阳泉矿区自燃煤矸石山绿化中覆盖层碾压效果试验

陈胜华， 胡振琪， 李美生， 张 勇， 邢 超

〔1.太原理工大学阳泉学院， 山西 阳泉 045000； 2.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所， 北京 100083； 3.山西阳泉煤业(集团)有限责任公司, 山西 阳泉 045000〕

自燃煤矸石山是煤矿区主要的污染源之一，对其进行综合治理一直是中国煤矿区土地复垦和生态环境修复的难点[1-2]。目前中国煤矸石堆存量大(据估计，全国历年堆放的煤矸石累计存量约4.5×109t，且每年以2×108t的速度递增)[2-4]，综合利用技术水平低(不超过30%)[3]，尚不可能如美国等发达国家那样，大量消耗煤矸石甚至彻底铲除[5-6]，基于此将煤矸石山作为废弃物污染场，对其实施封闭并绿化，是对煤矸石山进行综合环境治理的有效途径，也是煤矿区可持续发展的重要保障[4]。由于煤矸石山特殊的堆积形式及煤矸石的高含硫、含碳量，露天堆积的煤矸石山极易自燃[7-12]，从而给煤矸石山综合治理及生态修复带来许多限制因素和技术难题。

目前中国煤矸石山治理实践中自燃防治常用的办法是在煤矸石山表面构建覆盖层以改变煤矸石山的供氧蓄热条件，即选用土质惰性材料并经有效压实，使其密实度增大，孔隙比减小，空气阻隔性增强，以保障覆盖层具备一定的低渗透性能，从而有效阻隔空气，防止煤矸石山内部发生自燃[8-10]。覆盖材料的空气阻隔性与其压实程度有很大关系[13-19]，而中国在自燃煤矸石山覆土压实方面，实践较多，有针对性的理论及试验研究较少[1-2]。调研表明，煤矸石山有关覆土工程设计、压实方法及压实质量控制等，多是借用其他土建工程项目的经验与参数，在实践中凸显的问题有：压实工程的实施无针对性的施工标准，压实质量的控制无实用可行的指标，从而导致煤矸石山治理投入大、成效差。分析原因，煤矸石山有其特殊的地形条件和施工环境，例如坡面长、倾斜度大、机械施工条件差等，有效实施碾压难度较大，且覆土层直接摊铺于堆积疏松的煤矸石上，其基层刚性差，一定程度上影响碾压效果。因此，需要研究煤矸石山构建覆盖层相关的碾压方法及参数，如碾压遍数、铺土厚度及质量控制标准等，为煤矸石山综合治理实践提供科学的试验数据及参数设计思路。本研究在山西省阳泉市的自燃煤矸石山治理现场进行了黄土碾压试验。结合现场碾压条件，使用现场自制的煤矸石山压实工具，对不同铺土厚度的覆盖用黄土材料实施碾压，并测定紧实度和干密度以表征碾压效果，研究以压实度(85%)作为质量控制标准条件下合适的碾压遍数及铺土厚度，旨在为煤矸石山构建覆盖层提供碾压参数及工程设计方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料及工具

本碾压试验在煤矸石山治理现场进行，试验材料为料场代表性黄土，土料来自附近307复线施工现场。测定其界限含水率，塑性指数IP为13.7，属于粉质黏土[20]，天然含水率在14.5%～19.3%，平均16.9%，干密度在1.32～1.45 g/cm3。根据室内轻型击实试验结果[21]，该土样的最大干密度为1.82 g/cm3，最优含水率16.4 %。碾压工具为施工现场的压实工具。由于该项目需要在煤矸石山斜坡上进行碾压操作，而国内无专用的大坡面碾压机具，工程项目组自制一套设备，即用铁皮包裹混凝土构成碾磙(主要参数为：截面直径1.58 m，宽1.1 m，单位重量3 800 kg，总重约4 t)，由挖掘机牵引作业，依据平碾碾压法的压实原理，由碾磙的重力作用于土体达到压实目的。该碾压工具可在40°以下的坡面工作，牵引机构纵横行走自如，牵引速度调节非常方便。

1.2 试验设计

试验场地选在阳泉矿大垴梁煤矸石山治理现场，具体在山顶一处平台。将试验用黄土按松铺厚度20，40，60，80 cm分段连续摊铺，每段面积按3 m×6 m布置。人工铁锹分段整平后用煤矸石山现场自制碾压工具进行碾压(图1)，往返碾压共5 遍。每碾压一遍，即用土壤紧实度仪测量土层剖面的紧实度，另用环刀取3个平行样室内测定干密度。

图1 煤矸石山碾压试验

土壤紧实度又称土壤硬度，也叫穿透阻力，是指土壤对穿透、剪切作用的抵抗能力，是土壤机械组成、孔隙度、容重、含水状况等的综合表现，用力的大小来衡量(kPa)[22-23]。本试验选用美国芝加哥Spectrum技术公司生产的SC 900数字式土壤紧实度仪，以其末端穿透土壤时因土壤的抵抗能力而作用的阻力作为土壤紧实度，仪器的末端为锥形，可用于深层土壤的测定。紧实度测定在铺土每碾压一遍后进行，按照梅花状布点选择5个样点，每个测点从0开始，在土层剖面上由浅入深每隔2.5 cm为一个层次，即有0—2.5，2.5—5.0，5.0—7.5 cm等多个层次。

干密度的测定须在土层剖面分层取样。铺土厚度20，40 cm，均在剖面分上、下两层取样；铺土厚度为60 cm，在剖面分上、中、下3 层取样；铺土厚度80 cm，在剖面分上、中、下、底4 层取样。每层取样，需同时用环刀取两个代表性土样，以烘干法测定试样的含水率ω，当两个测值的差值小于1%时，取平均值。干密度反映土质材料的压实效果，密度越大，孔隙越小，土质材料也就越密实，说明压实效果越好，反之，压实效果就差一些[18]。在工程中，土的压实程度用压实度DC来表示(式1)，本试验用的黄土测得最大干密度为1.82 g/cm3：

(1)

本文依托课题，研究中基于煤矸石山坡面压实具有一定难度，不可能如路基工程类达到高的压实度(≥90%)[24]，故各种覆盖材料的空气阻隔性是在其压实度约85%的条件下测试的[17]，因此，试验以压实度85%作为压实质量控制标准，研究该压实目标条件下合理的碾压工程参数。

2 结果与讨论

试验通过测试不同厚度土层的紧实度和干密度，来衡量土层的压实效果。针对碾压遍数和铺土厚度对紧实度及干密度的影响分别分析如下。

2.1 碾压遍数对土层紧实度和干密度的影响

分析图2不同厚度土层碾压后紧实度变化。当铺土厚度为20 cm时，随着碾压遍数的增加，不同深度的紧实度都有增长的趋势，碾压3遍，土层不同深度的紧实度均超过2 000 kPa，碾压至5遍后，土层整体的紧实度较大，均超过2 500 kPa。

当铺土厚度为40 cm时，随着碾压遍数增加，不同土层深度的紧实度均有增加，且1～3遍的增长趋势较为明显，碾压3遍后，不同土层深度的紧实度从0～1 000 kPa升高到1 000～2 000 kPa，约增加1 倍，且变化比较均匀，碾压5 遍后，土层的紧实度有所增加但趋势不是很明显，在土层深度在12—20 cm处，增加碾压遍数，土层紧实度几乎与碾压3 遍时的紧实度相同，在2 000～2 500 kPa。当铺土厚度为60 cm时，随着碾压遍数的增加，浅部土层(土层深度大约在20—30 cm以内)的紧实度增加较快，碾压5遍后，达到了整体较大的水平，紧实度在2 000～2 500 kPa；而深度较大的土层(土层深度超过20—30 cm)，碾压遍数对紧实度的影响不是很明显，碾压2遍后，紧实度在1 000 kPa左右，碾压3遍、5遍后，不同深度土层的紧实度约在1 500 kPa左右。

当铺土厚度为80 cm时，随着碾压遍数的增大，浅部土层(土层深度小于15—25 cm)的紧实度增加较快，碾压1 遍时浅部土层的紧实度在500～1 000 kPa，碾压5 遍后升高到2 000～2 500 kPa，较深土层(土层深度超过15—25 cm)的紧实度受碾压遍数的影响较小，碾压1 遍时在1 000～1 500 kPa，碾压5 遍后为2 000～2 500 kPa。

可以得出，碾压遍数的增加会增大土层的紧实度，且1～3遍时紧实度增大的趋势较大，而3遍以后紧实度有所增加，但不是很明显；浅部土层(土层深度小于15—25 cm)受碾压遍数的增加紧实度变化较大，而深部土层(土层深度超过15—25 cm)紧实度的变化受到碾压遍数影响较小。

分析图3不同厚度土层碾压后干密度的变化，铺土厚度为20 cm时，碾压第2 遍，上、下土层的干密度均到达较高值，约1.7～1.8 g/cm3。铺土厚度为40 cm时，上土层在碾压第3遍时干密度达到最大(约1.7 g/cm3)，下土层在碾压第2遍时达到最大(约1.6 g/cm3)，之后随着碾压遍数增加，干密度没有明显递增(第5 遍碾压后，上、下土层的干密度在1.6 g/cm3左右)，分析原因，应与土壤的含水率在碾压过程中发生变化有关。当铺土厚度为60 cm时，随着碾压遍数的增加，上、中部土层的干密度有逐渐增大的趋势(第1 遍碾压后，上、中部土层的干密度在1.2～1.3 g/cm3；碾压5 遍后，干密度增加到1.5 g/cm3左右)，而下部土层的干密度在第3遍碾压后，干密度不再有明显增加(第3 遍与第5 遍几乎持平)，这也说明，碾压遍数对下部土层的干密度影响较小。当铺土厚度为80 cm时，上、中、下土层在碾压2遍后达到较大值(平均干密度约为1.6 g/cm3)，而底部土层受碾压遍数的影响不是很明显。

图3 不同厚度土层碾压后干密度变化

碾压遍数对上、中部土层干密度的影响较大，对下、底部土层的干密度影响较小，表明该碾压条件下具有一定的作用深度。在碾压3遍后，上、中部土层的干密度达到较大值，分析原因，土层经碾压后干密度会发生变化，其大小不仅与碾压机具及碾压遍数有关，也受土壤含水率的影响。试验过程中，覆土表层含水率有所降低，改变了初始接近最优含水率的状态，因此，土层干密度不会随碾压遍数增加而持续上升，甚至下降。本试验过程模拟现场施工条件，反复碾压间隔时间符合现场实际。综合分析得出，当碾压遍数为1～3遍时，不同厚度土层的紧实度和干密度有较大的增加趋势，随着碾压遍数的增加，紧实度和干密度增加较小，且下部土层受碾压遍数的影响较小。

2.2 铺土厚度对土层紧实度和干密度的影响

土层在碾压后，对各个层位进行取样，并测试其紧实度和干密度，为了衡量不同铺土厚度经压实后土层整体的紧实度和干密度，现依据式(1)和(2)计算不同铺土厚度土层的平均紧实度与平均干密度。计算结果见表1-2及图4-5。

(2)

(3)

表1 不同铺土厚度的土层平均紧实度

表2 不同铺土厚度的土层平均干密度及压实度

分析图4不同铺土厚度的土层碾压后平均紧实度的变化，同等碾压遍数下，铺土厚度为20 cm时，平均紧实度最大，随着铺土厚度的增加，平均紧实度有所下降。总体趋势来看，铺土厚度在20—40 cm时，能得到较大的平均紧实度。本次试验用碾压工具为现场自制碾磙，重约4 t，分析可知，利用该轻碾进行碾压，土体承受的是碾磙重量的静压作用，压实强度较低，作用深度较小。

图4 不同铺土厚度的土层碾压后平均紧实度变化

分析图5不同铺土厚度的土层碾压后平均干密度的变化，在相同的碾压遍数下，20—40 cm土层的平均干密度较大，随着铺土厚度的增加至60 cm，80 cm，土层平均干密度有很大程度的下降。20—40 cm土层碾压1遍后，平均压实度为87.6%和86.3%，即碾压1遍就基本达到85%，随着碾压遍数的增多，压实度总体呈递增趋势，碾压5遍后，较薄土层的压实度甚至可达到90%；比较而言，60—80 cm土层的压实度较低，且随碾压遍数增多，变化并不大，在碾压5遍后，总体压实度在75%～80%。

综上分析，相同的碾压遍数下，随着铺土厚度的增大，平均紧实度和平均干密度成下降趋势，土层整体的压实度也在降低，当铺土厚度在20～40 cm，平均干密度和平均紧实度呈较高的水平。

图5 不同铺土厚度的土层碾压后平均干密度变化

3 结 论

(1)该方法碾压作用深度浅，一定的碾压遍数可满足轻度压实的要求(质量标准为压实度85%)。

(2)利用现场自制碾磙(4 t)进行平碾碾压，碾压质量控制标准85 %，建议的施工方案及碾压参数为：含水量接近最优含水率(相差不超过±2%)，松铺厚度20—40 cm，碾压3～5遍。

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