸石風(fēng)化崩解速率聚類分析的樹形Fig.1 Rock decay rates of the cluster analysis under different variation treatments

層次聚類分析是統(tǒng)計學(xué)中常用的一種方法，能夠?qū)⒁慌鷺颖緮?shù)據(jù)(變量)按照性質(zhì)上遠近關(guān)系進行分類。本研究運用層次聚類分析法對幾種環(huán)境因素對煤矸石風(fēng)化崩解速率結(jié)果進行比較，并給出樹狀圖(圖1)。煤矸石風(fēng)化崩解速率層次聚類分析結(jié)果表明本研究中煤矸石風(fēng)化崩解速率結(jié)果可分為兩大類，其中單獨水分、凍融循環(huán)處理為一類，水分和凍融循環(huán)疊加處理為另外一類。從聚類分析來看，影響分類主要因素為是否同時存在足夠的水分以及凍融循環(huán)，即引起煤矸石風(fēng)化崩解速率加速的因素為是否存在足夠的水分用以結(jié)晶。

總的看來，某煤礦煤矸石風(fēng)化崩解速率在于存在足夠的水分以及能否形成足夠的冰晶。在水分和溫度聯(lián)合處理情況時，飽和吸水量高于低含水量的處理組的風(fēng)化崩解速率(溫度變化相同)。在相同的水分條件下，凍融溫度溫差大的高于溫差小的處理組。單獨凍融和水分處理效果要遠低于水分、凍融疊加處理效果。

4 結(jié) 論

(1)單獨凍融循環(huán)處理條件下煤矸石風(fēng)化崩解速率緩慢，成土效果差。煤矸石含水量增加有利于其風(fēng)化崩解，高含水量處理組煤矸石風(fēng)化崩解速率高于低含水量處理組。水分-凍融循環(huán)疊加處理下煤矸石風(fēng)化崩解速率最快，能快速風(fēng)化成土。3種處理方式下煤矸石風(fēng)化崩解速率從大到小依次是:水分+凍融循環(huán)疊加處理>水分變化處理(恒溫)>凍融循環(huán)(恒濕)。

(2)聚類分析結(jié)果表明:14種處理下煤矸石風(fēng)化崩解速率效果分成2大類，2類間差異顯著，水分+凍融循環(huán)聯(lián)合作用對煤矸石的風(fēng)化效果要遠高于單獨作用效果。結(jié)合排巖場現(xiàn)場實際情況，本研究推薦現(xiàn)場水分條件為飽和吸水量的50%，最低溫度條件為-20 ℃以下即可。

某煤礦處于酷寒干旱-半干旱草原區(qū)域，地廣人稀，表土資源稀缺，礦山土地復(fù)墾表土來源少，難度大。在土地復(fù)墾實踐中，可利用其開采過程中排出的礦井水資源和當(dāng)?shù)貢円箿夭畲蟮臍夂驐l件，通過人工干預(yù)促使煤矸石快速成土的目的，能拓展酷寒礦區(qū)表土來源，加速礦山土地復(fù)墾效率。