容重及掺土比例对风化煤矸石渗透特性的影响

冯慧敏 王电龙 任慧君

（1山西农业大学林学院2中国地质科学院水文地质环境地质研究所3山西省水利建设开发中心4中煤科工集团北京华宇工程有限公司5中煤科技集团公司）

煤矸石是在煤炭开采、洗选加工过程中所产生的固体废物，目前全国各地矿区存量达45亿t[1]。由于煤矸石内含有大量重金属，加之结构性差，大孔隙多，渗透率较高[2]，保水、保肥能力极差，如果长期受到雨水的淋溶冲刷，极易对周围环境造成严重污染。为预防煤矸石造成环境污染，除排矸时采取层层碾压、掺土、覆土工艺外，矸石场闭库后进行平整、覆土，恢复农田或营造植被，是目前简便有效的复垦方式。因此，加强不同碾压容重及掺土比例下煤矸石渗透特性的研究，对于提高干旱半干旱地区矸石山绿化植被的存活率，乃至矿区的生态环境建设都具有十分重要的意义。

关于煤矸石的渗透特性，目前已有许多有意义的研究。胡振华等[3]认为，随着容重及掺土比例的增大，煤矸石垂直一维渗透速率呈幂函数减小趋势；在较小容重和掺土比例下，用通用经验公式和考斯加可夫经验公式表达煤矸石的入渗过程较为理想；在较大容重和掺土比例下，用通用经验公式与实测数据的拟合度表达最好。冯慧敏、胡振华等[4，5]，曾对风化煤矸石坡面的产流产沙特性进行了较为系统的研究。K.N.Potter[6]认为，煤矸石风化程度越高，入渗能力越低，且随着渗透时间的增加，其渗透速率呈负指数幂递减趋势。苏强平认为，矸石山普通草地初渗速率较高，而绿化矸石山稳渗速率较高。李德平等[7]研究了矸石山的水土流失规律，认为提高煤矸石的入渗速率可有效减少水土流失。

从以上已有的研究成果可以看出，目前有关煤矸石水力特性的研究，主要集中在一维入渗及坡面产流产沙方面，而对更接近野外实际入渗情景的二维渗透特性的研究鲜有报道。笔者采用室内模拟试验方法，对不同容重及掺土比例下，风化煤矸石的二维渗透特性进行了更加深入的研究探索，旨在为山西省乃至我国煤矿区的生态恢复与水土保持提供一定的技术支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

模拟试验材料取自古交市煤矿矸石山风化5年的煤矸石，分为两种：一种是纯煤矸石，容重分别为1.20 t/m3、1.25 t/m3和1.30 t/m3（用质量体积法测定）；另一种是掺土煤矸石，即煤矸石与黄土按体积为 1∶0.5、1∶1.0、1∶2.0 的比例掺混均匀，容重控制在 1.20 t/m3。煤矸石的颗粒组成为：粒径≤0.15 mm，比例为 15.82%；0.15－0.25 mm，比例为 3.23%；0.25－0.50 mm，比例为5.34%；0.5－1.0 mm，比例为11.02%；1.0－2.0 mm，比例为 7.42%；2.0－5.0 mm，比例为 38.32%；≥5.0 mm，比例为 18.77%。不同容重的试验材料，孔隙状况见表1。

表1 不同处理煤矸石孔隙状况

1.2 试验装置与材料处理

为了更好地观察入渗湿润峰动态，采用15ο扇柱体有机玻璃土槽进行不同容重及掺土比例风化煤矸石的渗透试验。土槽高度为50 cm，长度为35 cm，观测定流量供水条件下的土壤水分分布。试验装置的设计，主要参考了肖娟、雷廷武等[8－10]学者的试验研究成果。采用“茂菲氏”输液管系统作为试验供水系统，以保持试验流量的基本恒定。有机玻璃箱表面刻有以cm为单位的刻度线，方便读取湿润线坐标。

试验前，将试验材料自然风干至含水率基本一致。试验时，先按土槽截面计算好长为50 cm时土槽的体积，然后按照设计容重计算出土槽中应该填入的试验材料的质量，最后将相应质量的实验材料均匀分层填入试验土槽中，直到达到设计高度为止。掺土煤矸石首先按设计容重及配比，计算出各自应填入实验装置中的质量，然后将土和煤矸石充分混合均匀，分层填入试验槽。各试验处理所用材料质量见表2。

1.3 试验方法

试验于2013年9月份在山西农业大学水土保持研究所进行。首先，用秒表量筒法率定试验流量，本次试验选用的流量为0.5 L/h。试验开始后，分别在第 1 min、2 min、3 min、5 min、10 min、20 min、60 min、120 min和180 min，读取记录土槽两侧湿润线垂直及水平渗透最远点距离，作为垂直及水平最大湿润距离，取两侧测量结果的平均值作为试验最终数据。采用多人多点同时读数，尽量缩短记录时间。同时采用拍照复核及重复试验，以降低边界效应及试验误差。每组试验重复2次，试验结束后对数据进行整理。

表2 试验用不同处理煤矸石及土壤的质量

2 结果与分析

2.1 容重对渗透特性的影响

利用 SPSS（11.5）软件，对水平和垂直最大湿润距离与渗透时间进行相关分析表明：随着渗透时间的增加，水平和垂直最大湿润距离均以幂函数关系y（x）＝atb呈递增趋势。关系式相关参数见表3和4。以渗透时间为横坐标，水平与垂直最大湿润距离为纵坐标，建立相关关系如图 1（a）和（b）。

图1 不同容重下湿润距离动态变化

由图 1（a）可以看出：

（1）容重为1.30 t/m3纯煤矸石的水平最大湿润距离增大趋势线位于最上方，容重为1.25 t/m3纯煤矸石的趋势线位于中间，容重为1.20 t/m3纯煤矸石的趋势线位于最下方。说明容重越大，在相同渗透时间内的水平最大湿润距离越大，即平均渗透速率越大。

（2）从3种容重下纯煤矸石水平最大湿润距离增大的趋势线还可以看出，在试验初始阶段，趋势线斜率较大，随试验时间延长，趋势线斜率逐渐减小。结合表3、表4中各关系式的幂指数可以判断，容重越小趋势线斜率减小速率越大，容重越大趋势线斜率减小速率越小。说明在3种容重下纯煤矸石随着试验时间的延长，水平渗透速率均逐渐减小，且容重越小减小速度越快，容重越大减小速度越慢。

表3 不同容重下水平湿润距离拟合参数

表4 不同容重下垂直湿润距离拟合参数

（3）随着试验时间的延长，3种容重下的纯煤矸石水平最大湿润距离的差值越来越大。例如，在试验时间为5min时，容重为1.30 t/m3的纯煤矸石水平最大湿润距离是1.25 t/m3纯煤矸石的 1.04倍，是1.20 t/m3纯煤矸石的1.08倍；试验时间为 60 min时，容重为1.30 t/m3纯煤矸石的水平最大湿润距离是 1.25 t/m3纯煤矸石的 1.07 倍，是 1.20 t/m3纯煤矸石的1.68倍；试验时间为120 min时，容重为1.30 t/m3的纯煤矸石水平最大湿润距离是1.25 t/m3纯煤矸石的 1.18 倍，是 1.20t/m3纯煤矸石的 1.87 倍。

由垂直最大湿润距离增大趋势线图1（b）可以看出：3种容重煤矸石试验初始阶段的垂直渗透速率均较大，随着试验时间的延长，渗透速率均逐渐减小，与水平最大湿润距离情况类似。但是，随着容重的增大，相同渗透时间内垂直最大湿润距离（平均渗透速率）呈减小趋势，恰与水平最大湿润距离发展趋势相反。这是因为当煤矸石容重较小时，孔隙度较大，渗透速率也较大，模拟试验流速小于实际渗透速率，此时垂直方向渗透速率主要受重力势和基质势影响，而水平方向渗透速率主要受基质势影响。由达西定律可得水平方向和垂直方向的渗透速率公式（1）和公式（2）。

式中：Vh为垂直方向渗透速率，Kh为垂直方向渗透系数，Ψz为重力势，Ψm为基质势，Ψp为压力势，Vv为水平方向渗透速率，Kv为水平方向渗透系数。

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为重力势和基质势之和，而在水平方向上仅受到基质势作用，所以水分总是优先沿着垂直方向渗透。随着风化煤矸石容重的增大，孔隙度减小，渗透速率随之减小。当渗透速率减小到小于模拟试验流速时，在湿润面附近便逐渐有水分聚集形成饱和水带，水平方向渗透速率转变为由压力势控制（公式（4）），垂直方向渗透速率转变为由重力势和压力势控制（公式（3））。容重越大，相同时间内聚集的水量越多，压力势越大，当压力势增大程度足以抵消因渗透系数减小造成的渗透速率减小程度时，水平方向渗透速率便随容重增大而增大。而在垂直方向上，由于因渗透系数减小引起的渗透速率减小程度比水平方向上大KhΨz，造成压力势增大程度不足以抵消因渗透系数减小造成的渗透速率减小程度，因此垂直方向渗透速率随容重增大呈减小趋势。

2.2 掺土比例对渗透特性的影响

以渗透时间为横坐标，以3种煤矸石掺土比例下水平与垂直最大湿润距离为纵坐标建立相关关系，如图 2（a）和（b）。

由图2可以看出，随着渗透时间的延长，水平与垂直最大湿润距离均迅速增大，但是从趋势线的斜率可以看出，增大速度呈减小趋势。例如，在掺土比例 V煤∶V土（1.0∶1.0）情况下，1－10 min 水平方向平均渗透速率为 1.56 cm/min，10－60 min 平均渗透速率为 0.17 cm/min，60－120 min 平均渗透速率为0.10 cm/min；在掺土比例 V煤∶V土（1.0∶2.0）情况下，1－10 min内垂直方向的平均渗透速率为0.72 cm/min，10－60 min 平均渗透速率为 0.16 cm/min，60－120 min平均渗透速率为 0.10 cm/min。利用 SPSS（11.5）软件对水平和垂直湿润最大距离与渗透时间进行相关分析得出，随着渗透时间的延长，水平与垂直湿润最大距离均以幂函数关系y（x）＝atb呈递增趋势。关系式相关参数见表5和表6。

由图2还可以看出：3种不同掺土比例的煤矸石，在相同时间内的水平与垂直最大湿润距离（平均渗透速率）相差不大，这可能是因为在较小掺土比例（V煤∶V土（1.0∶1.0））情况下，土壤颗粒已将煤矸石大孔隙（17.45%）全部填满，再继续增大掺土比例，对渗透速率的影响程度相对减小之故。但较同容重下，纯煤矸石的水平最大湿润距离有较大幅度的增大，而垂直最大湿润距离则有所减小，说明煤矸石掺土后更有利于水平方向的渗透。

图2 不同掺土比例下湿润距离动态变化

表5 不同掺土比例下水平湿润距离拟合参数

表6 不同掺土比例下垂直湿润距离拟合参数

3 结论

试验表明，容重对风化煤矸石的渗透特性影响显著，随着煤矸石容重的增大，相同时间内水平方向最大湿润距离呈增大趋势，垂直方向最大湿润距离呈减小趋势。不同容重风化煤矸石水平与垂直方向的最大湿润距离，随渗透时间的延长呈幂函数递增关系，平均渗透速率随时间延长呈减小趋势，且容重越大减小速率越快；不同掺土比例风化煤矸石水平与垂直方向的最大湿润距离，随渗透时间的延长亦呈幂函数递增关系，平均渗透速率随时间的延长呈减小趋势，相同时间内相差不大，但与同容重的纯煤矸石相比，水平方向湿润距离有所增大。

碾压容重与掺土比例，是矸石场排放过程中的重要指标，选择合适的碾压容重和掺土比例，使其既能在土壤表层保持适当水分，促进植被根系生长，又能防止因碾压容重过大或掺土比例过高，在下部形成不透水层，致使土壤表层水分过多，形成滑动体，造成滑坡等地质灾害。研究成果为矸石场的矸石堆放与闭库后的生态恢复重建提供了一定的理论基础。

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