采煤塌陷地不同充填介质水力特性对比研究∗

秦 倩王金满,2王洪丹李新凤祝宇成

(1.中国地质大学土地科学技术学院,北京市海淀区,100083; 2.国土资源部土地整治重点实验室,北京市海淀区,100035)

★节能与环保★

采煤塌陷地不同充填介质水力特性对比研究∗

秦 倩1王金满1,2王洪丹1李新凤1祝宇成1

(1.中国地质大学土地科学技术学院,北京市海淀区,100083; 2.国土资源部土地整治重点实验室,北京市海淀区,100035)

为了分析采煤塌陷地充填复垦对土壤和充填介质水分运动的影响,对土壤、粉煤灰、煤矸石、粉煤灰—煤矸石混合物4种充填物的水力特性进行了对比分析。经研究发现,粉煤灰的持水能力最强,煤矸石最差,粉煤灰－煤矸石混合物及土壤居中;煤矸石的水分扩散性能最佳,粉煤灰－煤矸石混合物和土壤次之,粉煤灰的水分扩散性能较差;粉煤灰—煤矸石混合充填物具有与土壤较为一致的水力特性。为了保证复垦土壤的持水能力和透气性,应选择用粉煤灰—煤矸石混合充填复垦模式。

采煤塌陷地 水分扩散率 饱和含水率 土壤水分特征曲线 充填复垦

我国是煤炭生产和消费大国,其中煤炭开采主要为井工开采,而井工开采易导致土地的变形与坍塌。我国已形成70万km2的采煤塌陷地,成为世界上采煤塌陷地面积最大的国家,并且以130 km2/a的速度快速增长。采煤塌陷易形成大面积的积水,造成地下水位上升,土壤盐渍化等问题,给生态环境带来很大的破坏,严重制约着矿区社会经济的可持续发展。因此,对采煤塌陷地的复垦工作显得尤为重要。

在采煤塌陷区的土地复垦中,粉煤灰与煤矸石充填复垦是主要方法之一,这不仅修复了矿区的土地塌陷问题,同时也使粉煤灰、煤矸石等矿山固体废弃物得到有效的利用。但是矿山固体废弃物复垦充填后的水力特性与原状土壤存在一定差异,充填后会对土壤和充填介质的水分运动产生影响。目前,对粉煤灰、煤矸石充填复垦后的水分运动研究表明,粉煤灰吸持能力强。粉煤灰、煤矸石充填复垦的土壤水分运动与原状土壤存在差异是因为充填物的颗粒级配与土壤不同,对矸石充填进行压实处理能够提高土壤表层的含水量。但现有关于粉煤灰、煤矸石充填的水分特征曲线、水分扩散率等水力特性的研究比较少。

土壤水分特征曲线反映了土壤含水量与土壤水势之间的关系,是土壤水动力学参数的基础,也对土壤水分蒸发、溶质运移等过程的研究有重要作用,土壤水分扩散率反映了土壤的孔隙状况、导水能力等,是土壤水动力学重要参数之一。因此,对充填复垦的水分特征曲线及水分扩散率的研究有助于认识不同充填模式下的土壤水分运移规律。因此,本文拟通过粉煤灰与煤矸石充填的饱和含水量、水分特征曲线及水分扩散率,来分析不同复垦充填模式的持水、保水、导水效果,为采煤塌陷地的土地复垦提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

该实验试验样品包括土壤、煤矸石和粉煤灰,均来源于江苏省徐州市贾汪矿区。其中土壤为表层土壤,风干后,过2 mm筛,煤矸石粉碎到小于2 cm。

1.2 试验处理

实验共4个处理,分别为土壤组、粉煤灰组、煤矸石组以及粉煤灰煤矸石混合物组(同等质量混合),其中土壤组作为实验对照组。各充填材料的物理特性见表1。

1.3 实验方法

本文主要进行了饱和含水率、水分特征曲线及水分扩散率测定实验,试验方法如下。

1.3.1 饱和含水率的测定

将环刀擦净并编号,烘干冷却称重,然后将各充填物按设计容重装入环刀中,在水中浸泡24 h,称其湿重,然后将样品放入烘箱内,在105℃下烘至恒重,含水量θ采用以下公式计算:

式中:θ——含水量,g/g;

m湿——饱和后湿土的重量,g;

m干——干土重量,g。

表1 充填材料物理特性

1.3.2 水分特征曲线的测定及拟合

将各充填材料按设计容重装入相应离心机专用环刀内,共4个处理,每个处理获得4个重复的平均值,将环刀内的充填物浸泡24 h后,运用离心机测定其水分特征曲线,离心机为日立公司生产的型号为SCR20高速离心机。设定离心时间及转速,将土样分别在转速970 r/min、1670 r/min、2160 r/min、2730 r/min、3050 r/min、5290 r/min、6820 r/min、8630 r/min、8830 r/min、10800 r/ min下旋转60 min或90 min,对应的基质吸力为102 cm水柱、306 cm水柱、510 cm水柱、816 cm水柱、1020 cm水柱、3060 cm水柱、5100 cm水柱、8160 cm水柱、10200 cm水柱、15300 cm水柱,水分平衡后分别称取不同转速下各充填介质的重量。离心旋转运动结束后,将土样放入烘箱中烘至恒重,测得干充填物质重量,最后利用公式(1)计算各吸力下土壤的含水量,最终含水量取4个重复的平均值。

采用Van Genuchten模型对水分特征曲线进行拟合。模型描述的是含水量与基质势之间的关系,其具体表达形式如下:

式中:θ——土壤含水量,g/g;

θs——土壤饱和含水量,g/g;

θr——土壤剩余含水量,g/g;

h——土壤基质势,cm水柱;

hɑ——土壤进气吸力,cm水柱;

ɑ、m、n——土壤曲线形状参数,其中m

1.3.3 水分扩散率测定

水分扩散率的测定采用水平土柱吸渗法,实验装置如图1所示。水平土柱仪器长100 cm,直径为5 cm。各充填物按照设计容重以节为单元进行分层充填,确保水平土柱密度均一及初始含水量均匀。进水端采用马氏瓶供水,控制马氏瓶内水面高度与土柱样品的高度一致。当湿润锋达到3 cm时记录实验时间,然后依次记录湿润锋每前移5 cm所需时间,当湿润锋前移距离到达83 cm时结束实验,记录结束时间。迅速从湿润锋附近取土,取3个重复土样,用烘干法测定土壤含水率。

图1 水分扩散率实验装置示意图

水分扩散率由公式(4)计算。

x——湿润锋距离,cm,

t——时间,min;

D(θ)——水分扩散率,cm2/min。

2 结果与分析

2.1 饱和含水率对比分析

不同处理充填介质饱和含水率如图2所示。从图2中可以看出,饱和含水率从大到小依次是粉煤灰、土壤、粉煤灰－煤矸石混合物、煤矸石,分别为0.4852、0.3163、0.2965、0.2095。由此可知粉煤灰的吸水能力最强,煤矸石的吸水能力较弱。

图2 不同处理充填介质饱和含水率

2.2 充填介质水分特征曲线拟合与对比分析

通过离心机试验得出不同基质吸力下各充填模式对应的含水量见表2,由Matlab求出的水分特征曲线拟合参数及残差平方和见表3。由表3可以看出,土壤、粉煤灰及粉煤灰－煤矸石混合物的各拟合参数θr、θs、ɑ、n的数值比较接近,都在同一个数量级上,θ的实测值与计算值的残差平方和也都小于0.001。但是煤矸石组的各参数与其他3组的拟合结果差别很大,其残差平方和为0.0051。用Van Genuchten模型拟合的各充填物的水分特征曲线如图3所示。由图a、b、d可知,该模型对水分特征曲线有着较好的拟合,实测值基本都在水分特征曲线上。而图c只显示了实测值,煤矸石组的数据不满足曲线的拟合,原因是煤矸石的粒径较大,持水能力差,在经过离心机第1次离心作用后已失去大部分水分,后面的含水量很小,趋于平缓,变化不大。

从图3中可以看出,在小于2000 cm水柱的低吸力段,水分特征曲线陡直,吸力发生较小的变化就引起含水量很大的变化。在大于2000 cm的中高吸力段,曲线平缓,大的吸力变化只能导致含水量很小的变化。在低吸力范围内,起主要作用的是毛管力,充填物中较大孔隙中的水分被排出,这部分土壤水分主要为毛管水。在中高吸力段,主要为吸湿水,主要是充填物颗粒表面的吸附作用,含水量跟充填物的质地有很大的关系,只有小孔隙中残留水分,此时充填物对水分的吸持能力较强,因而水分曲线平缓。

在同一吸力下,含水量从大到小依次是粉煤灰、土壤、粉煤灰—煤矸石混合物和煤矸石。同一吸力下的含水量越大,表明其持水效果越好。粉煤灰的持水效果最好,同一吸力下含水量大于土壤,是因为粉煤灰的颗粒粒径小,质地粘稠,呈多空蜂窝状组织,表面积大,同时粉煤灰中的SiO2和Al2O3与水能发生水化作用,其持水保水的能力最强。同一吸力下,粉煤灰－煤矸石混合物的含水量有所降低,是因为煤矸石的加入,粒径变大,充填物之间的大孔隙增多,并且煤矸石表面对水的吸附能力很弱,持水能力减弱。

田间持水量是指土壤中能稳定保持的最高含水量,也是土壤中所能保持的最大量的悬着水,是对作物有效的最高含水量。一般认为土壤水吸力为30 kPa时,即把306 cm水柱时的土壤含水量当作田间持水量。由表2可知,粉煤灰、土壤、粉煤灰—煤矸石混合物和煤矸石的田间持水量从大到小依次是0.2518、0.1934、0.1566和0.0462,可以看出,煤矸石的田间持水量很小,不能提供给植物足够的有效水分。

表2 不同基质吸力下各充填模式对应的含水量g/g

表3 Van Genuchten模型拟合参数

图3 各充填物水分特征曲线拟合图

2.3 不同充填介质水分扩散率对比分析

图4为不同充填模式下水分扩散率与含水量之间的关系,符合经验公式D(θ)＝aebθ(a、b为常数,θ为含水量,)呈指数曲线变化,方程参数及拟合优度(R2)见表4。由表4可知,各处理拟合优度分别为0.875、0.873、0.750、0.904,均不低于0.75,说明各指数曲线方程拟合精度较高。由图4可以看出,当含水量较低时,各充填物质的扩散率变化较慢,随着含水量的增加,扩散率急剧变大。各充填物质的水分扩散率差异较大,煤矸石充填的扩散率最大,且变化速率很快,曲线陡直,接近饱和含水量时,曲线近乎直线,粉煤灰—煤矸石混合物的扩散率次之,土壤的扩散率位于第三位,粉煤灰的扩散率最小,其曲线也最平缓。不同充填模式下水分扩散率的最小值、最大值及平均值见表5。

图4 各充填物水分扩散率D(θ)与含水量θ之间的关系

表4 水分扩散率拟合参数

表5 不同充填模式下的水分扩散率

土壤水分水平扩散的主要驱动力是土壤基质势,渗透速率主要取决于土壤中充水毛管数量和土壤孔隙,土壤孔隙越大,毛管数量越多,越有利于水分的扩散。煤矸石充填的扩散率最大,是因为煤矸石的粒径较大,充填物间的孔隙大,相对自由水分含量高,水分扩散快。粉煤灰的扩散率最小,是因为相对其他充填模式,粉煤灰的粘粒含量高,质地粘稠,颗粒表面张力大,对水分的束缚力、吸持作用强,故水分不易扩散,变化速率较缓慢,曲线最平缓。粉煤灰—煤矸石混合充填组大孔隙相对煤矸石组有较大减少,同时因煤矸石的存在粉煤灰的黏性减小,其水分扩散率介于两者之间,与土壤的水分扩散率最接近。以上结果表明充填物的机械组成对水分扩散率有很大的影响,随着充填物粒径的减小,水分扩散率在逐渐降低。

2.4 充填复垦最优模式选择

根据以上研究,不同的充填介质的水力特性与土壤存在差异,在采煤塌陷地的复垦中,应选择接近土壤水力特性的复垦充填介质。其中,粉煤灰充填的持水效果优于土壤,田间持水量也最大,但是往往采煤塌陷区很容易积水,特别是高潜水位的平原区,如果用粉煤灰充填,含水量大,且其水分扩散率最小,水分移动缓慢,会导致土壤透气性差,使根系无法呼吸,根系腐烂,不利于植物的生长,此外,含水量过大,会造成氧气的缺乏,微生物的代谢活动也会受到抑制,导致有机物不能正常分解。相反,如果仅用煤矸石复垦充填,煤矸石的持水能力差,水分扩散过快,水分易流失,无法供给植物正常生长所需的有效水分。而粉煤灰－煤矸石混合物的持水性能及扩散率与土壤最为接近,利用粉煤灰－煤矸石混合物充填,能保证充填土壤的持水效果和透气性,使其水力特性更接近于原状土壤。

3 结论

通过研究可以得出以下结论:

(1)各充填介质的饱和含水率从大到小依次是粉煤灰、土壤、粉煤灰－煤矸石混合物,煤矸石。

(2)Van Genuchten模型能够很好的拟合各充填介质的水分特征曲线,精度较高。

(3)粉煤灰的持水能力最强,煤矸石最差,混合物及土壤居中。

(4)粉煤灰－煤矸石混合充填物具有与土壤较为一致的水力特性,选用粉煤灰－煤矸石混合充填模式较为合理,既能提供充足的水分,又能保证土壤的透水性能。

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The comparative study of hydraulic characteristics under different filling medium on coal mining subsided land

Qin Qian1,Wang Jinman1,2,Wang Hongdan1,Li Xinfeng1,Zhu Yucheng1
(1．College of Land Science and Technology,China University of Geosciences, Haidian,Beijing 100083,China; 2．Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation Ministry of Land and Resources, Haidian,Beijing 100035,China)

Aiming at analysis of the influence on the water movement of soil and filling medium caused by subsidece through reclamation,the authors analyzed and compared hydraulic characteristics of four kinds of fillings,the soil,fly ash,coal gangue and fly ash coal gangue mixture．The hydraulic characteristic curves were measured by centrifuge and fitted by Van Genuchten model．The research showed that the water-holding capacity of fly ash was the best,the coal gangue was the worst and the fly ash coal gangue mixture and soil were in the middle;the water diffusivity of coal gangue was the biggest,following was the mixture of fly ash and coal gangue, soil was in third and the last was fly ash;the hydraulic characteristics of fly ash and coal gangue filling were consistent with the soil．In order to ensure the water-holding capacity and the permeability of the reclaimed soil,fly ash and coal gangue mixture reclamation filling pattern should be chosen．

coal mining subsided land,water diffusivity,saturated water content,soil water characteristic curves,reclamation filling

TD88 S152

A

秦倩(1991－),女,安徽安庆人,中国地质大学(北京),在读硕士研究生,从事土地整治与生态恢复研究。

(责任编辑 孙英浩)

国家十二五科技支撑计划课题(2011BAD04B03)