露天矿保水材料持水效果及抗剪特性试验研究

陈 涛，舒继森，2，韩 流,2，钱 京

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

0 引 言

近年来，随着能源转型步伐加快，我国能源结构持续优化，但煤炭依然处于主体性地位。据统计，我国2019年煤炭消费量占能源消费总量的57.7%，原煤产量继续增加到27.33亿t[1]。由于煤炭资源的大规模开采和高强度的采矿作业，造成大面积地表挖损和采空塌陷区，植被退化和水土流失现象严重，破坏了原有的生态系统[2-3]。此外，我国北方矿区降雨量普遍较少(300～450 mm/a)，蒸发量较大，且降雨期比较集中，夏季降雨占到全年降雨量的50%～65%[4]，土壤的水分补给不足和保水性差使得矿区土壤复垦和生态修复难度增大，造成了矿区生态环境恶化加剧[5-7]。因此，矿区保水复垦工艺技术对解决我国生态脆弱、干旱地区的矿区生态修复和地表植被治理具有重要的生态价值和社会效益，直接关系到绿色矿山建设和生态文明建设的成败[8-9]。

近几年，保水材料应用于矿区保水复垦工艺技术得到越来越多的重视[10-11]。目前，保水剂配比的研究主要基于自然土壤条件，包括保水剂不同配比对不同植物种的生理特征影响研究，保水剂对土壤抗蚀等理化性质的研究等。张超英等[12]表明混施生物炭和保水剂能显著影响煤矸石基质的保水性能和入渗性能。董颖等[13]通过试验发现在矸土比为1∶1下施加质量分数为0.5%保水剂具有最佳的矸石基质保水效果。李景生等[14]通过保水剂混合沙吸水量试验表明混合率越大，其最大吸水量也越大，且受温度、盐成分和浓度的影响。张浣中[15]表明在温度恒定时，保水剂的吸水倍率与其单位时间失水量共同决定着保水剂的失水速率的快慢，保水剂单位时间的失水速度与其粒径大小成反比。侯贤清等[16]发现保水剂粒径>0.25 mm的团聚体数量比不施保水剂处理有所提高，保水剂能提高地表以下0～100 cm厚度土层的含水量。

由于露天矿边坡是采矿工程活动中的特殊结构物，保水剂应用于露天矿土地复垦中，除了土地复垦率，还需考虑保水剂会对边坡稳定性造成影响。因此，针对保水复垦土壤材料进行持水效果试验、EC值和pH值测试及直接剪切试验，探究其持水效果、理化性质及抗剪特性规律，从而得到露天矿土地复垦中保水复垦土壤材料的最佳配比。

1 试验材料和方案设计

1.1 试验材料及试验设备

试验材料主要包括2大类，第1类是矿区原始地表土，第2类是保水材料。

1)试验材料主要组分，矿区原始地表土的主要组分：第四系残坡积土，呈黄褐色，由砂土和黏土组成。保水材料的主要成分：高分子树脂吸水材料。

2)试验材料的特点，矿区原始地表土主要以砂性土为主，含砂土粒较多且具有一定的黏性。压实后水稳性好，强度较高，毛细作用小。颗粒间黏聚力较小，性质松散，主要由0.075～2.000 mm的颗粒所组成低塑性土。保水材料主要原料是聚丙烯酸盐，是一种含有羧基、羟基梭等强亲水性基团并具有一定交联度的水溶胀型高分子聚合物[17]，可以快速吸收百倍以上的水分，吸水后呈白色晶体颗粒，即使加压也很难把水分离出来，其具有超强吸水性能，可吸收比自身重几百到几千倍的水，并且吸水速度快，一旦吸水之后很难把水分离出来，但是可以被植物根系从中汲取水分，因此，具有较好的保水效果和复垦价值。保水材料具有A款、B款、C款、D款4种类型，其保水材料基本参数，见表1。

1.2 试验方案设计

为了对比矿区原始地表土与保水材料混合后的持水效果、pH值、EC值及抗剪特性的差异性，将这4款保水材料分别和矿区原始地表土按一定比例进行混合，采用控制变量法进行试验，并对试验数据对比分析，具体的试验对比方案如下：

1)试验1：保水材料的吸水特性试验：采用电子天平称取4款等质量15 g的保水材料A、B、C和D款于不同目数的滤网中，将滤网置于烤盘中，每次采用装有50 g蒸馏水的喷水壶进行浇水，然后每次取出滤网静置15 min后，称取其质量，待连续浇水其保水材料的质量都不再改变时，停止浇水，然后计算其各款保水材料吸水质量。

2)试验2：保水复垦土壤材料(指矿区原始地表土与保水材料的混合物)的释水特性试验。将保水复垦土壤材料的吸水特性试验中的饱和保水材料分别置于烤盘中，第1组放在常温25 ℃条件下；第2组放置放入烘干箱内，在110 ℃的恒温下烘干，第1组和第2组试验同时进行，并每隔1 h采用电子天平进行一次保水材料释水质量称重，连续称重8 h，记录数据，比较分析保水材料的释水效果；为了探究在矿山土地复垦实际应用中保水材料的持水效果，第3组采用电子天平分别称取等质量500 g的4款饱和保水材料，第4组称取等质量500 g的4款饱和保水复垦土壤材料，第3组和第4组分别放入烘干箱内，在110 ℃的恒温下烘干，每隔1 h采用电子天平进行一次保水材料释水质量称重，连续称重8 h，比较保水复垦土壤材料的释水效果。

3)试验3：保水复垦土壤材料的EC值和pH值特性试验：为了探究不同保水材料与矿区原始表土配比是否会造成土地盐碱化，对试验1和试验2得到的最佳保水材料，采用电子天平分别称取质量分数为0.10%、0.33%、0.50%、1.00%的最佳保水材料分别与矿区表土混合(保水复垦土壤材料总质量为100 g)，并放在烧杯中，将其加水至饱和，放置在常温25 ℃条件下，每隔12 h分别进行1次pH值和EC值测试，连续测试96 h，试验中采用数显土壤EC计、pH计测量其EC值和pH值。

4)试验4：保水复垦土壤材料的抗剪特性试验。取试验3中的4种配比的保水复垦土壤材料做成环刀标准试样，进行固结排水-直接剪切试验，对试验数据进行处理，绘制出抗剪强度与垂直压力的关系曲线，进而得到不同配比保水复垦土壤材料的黏聚力和内摩擦角，固结排水-直接剪切试验采取ZJ应变控制式直剪仪(4联剪)，剪切进度为0.2 mm/min，垂直载荷分级为100、200、300、400 kPa，试验设备如图1所示。

图1 ZJ应变控制式直剪仪Fig. 1 ZJ strain controlled direct shear instrument

2 试验结果与分析

2.1 保水复垦土壤材料的持水特性

1)保水材料的吸水特性。通过试验1得到保水材料与加水次数、吸水质量的3维柱状关系，如图2所示。随着加水次数的增加，保水材料的吸水质量不断增大，直至保水材料吸水饱和时，其质量不再改变达到最大值，其吸水量由大到小依次为：B款、C款、A款、D款，其中A、C款保水材料的吸水质量相差不大，而B款保水材料的吸水质量达到1 089.86 g为4款材料中的最大值，D款保水材料的吸水质量达到844.14 g为4款材料中的最小值，说明B款保水材料的持水效果较好。

图2 保水材料与加水次数、吸水质量的柱状关系Fig. 2 Column relationship between water-retaining materials, water addition times and water absorption quality

2)保水复垦土壤材料的释水特性。将试验2中第1组和第2组数据绘制得到常温和烘干条件下的保水复垦土壤材料释水特性曲线，如图3所示。在常温条件下，随着常温时间的增加，其保水材料的释水量的大小顺序为：A款>C款>B款>D款。在烘干条件下，随着烘干时间的增加，其保水材料释水量的大小顺序为：C款>B款>D款>A款。在这2种条件下，每种保水复垦土壤材料的释水速率差距不大，且释水量大小差不多。

图3 常温条件下和烘干条件下的保水复垦土壤材料释水曲线Fig. 3 Water release curve of reclaimed soil materials under normal temperature and drying conditions

为了探究在矿山土地复垦实际应用中保水复垦土壤材料的持水效果，通过试验2中第3组和第4组试验数据绘制得到等质量饱和保水材料在烘干条件下的释水特性曲线、保水复垦土壤材料在烘干条件下的释水特性曲线，如图4、图5所示。等质量饱和保水材料随着烘干时间的增加，释水质量不断增加，4款保水材料的释水速率基本保持一致且释水质量几乎相同。保水复垦土壤材料随着烘干时间的增加，释水累计质量不断增加，A、C和D款保水复垦土壤材料的释水曲线大致相同，且在烘干2 h时，释水速率突然变大，可能是在烘干2 h时，矿区原始表土的透气性好于保水材料，形成保水材料水分散失的良好通道。但是B款保水复垦土壤材料的释水速率始终保持大体一致性，在烘干过程中并未出现明显的释水速率突变现象，这是由于B款保水材料吸水形成的白色晶体颗粒团体的胶附性较好，同时也说明B款保水材料的持水效果明显好于其他3款。

图4 等质量饱和保水材料在烘干条件下的释水特性曲线Fig. 4 Water release characteristic curve of equal mass saturated water-retaining material under drying conditions

图5 保水复垦土壤材料在烘干条件下的释水特性曲线Fig. 5 Water release characteristic curve of water-retaining reclaimed soil material under drying conditions

2.2 保水复垦土壤材料的EC和pH特性

电导率(EC)是物体传递电流的能力，EC值和溶液中的总盐浓度密切相关，EC值通常用于表示溶液中可溶性盐的总浓度；而土壤中可溶性盐是强电解质，其溶解后的水溶液具有很强的导电能力，同时在一定浓度范围内，EC值与溶液的含盐量呈正相关，土壤浸出液EC的数值能反映土壤含盐量的高低；通过测定土壤浸出液的EC值来确定土壤中可溶性盐的含量，可以直接判别出土壤的盐渍化程度及作物反应[18]。

经试验1和试验2分析得到B款保水材料的持水效果最好，即吸水质量最大、释水质量最小。通过试验3对B款保水复垦土壤材料进行EC值和pH值测试得到不同配比的保水复垦土壤材料的EC值曲线和pH值曲线，如图6所示。从EC曲线看出，随着测试时间的增加，质量分数为0.1%和0.33%保水材料的EC值逐渐减小且低于0.2。而0.50%和1.00%的EC值总体呈现增大趋势且在84 h时出现明显的突变，96 h的EC值在0.8～1.6。由于EC值很低时，不足以维持植物的正常生长，根据欧美各国大学、研究机构的实验室的检测中心给出的EC值在0.76～3.5适合大多数植物生长[19]，显然质量分数为0.5%和1.00%的B款保水复垦土壤材料满足这个条件。从pH曲线看出，不同质量分数的B款保水材料的初始pH值都在5.3～6.0，随着测试时间的增大，其pH值逐渐增大，且0.50%的pH值增大幅度较为缓和。不同含量的B款保水复垦土壤材料pH值在84 h后逐渐稳定，值都在6.4～7.0，说明保水材料的pH值一定程度上受矿区原始表土的影响后趋于中性。

图6 保水复垦土壤材料的EC曲线和pH曲线Fig.6 Electrical conductivity EC value curve and pH value curve of soil materials for water conservation and reclamation

3 保水复垦土壤材料的抗剪特性

土体的抗剪强度作为反映土壤力学特性的重要指标，是保持露天煤矿边坡稳定性的重要方面。抗剪特性越强，说明土壤稳固性越好，能提高坡体的稳定性，反之土壤稳固性越差，边坡容易失稳[20]。通过测定不同含量B款的饱和保水复垦土壤材料试件的抗剪强度，可以得到抗剪强度和保水材料含量的关系，并能找到最佳含量与边坡表面岩土的机械强度。在进行试验4前，测试得到纯饱和B款保水材料的黏聚力和内摩擦角分别为1.04 kPa、8.53°，矿区原始表土的黏聚力和内摩擦角分别为18.81 kPa、15.36°。

从图7可以看出，在同一正应力下，保水复垦土壤材料的抗剪强度随着保水材料含量的增加出现先增加后减小的趋势；当保水材料质量分数在0.33%～0.50%时，抗剪强度出现峰值，峰值强度为132.00 kPa；当质量分数超过0.50%时，抗剪强度下降趋势加快；同一保水材料含量下的抗剪强度随着正应力的增加逐渐增加。从图8可以看出，保水复垦土壤材料的黏聚力随着保水材料含量的增大逐渐减小，当质量分数超过0.50%时，黏聚力下降速度增大；内摩擦角随着保水材料含量的增大出现先增大后减小，且质量分数为0.50%时，内摩擦角达到最大值19.00°；质量分数超过0.50%时，内摩擦角急剧下降。综合2个曲线图可以得到，在黏聚力相差不大的情况下，保水材料质量分数为0.50%时的内摩擦角比其他的都大，说明该含量的保水复垦土壤材料的抗剪特性较好。

图7 保水材料的抗剪强度曲线Fig.7 Shear strength curve of water-retaining material

由于保水材料吸水膨胀，当进行直接剪切试验时，其白色颗粒在矿区原始表土中起到润滑作用，造成水分子在保水复垦土壤材料颗粒间形成完整水膜，削弱了微观结构间黏结力，使得破坏时需要克服的黏聚力减小，当保水材料含量越高时，其保水复垦土壤材料整体含水率越大，水的物理状态对保水复垦土壤材料的力学弱化作用显著，内摩擦角也减小。

图8 保水复垦土壤材料的黏聚力、内摩擦角与保水材料含量的关系曲线Fig.8 Relationship curve of cohesion, internal friction angle and content of water-retaining reclaimed soil materials

4 结 论

1)通过保水复垦土壤材料的持水效果试验得到，目数为60～100目(0.15～0.25 mm)的B款保水材料的持水效果较好；在常温和烘干条件下，不同目数的保水材料释水速率差距几乎相同，释水量大小差不多，且掺入B款保水材料的保水复垦土壤材料的持水效果明显优于其他的。

2)随着测试时间的增加，质量分数为0.1%和0.33%的保水复垦土壤材料的EC值逐渐减小且低于0.2，而0.50%和1.00%的EC值总体呈现增大趋势且在84 h时出现明显的突变，其pH值逐渐增大，且0.50%的pH值增大幅度较为缓和。

3)保水复垦土壤材料的抗剪强度随着保水材料含量的增加出现先增加后减小的趋势；而黏聚力随着保水材料含量的增大逐渐减小，内摩擦角随着保水材料含量的增大出现先增大后减小，当质量分数超过0.50%时，黏聚力下降速度增大，但内摩擦角达到最大值19.00°；综合抗剪强度峰值和内摩擦角变化情况，在黏聚力相差不大的情况下，保水材料质量分数为0.50%时的内摩擦角比其他的都大，该含量的保水复垦土壤材料的抗剪特性较好。