露天煤矿剥离物不同配比表土替代材料的物理性质

杨 卓, 盛世博, 辛建宝, 刘 娜, 周国驰

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司, 辽宁 沈阳 110015)

中国露天煤矿产能逐年增加，露天煤矿开发对生态环境的破坏已成为当前面临的重要问题之一。露天煤矿开采对矿区土层结构破坏严重，形成的开挖面和堆垫面远大于原地表面积，导致诸多矿山在生态修复过程中表土匮乏[1]。同时矿山企业征地难度大，大量的剥离物占用土地资源，剥离物堆砌形成的松散结构易导致地质灾害，极大地限制了露天煤矿的开采。因此亟需研发适宜的剥离物综合利用方式解决露天矿缺失土壤和剥离物占用土地资源的问题[2]。以剥离物为基质的表土替代材料研发是解决以上问题的最佳途径。表土替代材料的物理性质是研究的基础条件，矿山剥离物多为生土且土壤质地较差，植物生根困难，因此对土壤容重和孔隙度的控制显得尤为重要。目前，露天煤矿多分布于干旱半干旱地区，当地植物生长对水分依赖程度很高，因此表土替代材料的持水性也是重要因素。近年来国内学者[3-7]对露天煤矿表土替代材料进行了深入研究，况欣宇[8]在东部草原表土稀缺区进行土壤重构试验，结果表明岩土剥离物的加入可以改良土壤的砂性，荣颖[9]在研究中表明表土替代材料的筛选和配制需综合考虑剥离物理化性质。有研究表明通过合理搭配剥离物可以改善物理性质[10-13]，通过挑选适宜的剥离物作为基质进行土壤重构，经过人工整理熟化后可以制备出物理性质良好且无毒害的替代材料[14-16]。研究虽然取得一些进展，但相关研究中添加的剥离物含量一般较少，同时对不同剥离物搭配比例对表土替代材料物理性质影响方面研究较少，实现剥离物综合利用的意义不大。基于以上研究成果，本研究筛选蒙东地区某表土稀缺的露天煤矿，探究不同剥离物搭配比例对土壤物理性质的影响，筛选适宜配比的表土替代材料，以期为露天矿表土替代材料研发及剥离物综合利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2019年6—12月在土壤实验室进行。露天矿剥离物取自蒙东地区某露天煤矿，采样时间为2019年4月，经筛选多处取土点后，最终选取5处取土点(分别命名为1—5号土，1—4号土位于采坑东帮，5号土位于采坑西帮)。1号土取土点高程874 m(下泥岩段)，2号土取土点高程914 m(上泥岩段)，3号土(底板土)取土点高程940 m，4号土(心土)取土点高程978 m，5号土(细砂)取土点高程982 m。选取土样送至北京市农林科学院植物营养与资源研究所测试，测试结果详见表1。

表1 剥离物养分测试结果

另外进行重金属镉、铬、镍、铅、砷、铜和锌等检测，检测结果均符合《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)》要求，检测结果详见表2。

表2 剥离物重金属检测结果 mg/kg

1.2 试验方法

1.2.1 盆栽试验方法 本试验利用露天矿剥离物制备表土替代材料，表土替代材料基于正交试验共设计16个水平，分别表示为1A-16A(具体配比见表3)，每个处理5个重复。将露天矿剥离物破碎，风干后过3 mm筛，各表土替代材料按试验设计配比要求称取，控制各处理总质量为1 kg，搅拌均匀置于外口径为15 cm硬质塑料盆中，控制土壤容重1.25 g/cm3，加300 ml去离子水造墒，室温下放置两周。披碱草种子经24 h恒温催芽后，均匀地播种于塑料盆中，播种深度为1～1.5 cm，每盆30粒。将盆栽置于组织培养架中，光照采用LED灯进行补充，控制室内恒定温度为25 ℃，视土壤墒情每7～10 d对所有处理进行灌溉，次灌水量控制为每盆150 ml。6个月后测定各项物理指标。

表3 试验样品16种配比投入比例情况 %

1.2.2 指标测定 本试验主要测定的物理指标包括总孔隙度、毛管孔隙度、土壤容重、田间持水量、土壤微团聚体(D10，D50，D90，跨度及微粒比表面积)。

土壤孔隙度及毛管孔隙度测定采用环刀法测定，土壤容重、田间持水量测定参照行标《土壤容重的测定(NY/T1121.4-2006)》和《土壤田间持水量的测定：环刀法(NY/T1121.22-2010)》测定，土壤微团聚体D10，D50，D90和比表面积测定采用Bettersize 2600激光粒度分布仪进行测定。

跨度(span)是衡量粒径区间分布的重要指标，其计算方式为：

(1)

式中：D10为颗粒累积分布为10%的粒径;D50为中值粒径,是颗粒累积分布为50%的粒径;D90为颗粒累积分布为90%的粒径。

1.3 数据分析方法

试验数据的相关性处理选用Excel进行处理。本试验研究选用灰色关联分析法对数据进行处理，灰色关联分析法是基于数据整体排列方式的几何相似性来判断数据间的关联程度，数据序列的相似程度高则几何相似度高，序列间关联度越大，反之则关联度越小。计算公式为：

(2)

式中：Δoi(k)为各比较数列xi曲线上的每一个点与参考数列x0曲线上的每一个点的绝对差值;xmin和xmax是比较序列和参考序列的绝对差值的最小值和最大值；ρ为分辨系数，本次分析取0.5。

2 结果与分析

2.1 表土替代材料物理性质特征分析

对16组处理总孔隙度、毛管孔隙度、容重、田间持水量、D10，D50，D90，跨度、比表面积等指标进行测定，各测定结果平均值详见表4。

表4 表土替代材料物理指标

为了判定各指标间联系，首先将各物理性质指标进行初值化，随后将各处理物理性质指标进行聚类分析，结果如图1所示。由图1可以看出，各物理性质间存在5级聚类的层级，第1级主要归纳了总孔隙度和毛管孔隙度，容重，跨度和D10，比表面积和田间持水量，D90和D50间存在类似关系，第2级主要归纳了容重和跨度及D10存在联系；第3级主要归纳了孔隙度与容重存在联系。其余两级关系逐渐微弱。可以从物理指标的特性看出，总孔隙度、毛管孔隙度、容重、田间持水量为宏观指标；跨度，D10，比表面积，D90和D50为土壤组成的微观指标。结合分析结果可以看出，跨度和D10是影响表土替代材料容重的重要因素，比表面积是影响表土替代材料田间持水量的重要因素。

图1 不同表土替代材料物理指标聚类热图

为了探究影响表土替代材料物理性质的主要因素，采用主成分分析法对各数据进行降维处理，处理结果公共因子总方差详见表5。前3个公共因子的特征值较高，累计贡献率达85.466%，表明提取的公共因子能够较好的描述表土替代材料物理性质，取成分1，成分2和成分3作为公共因子。

表5 公共因子解释的总方差

通过斜交旋转得到物理性质的主要因子旋转成分矩阵详见表6。对物理性质有影响的主要有3个主成分，第一主成分特征值为4.215，贡献率占46.831%，此主成分中荷载最大的因子为D90(0.955)，其次为D50(0.943)，再次为D10(0.914)。第二主成分特征值为2.368，贡献率占26.310%，此主成分中荷载最大的因子为田间持水量(0.886)，其次为比表面积(0.774)，第三主成分特征值为1.109，贡献率占12.325%，此主成分中荷载最大的因子为土壤容重(0.839)。从分析结果可知D90，D50，D10，田间持水量，比表面积和土壤容重可以表达该组数据85%以上的数据，说明选取这些因子可以代表本次数据85%以上的信息量，说明土壤总孔隙度和毛管孔隙度指标表达的信息量较小，其他指标仅田间持水量和土壤容重为宏观指标，因此本文选取田间持水量和土壤容重进行深入分析，以微观指标进行辅助分析，以期对表土替代材料制备过程中物理性质控制提供理论支持。

表6 旋转成分矩阵荷载系数

2.2 表土替代材料田间持水量的特征

测定各物理指标结果详见表4。田间持水量是土壤物理性质中一项的重要因素，它可以直接反应表土替代材料对水分的涵养能力。本文选取田间持水量为参考序列Y0，选取总孔隙度、毛管孔隙度、容重、D10，D50，D90，跨度、比表面积作为比较数列X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，进行灰色关联计算结果详见表7。由表7可以看出，比表面积与田间持水量的关联度最大，关联度为0.834；其次为总孔隙度，关联度为0.786。该结论与聚类分析结果一致，从分析结果可以看出，比表面积与持水能力息息相关，主要原因是颗粒比表面积越大，接纳水分子的能力越强，其涵养水源的能力越强。其次影响表土替代材料的持水量的重要指标是总孔隙度，其总孔隙度越大，表土替代材料单位时间可以容纳的水分越大，可以提供更多水分子与表土替代材料的接触机会，提升保水能力。

表7 物理指标对田间持水量的灰色关联分析结果

由表4可以看出，田间持水量最好的配比形式为5A和8A两组，其次持水性较好的配比为6A和7A两组处理。5A和8A的比表面积数值是较大的，二者的共同点是心土及细砂添加量(均为23.08%)最小。基于此原则反观心土及细砂添加量(均为53.85%)较多的1A和15A配比，其田间持水量较低。因此可以看出，心土及细砂的比例增高约30%，将导致表土替代材料持水能力下降22%。为了探究心土加入对表土替代材料持水能力削弱的原因，对所取剥离物进行X射线荧光光谱分析(XRF)，定性测试其元素组成，因为细砂主要由二氧化硅构成，所以未对其进行检测，检测结果详见表8。根据检测结果可以看出，组成剥离物的主要元素为硅元素、铝元素和铁元素，钠元素和镁元素4号土含量最高，差异最大的元素为钙元素和铁元素。4号土钙元素含量是1，2，3号土的3～4倍，铁元素是1，2，3号土的1/2～1/3。从成分分析结果可以看出，4号土为钙层土。根据以上的分析，心土的比例增高将导致表土替代材料持水能力下降，从成分分析结果可以看出，由于该露天矿心土钙化严重，主要是淋溶产生碳酸钙淀积。钙化较高的土壤多以粉末状形式存在，遇水迅速饱和结块，涵养水源能力较弱。由于试验选取的露天矿处于半干旱区，地形多以草原为主，土壤钙化属于常见规律，因此在配置表土替代材料过程中应控制钙化土的施放量，以提高表土替代材料持水能力。

表8 X射线荧光光谱分析测试结果 %

2.3 表土替代材料物容重的特征

对物理指标间关联性进行分析，选取容重为参考序列Y0，选取总孔隙度、毛管孔隙度、田间持水量、D10，D50，D90，跨度、比表面积作为比较数列X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，计算方法同上，计算结果详见表9。

表9 表土替代材料物理指标对容重的灰色关联分析

由表9可以看出，各影响因子关联度大于0.7的有4组，跨度与容重的关联度最大，为0.790；其次为毛管孔隙度，关联度为0.773；D10和总孔隙度对其关联度分别为0.743，0.711。土壤容重是衡量土壤性质的重要指标，就试验方法来看，土壤容重是计算单位体积内的质量，而孔隙度是计算体积比例，二者从两个角度反馈土壤紧实程度，因此其关联性较大。从微观角度看，根据测试结果D10一般为2 μm左右，小于2 μm的属于黏粒，黏粒对土壤容重影响较大，由于黏粒主要由原生矿物、次生矿物组成，其孔隙很小，吸附性强，极易形成密闭空间，因此黏粒越多土壤容重会越高。跨度是表土替代材料微粒径分布的重要指标，其与土壤容重关系最为密切，从微观角度来看，粒径跨度越大表明土壤粒径组越丰富，颗粒级配越合理，如果表土替代材料粒径均集中于黏粒，那么其结块程度极为严重，因此粒径跨度越大，土壤容重越趋于合理。基于关联性分析结果，选取与土壤容重关联性较大的孔隙度进行对比分析(如图2所示)，结果表明不同比例混合的表土替代材料容重和孔隙度差异明显，不同配比表土替代材料容重总体分布于1.31～1.52 g/cm3。

图2 表土替代材料孔隙度与容重的关系

根据柴华[17]的研究结果可以看出，我国土壤容重平均值的变化范围为0.93～1.41 g/cm3，中位值为1.32 g/cm3，初育土的平均容重及中值容重分别为1.39和1.40 g/cm3，因此1A，8A，9A，11A，12A，13A，14A等容重过大的配比不适合作为表土替代材料。有研究[18]表明，大部分土壤总孔隙度在40%～60%范围内，但土壤总孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占20%～40%时，土壤通气性、透水性和持水能力比较协调。因此本次研究孔隙度满足要求的处理仅为3A，5A和7A处理。3A处理为容重最趋近于土壤平均容重，其次为6A处理和7A处理，这3种配比接近于国内土壤容重的平均水平，为本试验容重较好的处理，综合容重和孔隙度数据可以看出，3A和7A处理为本次试验优质处理。

3 讨 论

3.1 表土替代材料田间持水量的影响因素

研究区位于干旱区，表土替代材料田间持水量是其能否应用于矿山复垦的重要因素，研究证明表土替代材料的持水能力主要与颗粒的比表面积大小有关系，王修康等[19]在平原区土壤持水量研究过程中发现，黏粒含量和比表面积是影响土壤持水量的重要因素，说明本试验配置的表土替代材料与平原区土壤水分特征存在相似性。因此可以通过添加适量比表面积大的颗粒物改善表土替代材料持水能力[20]。本研究发现可以通过降低钙层土和细砂的含量来增加表土替代材料田间持水量，彭海英等[21]在内蒙古草原土壤研究过程中发现，钙积层由于其黏重的特性可以对干旱区草原土壤水分涵养提供帮助，该结论与本试验研究结果存在矛盾，可能原因为钙层土其本身具有粘重的特性，在其含量较多时可以阻隔水分渗漏，但由于掺入比例较少(最高配比为33.33%)，均匀搅拌后，其黏重的特性在局部形成板结块，反而加剧了水分流失。

3.2 表土替代材料容重的影响因素

容重是表土替代材料物理性质的重要指标，本研究发现，D10，跨度和总孔隙度是影响表土替代材料土壤容重的3个重要因素，付标等在草地研究表明，随着容重增大，土壤孔隙度存在逐渐减小的趋势[22]，但从本试验结果来看，不同处理土壤容重值从初始的1.25 g/cm3均有增加，但不同处理存在容重和孔隙度同时大于另一处理的情况。出现这种情况的原因可能是土壤的容重(D)与孔隙度(P)存在换算关系〔P(%)=(1-D/ρ)×100〕，不同比例配置的表土替代材料比重(ρ)不同，因此对比表土替代材料间容重与孔隙度的变化规律没事实际意义，同时这也可能是导致表土替代材料容重与总孔隙度关联度并不高的原因。由于泥岩水稳性较差，遇水会发生崩解及软化[23-24]，因此在遇水后泥岩颗粒的软化重组导致表土替代材料最终容重增大，从而导致表土替代材料容重从初始控制的1.25 g/cm3变化为最终的容重值。

4 结 论

由主成分分析结果可知，影响表土替代材料物理性质的两个重要的宏观衡量指标分别为容重和田间持水量，由灰色关联分析结果可知D10和跨度是影响容重的重要微观因素，比表面积是影响田间持水量的重要微观因素。通过田间持水量数据可以得出，心土(钙层土)及细砂的比例增高30%，将导致表土替代材料持水能力下降22%。

3A(下泥岩段∶上泥岩段∶底板土∶心土∶沙=1∶1∶1∶1∶1)和7A(下泥岩段∶上泥岩段∶底板土∶心土∶沙=2∶1∶2∶2∶2)处理为本次试验容重最好的配比，5A(下泥岩段∶上泥岩段∶底板土∶心土∶沙=3∶3∶4∶1∶2) 和8A(下泥岩段∶上泥岩段∶底板土∶心土∶沙=4∶3∶3∶2∶1)处理为本次试验持水能力最好的配比。因为3A处理持水能力较差，8A处理容重较大，综合考量不同表土替代材料容重与田间持水量，所以5A和7A处理为本次试验最优表土替代材料配比。