水分和冻融循环对酷寒矿区煤矸石风化崩解速率影响的定量研究

程 伟，郭海桥，尚 志，牟守国，卞正富，雷少刚

(1.中国矿业大学 国土资源研究所，江苏 徐州 221116; 2.矿山生态修复教育部工程研究中心，江苏 徐州 221116; 3.神华宝日希勒能源有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021500; 4.神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000)

煤矸石是煤炭开采过程中最主要的固体废弃物，煤矸石的排矸量约为煤炭产量的10%～15%，露天堆放的煤矸石堆(山)为影响矿区生态环境和可持续发展的主要因素之一[1]。内蒙古地区是我国主要的煤炭产区，矿区煤矸石排放量约为15 000万t/a[2]。在国家土地复垦条例中明确规定矿区排矸(岩)场必须进行土地复垦和植被恢复。已有的实践表明，表土资源稀缺是矿区生态复垦工程实施中面临的主要问题之一。可利用的表土资源是矿区土地复垦工程实施和植物定居的限制性条件之一。

内蒙古蒙东矿区某露天煤矿煤矸石主要为炭质页岩，富含有机质且污染物含量少，常具极薄层理，岩体裂隙多，易于风化成土。研究表明，岩石在露天堆放过程中，易受物理、化学和生物因素的影响而逐渐风化崩解[3-7]。岩石物理风化崩解是成土作用的起始，影响岩石物理风化崩解速率速度的因素主要有pH，温度、水分、盐分、物理应力等，其中温度、水分是影响风化崩解速率最主要的因素。在酷寒地区，昼夜温差大，岩石受到水分和冻融循环双重影响[8-10]，其内部孔隙水分发生冻结并膨胀，导致岩石内部微裂缝发生形变并扩散，应力作用改变了岩石层间结构，促使岩石风化崩解速率，并进一步风化成土。因此，研究水分和冻融循环条件下煤矸石的风化特性对分析酷寒矿区煤矸石风化成土的过程和机理具有重要的意义，研究结果有助于拓展矿区土地复垦表土来源。

目前已有的研究主要集中在煤矸石风化物的物理、化学、生物性质以及对环境的影响，而对煤矸石风化崩解定量研究和风化机理研究较少[11]，尤其是酷寒地区煤矸石风化成土探索及影响因素研究较少[12-15]。笔者研究了水分改变和冻融循环处理对酷寒矿区煤矸石风化崩解速率的影响，探讨煤矸石风化的机理，有助于解决酷寒地区矿山土地复垦表土短缺问题，为矿区土地复垦提供理论依据和实验指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古煤炭资源丰富，预测总储量达1.02万亿t，约占全国预测储量的20%以上，是我国十分重要的接续区和战略性能源储备区，已被国家列为煤炭主产区之一。蒙东矿区是内蒙古主要煤炭基地之一，探明储量约1 086亿t[16]。

蒙东矿区某大型露天煤矿为年产超过2 000万t的大型煤矿，2011—2016年期间剥离量为3 533～9 365万m3/a，矿井水排放量为153～538万m3/a。研究区域属干旱-半干旱草原气候，年温差和昼夜温差变化很大，夏季(6—8月)高温炎热，冬季(11—3月)气候严寒，冰冻期约5个半月，最低气温普遍在-40.0 ℃以下，冻土最大深度1.3 m。本区域年平均降水量200～300 mm，年蒸发量1 400～1 900 mm，降水主要集中在6—8月，历史最大暴雨量为39.7 mm，冬季降水(雪)稀少。区内常年多西北风，风力一般4～5级，最大可达10级。露天煤矿内无常年性地表水体，仅在融雪季节和夏季暴雨过后，在沟谷中可形成暂时性地表水流,夏季降雨形成的暂时性水流。

1.2 实验方法

(1)样品采集。实验用未风化煤矸石于2016年5月取自煤矿露天采坑，为避免环境因素对实验的影响，新鲜未风化煤矸石取自采煤工作面，样品封存后立即运回实验室进行研究。煤矸石为炭质页岩，很难切割成型，在实验室内尽量切割成5 cm3的立方体，样品切割时尽量避开页岩外表面，以保证每个试验样品由未风化煤矸石切割成。实验分3类14种处理(表1)，每个处理设置3 个平行样，共有42 个样品。

(2)煤矸石黏土矿物及化学成分的测定。煤矸石中黏土矿物的测定采用X 射线衍射法对粒径小于2 mm 的黏土矿物进行测定[17],采用X射线荧光光谱仪对粒径小于2 mm煤矸石的化学成分进行分析[18]。

(3)煤矸石密度、吸水性、含水率等参数按照国家《煤和岩石物理力学测定方法》(GB/T 23561)完成。

1.3 煤矸石风化崩解速率实验设计

本次试验从水分及冻融循环对煤矸石风化崩解速率影响为出发点来进行试验设计，分别设置水分变化、冻融循环、水分+冻融循环等3种试验方案(表1)。水分变化对煤矸石风化的设置温度为室温(20 ℃)，水分变化梯度分别为饱和吸水量的15%、饱和吸水量的30%、饱和吸水量的50%，饱和吸水量4个梯度。饱和吸水量的15%、饱和吸水量的30%、饱和吸水量的50%采用表面浸水处理方式，饱和吸水量采用浸水饱和方式(GB/T 23561)。冻融循环参照冻融循环试验的操作规程(SL264—2001)，以取样地最低气温和查阅相关文献的基础上，分别设置-5，-20,-40，-60 ℃为冷冻温度，20 ℃为融解温度，40 ℃为保温温度进行冻融循环试验(表1)。具体为煤矸石烘干样在设定低温温度下冻结12 h，然后在20 ℃的环境中融解4 h，随后在40 ℃条件下放置8 h，即每个冻融循环周期为24 h，反复循环。水分+冻融循环叠加条件同上，选择煤矸石含水率为饱和吸水量的30%,50%和饱和吸水量3种梯度，温度选择-20 ℃和-60 ℃两个梯度，每次循环开始时补足水分。每3 块岩样为1处理组，循环次数分别为0，5，10，30 次。各组干燥程度均以干燥后质量不大于泡水/浸水前质量为界，进行称重。一般文献中以风化岩石颗粒直径小于2 mm即为风化成土，上述处理后每次称重≤2 mm,2 mm≤D≤20 mm颗粒质量，每次≤2 mm颗粒质量增加量为风化崩解速率量。每种处理分别进行了30次试验循环。煤矸石的风化崩解速率=第i次煤矸石的风化崩解速率量/第1次页岩崩解前质量×100%，(i=1,5，…，30)。

表1 煤矸石风化处理分组情况
Table 1 Categories of different treatments

实验处理条件/℃水分处理饱和吸水量的15%饱和吸水量的30%饱和吸水量的50%饱和吸水量20 M1M2M3M4-5/40T1———-20/40T2MT1MT3MT5-40/40T3———-60/40T4MT2MT4MT6

2 结 果

2.1 煤矸石主要物理化学参数

从表2中的分析结果可知，某煤矿的矸石为高炭页岩，矿物组分主要为黏土矿物(40%)和石英(60%)，其中黏土矿物主要包含伊利石、蒙脱石、高岭石、绿泥石等，矿物结构单元层之间键合力较弱，黏粒亲水能力强，具有较强的吸水能力，水分子很容易进入到黏土矿物单元层中，并导致黏土矿物层间距离加大，引起矿物颗粒体积膨胀，加快风化成土速度(表2)。从烧失量来看，煤矸石的腐殖组在14.68%左右，表明煤矸石由植物纤维组织形成的有机质成分较多，风化成土后营养组分丰富。从元素的化学组成来看，某煤矿煤矸石中SiO2含量为46.62%，Al2O3含量为20.72%，K2O含量为1.27%，MgO含量为0.397%，Fe2O3含量为1.244%，P2O5含量为0.02%，组分分析表明，某煤矿煤矸石风化成土后可以为复垦植物提供较多有机质和营养元素(表3)。

表2 某矿煤矸石主要物理性质
Table 2 Physical properties of the coal gangue

密度/(g·cm-3)含水量/%吸水量/%饱和吸水量/%饱和系数2.142.845.1513.110.39

表3 某矿煤矸石主要化学组分
Table 3 Chemical components of the coal gangue%

腐殖质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 水分变化对煤矸石风化的影响

由表4可以看出，恒温条件下各组煤矸石风化崩解速率随水分增加而加大，各组间差异显著(处理30循环后，组间P<0.05)，其中，“Mean”为3个平行样风化崩解速率的平均值;SD为标准差(Standard Deviation)的缩写。从实验5,10和30次循环的测试结果来看，饱和水分处理的煤矸石风化崩解速率均高于其他各组，表明水分含量变化可在恒温条件下影响煤矸石的风化崩解速率。在恒温条件下，矸石含水量增加有利于煤矸石风化崩解速率。矸石层理分析表明，某煤矸石主要由页岩组成，当矸石水分较少时，风化过程裂隙发育不完全，主要是表层矸石吸水膨润后剥落，风化崩解速率较慢。当水分逐渐增加，尤其是水分饱和后，矸石内部的黏土矿物大量吸水膨胀，页岩裂隙发育加大，矸石表层剥落和内部裂解速率同时进行，加速了煤矸石风化崩解速率进程。

表4 水分变化对煤矸石风化崩解速率的影响(20 ℃)
Table 4 Effect of constant moisture on rock decay rates of the sampled coal waster(20 ℃)

样品编号含水量5次循环Mean/%SD10次循环Mean/%SD30次循环Mean/%SDM1饱和吸水量的15%0.120.040.310.021.580.14M2饱和吸水量的30%0.980.022.140.043.870.09M3饱和吸水量的50%1.350.042.280.065.070.08M4饱和吸水量1.630.052.340.077.710.17

2.3 冻融循环对煤矸石风化的影响

由表5可以看出，恒定水分条件下冻融循环煤矸石风化崩解速率最高为0.6%，远小于其他各组煤矸石的风化崩解速率，不同温度处理组间差异不显著(P>0.05)，P为统计学意义，即概率，反映某一事件发生的可能性大小。在煤矸石烘干水分条件下，冻融循环次数对煤矸石风化崩解速率影响不大，5,10和30次循环后风化崩解速率区别不大，组间无显著性差异。由表4可知，在水分含量较少的情况下，冻融循环对煤矸石风化崩解速率影响不大，煤矸石风化崩解速率缓慢，这也和其他人的研究结果相吻合[19-20]。

2.4 水分+冻融循环对煤矸石风化的影响

由表6结果可以看出，水分+冻融循环处理显著改变煤矸石风化崩解速率，加速煤矸石风化成土。由表6还可以看出，在煤矸石含水量相同的情况下，低温更有利于煤矸石风化崩解。结果表明，经过5,10和30次循环后，-60/40 ℃组风化崩解速率高出-20/40 ℃组54.4%,31.84%,78.6%(30%的饱和吸水量)，102.1%,64.52%,82.18%(饱和吸水量的50%)和46.87%,19.65%和19.14%(饱和吸水量)。表5中结果同样显示，在处理温度相同情况下，煤矸石含水率的增加更有利于其风化崩解。如在30次循环结束时，-20/40 ℃，-60/40 ℃温度处理下饱和吸水量煤矸石经30次冻融循环后风化崩解速率分别为其他组的4.50倍(30%的饱和吸水量)和1.92倍(50%的饱和吸水量),3.0倍(30%的饱和吸水量)和1.26倍(50%的饱和吸水量)。研究结果表明，经过30次循环后，煤矸石风化崩解速率达到34.12，表明≤2 mm的矸石含量达到34.12%，能够满足排土场复垦需要。结合研究区温度变化情况和复垦工程实践难度，在促进露天排岩场采用饱和吸水量的50%+-20/40 ℃处理条件以加速煤矸石风化崩解的实施条件具有较强的实际操作性。

表5 冻融循环对煤矸石风化崩解速率的影响
Table 5 Effect of freeze/thaw cycles on rock decay rates of the sampled coal waster

样品编号温度处理/℃5次循环Mean/%SD10次循环Mean/%SD30次循环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+冻融循环处理对煤矸石风化崩解速率的影响
Table 6 Effect of constant moisture and freeze/thaw cycles on rock decay rates of the sampled coal waster

组号含水量温度处理5次循环Mean/%SD10次循环Mean/%SD30次循环Mean/%SDMT1饱和吸水量的30%-20/40 ℃4.190.797.820.9314.562.11MT2-60/40 ℃6.471.0210.312.4126.012.92MT3饱和吸水量的50%-20/40 ℃6.740.5420.042.2134.123.54MT4-60/40 ℃13.151.5532.972.5362.163.12MT5饱和吸水量-20/40 ℃16.172.8642.243.0465.562.80MT6-60/40 ℃23.754.0250.542.1778.115.68

3 分析与讨论

研究区地处酷寒区，表土层厚度仅20～30 cm,可利用种植的土壤资源稀少限制了矿区土地复垦的进程。分析及实验结果表明，该矿区煤矸石是由黏土矿物等胶结而成的片层结构，岩石成水平层理，岩性较为松软，抗剪切能力差，成岩裂缝和风化裂缝发育较好，在水分浸润以及冷热干湿交替作用下，物理风化效果极为强烈，易于成土。对煤矸石化学分析表明其有机质含量多，富含C,Mg,K，Ca,Fe等营养元素，促进煤矸石快速风化成土，减少复垦过程中客土的使用，有利于增加露天采场的内、外排岩场的复垦速度。

研究区昼夜温差大，有利于煤矸石内部发生应力而破碎。结合表2～5和图1的实验结果发现，煤矸石风化崩解速率大小依次为水分+冻融循环>恒温水分变化>冻融循环。单纯变温(冻融循环)条件处理后的煤矸石风化崩解速率最为缓慢，风化行为表现出逐层剥落，风化崩解速率慢。恒温条件下，随着煤矸石浸水程度的增加，煤矸石风化由单纯的表面逐层剥落过渡到表层剥落和内部崩解并存且同时发生，其原因首先是黏土矿物吸水后膨胀，使得煤矸石内部裂隙变宽变深后导致矸石裂解。其次煤矸石中矿物成分在水中发生溶解，溶解性的盐进入到煤矸石孔隙中去，形成的盐晶体在生长过程中对煤矸石内部孔隙壁产生应力，加速煤矸石风化崩解。水分变化和冻融循环(变温)联合作用处理组的风化崩解效果最为明显，促使煤矸石风化崩解速率的原因除了黏土矿物吸水膨胀外，还有冰晶的膨胀作用以及盐晶体的物理应力。水、盐在低温条件下析出结晶对矸石内部缝隙造成不可逆的破坏，尤其在冻融循环条件下，大量冰(盐)晶的结晶溶解交替进行，使得煤矸石内部物理应力作用不断，内部裂隙变宽加深，矸石的页岩层理状结构使得其不断崩解变成细小的碎屑，能够很快的达到成土的效果(<2 mm)。表5和图1实验结果也反映了这一点，饱和吸水量和-60 ℃处理组煤矸石在10次循环后已经没有大于20 mm的岩石颗粒存在。-20 ℃+50%饱和吸水量处理条件下经30次循环后同样没有大于20 mm的岩石颗粒存在。考虑到现场实际情况，本研究推荐现场煤矸石风化水分条件为饱和吸水量的50%，温度在冬季仅依靠自然昼夜温差即可达到要求，无需额外降温。

图1 不同试验处理下煤矸石风化崩解速率聚类分析的树形Fig.1 Rock decay rates of the cluster analysis under different variation treatments

层次聚类分析是统计学中常用的一种方法，能够将一批样本数据(变量)按照性质上远近关系进行分类。本研究运用层次聚类分析法对几种环境因素对煤矸石风化崩解速率结果进行比较，并给出树状图(图1)。煤矸石风化崩解速率层次聚类分析结果表明本研究中煤矸石风化崩解速率结果可分为两大类，其中单独水分、冻融循环处理为一类，水分和冻融循环叠加处理为另外一类。从聚类分析来看，影响分类主要因素为是否同时存在足够的水分以及冻融循环，即引起煤矸石风化崩解速率加速的因素为是否存在足够的水分用以结晶。

总的看来，某煤矿煤矸石风化崩解速率在于存在足够的水分以及能否形成足够的冰晶。在水分和温度联合处理情况时，饱和吸水量高于低含水量的处理组的风化崩解速率(温度变化相同)。在相同的水分条件下，冻融温度温差大的高于温差小的处理组。单独冻融和水分处理效果要远低于水分、冻融叠加处理效果。

4 结 论

(1)单独冻融循环处理条件下煤矸石风化崩解速率缓慢，成土效果差。煤矸石含水量增加有利于其风化崩解，高含水量处理组煤矸石风化崩解速率高于低含水量处理组。水分-冻融循环叠加处理下煤矸石风化崩解速率最快，能快速风化成土。3种处理方式下煤矸石风化崩解速率从大到小依次是:水分+冻融循环叠加处理>水分变化处理(恒温)>冻融循环(恒湿)。

(2)聚类分析结果表明:14种处理下煤矸石风化崩解速率效果分成2大类，2类间差异显著，水分+冻融循环联合作用对煤矸石的风化效果要远高于单独作用效果。结合排岩场现场实际情况，本研究推荐现场水分条件为饱和吸水量的50%，最低温度条件为-20 ℃以下即可。

某煤矿处于酷寒干旱-半干旱草原区域，地广人稀，表土资源稀缺，矿山土地复垦表土来源少，难度大。在土地复垦实践中，可利用其开采过程中排出的矿井水资源和当地昼夜温差大的气候条件，通过人工干预促使煤矸石快速成土的目的，能拓展酷寒矿区表土来源，加速矿山土地复垦效率。