采煤塌陷地不同充填介質(zhì)水力特性對比研究?

秦 倩王金滿,2王洪丹李新鳳祝宇成

(1.中國地質(zhì)大學土地科學技術(shù)學院,北京市海淀區(qū),100083; 2.國土資源部土地整治重點實驗室,北京市海淀區(qū),100035)

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采煤塌陷地不同充填介質(zhì)水力特性對比研究?

秦 倩1王金滿1,2王洪丹1李新鳳1祝宇成1

(1.中國地質(zhì)大學土地科學技術(shù)學院,北京市海淀區(qū),100083; 2.國土資源部土地整治重點實驗室,北京市海淀區(qū),100035)

為了分析采煤塌陷地充填復(fù)墾對土壤和充填介質(zhì)水分運動的影響,對土壤、粉煤灰、煤矸石、粉煤灰—煤矸石混合物4種充填物的水力特性進行了對比分析。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),粉煤灰的持水能力最強,煤矸石最差,粉煤灰－煤矸石混合物及土壤居中;煤矸石的水分擴散性能最佳,粉煤灰－煤矸石混合物和土壤次之,粉煤灰的水分擴散性能較差;粉煤灰—煤矸石混合充填物具有與土壤較為一致的水力特性。為了保證復(fù)墾土壤的持水能力和透氣性,應(yīng)選擇用粉煤灰—煤矸石混合充填復(fù)墾模式。

采煤塌陷地 水分擴散率 飽和含水率 土壤水分特征曲線 充填復(fù)墾

我國是煤炭生產(chǎn)和消費大國,其中煤炭開采主要為井工開采,而井工開采易導(dǎo)致土地的變形與坍塌。我國已形成70萬km2的采煤塌陷地,成為世界上采煤塌陷地面積最大的國家,并且以130 km2/a的速度快速增長。采煤塌陷易形成大面積的積水,造成地下水位上升,土壤鹽漬化等問題,給生態(tài)環(huán)境帶來很大的破壞,嚴重制約著礦區(qū)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此,對采煤塌陷地的復(fù)墾工作顯得尤為重要。

在采煤塌陷區(qū)的土地復(fù)墾中,粉煤灰與煤矸石充填復(fù)墾是主要方法之一,這不僅修復(fù)了礦區(qū)的土地塌陷問題,同時也使粉煤灰、煤矸石等礦山固體廢棄物得到有效的利用。但是礦山固體廢棄物復(fù)墾充填后的水力特性與原狀土壤存在一定差異,充填后會對土壤和充填介質(zhì)的水分運動產(chǎn)生影響。目前,對粉煤灰、煤矸石充填復(fù)墾后的水分運動研究表明,粉煤灰吸持能力強。粉煤灰、煤矸石充填復(fù)墾的土壤水分運動與原狀土壤存在差異是因為充填物的顆粒級配與土壤不同,對矸石充填進行壓實處理能夠提高土壤表層的含水量。但現(xiàn)有關(guān)于粉煤灰、煤矸石充填的水分特征曲線、水分擴散率等水力特性的研究比較少。

土壤水分特征曲線反映了土壤含水量與土壤水勢之間的關(guān)系,是土壤水動力學參數(shù)的基礎(chǔ),也對土壤水分蒸發(fā)、溶質(zhì)運移等過程的研究有重要作用,土壤水分擴散率反映了土壤的孔隙狀況、導(dǎo)水能力等,是土壤水動力學重要參數(shù)之一。因此,對充填復(fù)墾的水分特征曲線及水分擴散率的研究有助于認識不同充填模式下的土壤水分運移規(guī)律。因此,本文擬通過粉煤灰與煤矸石充填的飽和含水量、水分特征曲線及水分擴散率,來分析不同復(fù)墾充填模式的持水、保水、導(dǎo)水效果,為采煤塌陷地的土地復(fù)墾提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

該實驗試驗樣品包括土壤、煤矸石和粉煤灰,均來源于江蘇省徐州市賈汪礦區(qū)。其中土壤為表層土壤,風干后,過2 mm篩,煤矸石粉碎到小于2 cm。

1.2 試驗處理

實驗共4個處理,分別為土壤組、粉煤灰組、煤矸石組以及粉煤灰煤矸石混合物組(同等質(zhì)量混合),其中土壤組作為實驗對照組。各充填材料的物理特性見表1。

1.3 實驗方法

本文主要進行了飽和含水率、水分特征曲線及水分擴散率測定實驗,試驗方法如下。

1.3.1 飽和含水率的測定

將環(huán)刀擦凈并編號,烘干冷卻稱重,然后將各充填物按設(shè)計容重裝入環(huán)刀中,在水中浸泡24 h,稱其濕重,然后將樣品放入烘箱內(nèi),在105℃下烘至恒重,含水量θ采用以下公式計算:

式中:θ——含水量,g/g;

m濕——飽和后濕土的重量,g;

m干——干土重量,g。

表1 充填材料物理特性

1.3.2 水分特征曲線的測定及擬合

將各充填材料按設(shè)計容重裝入相應(yīng)離心機專用環(huán)刀內(nèi),共4個處理,每個處理獲得4個重復(fù)的平均值,將環(huán)刀內(nèi)的充填物浸泡24 h后,運用離心機測定其水分特征曲線,離心機為日立公司生產(chǎn)的型號為SCR20高速離心機。設(shè)定離心時間及轉(zhuǎn)速,將土樣分別在轉(zhuǎn)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下旋轉(zhuǎn)60 min或90 min,對應(yīng)的基質(zhì)吸力為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,水分平衡后分別稱取不同轉(zhuǎn)速下各充填介質(zhì)的重量。離心旋轉(zhuǎn)運動結(jié)束后,將土樣放入烘箱中烘至恒重,測得干充填物質(zhì)重量,最后利用公式(1)計算各吸力下土壤的含水量,最終含水量取4個重復(fù)的平均值。

采用Van Genuchten模型對水分特征曲線進行擬合。模型描述的是含水量與基質(zhì)勢之間的關(guān)系,其具體表達形式如下:

式中:θ——土壤含水量,g/g;

θs——土壤飽和含水量,g/g;

θr——土壤剩余含水量,g/g;

h——土壤基質(zhì)勢,cm水柱;

hɑ——土壤進氣吸力,cm水柱;

ɑ、m、n——土壤曲線形狀參數(shù),其中m

1.3.3 水分擴散率測定

水分擴散率的測定采用水平土柱吸滲法,實驗裝置如圖1所示。水平土柱儀器長100 cm,直徑為5 cm。各充填物按照設(shè)計容重以節(jié)為單元進行分層充填,確保水平土柱密度均一及初始含水量均勻。進水端采用馬氏瓶供水,控制馬氏瓶內(nèi)水面高度與土柱樣品的高度一致。當濕潤鋒達到3 cm時記錄實驗時間,然后依次記錄濕潤鋒每前移5 cm所需時間,當濕潤鋒前移距離到達83 cm時結(jié)束實驗,記錄結(jié)束時間。迅速從濕潤鋒附近取土,取3個重復(fù)土樣,用烘干法測定土壤含水率。

圖1 水分擴散率實驗裝置示意圖

水分擴散率由公式(4)計算。

x——濕潤鋒距離,cm,

t——時間,min;

D(θ)——水分擴散率,cm2/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 飽和含水率對比分析

不同處理充填介質(zhì)飽和含水率如圖2所示。從圖2中可以看出,飽和含水率從大到小依次是粉煤灰、土壤、粉煤灰－煤矸石混合物、煤矸石,分別為0.4852、0.3163、0.2965、0.2095。由此可知粉煤灰的吸水能力最強,煤矸石的吸水能力較弱。

圖2 不同處理充填介質(zhì)飽和含水率

2.2 充填介質(zhì)水分特征曲線擬合與對比分析

通過離心機試驗得出不同基質(zhì)吸力下各充填模式對應(yīng)的含水量見表2,由Matlab求出的水分特征曲線擬合參數(shù)及殘差平方和見表3。由表3可以看出,土壤、粉煤灰及粉煤灰－煤矸石混合物的各擬合參數(shù)θr、θs、ɑ、n的數(shù)值比較接近,都在同一個數(shù)量級上,θ的實測值與計算值的殘差平方和也都小于0.001。但是煤矸石組的各參數(shù)與其他3組的擬合結(jié)果差別很大,其殘差平方和為0.0051。用Van Genuchten模型擬合的各充填物的水分特征曲線如圖3所示。由圖a、b、d可知,該模型對水分特征曲線有著較好的擬合,實測值基本都在水分特征曲線上。而圖c只顯示了實測值,煤矸石組的數(shù)據(jù)不滿足曲線的擬合,原因是煤矸石的粒徑較大,持水能力差,在經(jīng)過離心機第1次離心作用后已失去大部分水分,后面的含水量很小,趨于平緩,變化不大。

從圖3中可以看出,在小于2000 cm水柱的低吸力段,水分特征曲線陡直,吸力發(fā)生較小的變化就引起含水量很大的變化。在大于2000 cm的中高吸力段,曲線平緩,大的吸力變化只能導(dǎo)致含水量很小的變化。在低吸力范圍內(nèi),起主要作用的是毛管力,充填物中較大孔隙中的水分被排出,這部分土壤水分主要為毛管水。在中高吸力段,主要為吸濕水,主要是充填物顆粒表面的吸附作用,含水量跟充填物的質(zhì)地有很大的關(guān)系,只有小孔隙中殘留水分,此時充填物對水分的吸持能力較強,因而水分曲線平緩。

在同一吸力下,含水量從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,是因為粉煤灰的顆粒粒徑小,質(zhì)地粘稠,呈多空蜂窩狀組織,表面積大,同時粉煤灰中的SiO2和Al2O3與水能發(fā)生水化作用,其持水保水的能力最強。同一吸力下,粉煤灰－煤矸石混合物的含水量有所降低,是因為煤矸石的加入,粒徑變大,充填物之間的大孔隙增多,并且煤矸石表面對水的吸附能力很弱,持水能力減弱。

田間持水量是指土壤中能穩(wěn)定保持的最高含水量,也是土壤中所能保持的最大量的懸著水,是對作物有效的最高含水量。一般認為土壤水吸力為30 kPa時,即把306 cm水柱時的土壤含水量當作田間持水量。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間持水量從大到小依次是0.2518、0.1934、0.1566和0.0462,可以看出,煤矸石的田間持水量很小,不能提供給植物足夠的有效水分。

表2 不同基質(zhì)吸力下各充填模式對應(yīng)的含水量g/g

表3 Van Genuchten模型擬合參數(shù)

圖3 各充填物水分特征曲線擬合圖

2.3 不同充填介質(zhì)水分擴散率對比分析

圖4為不同充填模式下水分擴散率與含水量之間的關(guān)系,符合經(jīng)驗公式D(θ)＝aebθ(a、b為常數(shù),θ為含水量,)呈指數(shù)曲線變化,方程參數(shù)及擬合優(yōu)度(R2)見表4。由表4可知,各處理擬合優(yōu)度分別為0.875、0.873、0.750、0.904,均不低于0.75,說明各指數(shù)曲線方程擬合精度較高。由圖4可以看出,當含水量較低時,各充填物質(zhì)的擴散率變化較慢,隨著含水量的增加,擴散率急劇變大。各充填物質(zhì)的水分擴散率差異較大,煤矸石充填的擴散率最大,且變化速率很快,曲線陡直,接近飽和含水量時,曲線近乎直線,粉煤灰—煤矸石混合物的擴散率次之,土壤的擴散率位于第三位,粉煤灰的擴散率最小,其曲線也最平緩。不同充填模式下水分擴散率的最小值、最大值及平均值見表5。

圖4 各充填物水分擴散率D(θ)與含水量θ之間的關(guān)系

表4 水分擴散率擬合參數(shù)

表5 不同充填模式下的水分擴散率

土壤水分水平擴散的主要驅(qū)動力是土壤基質(zhì)勢,滲透速率主要取決于土壤中充水毛管數(shù)量和土壤孔隙,土壤孔隙越大,毛管數(shù)量越多,越有利于水分的擴散。煤矸石充填的擴散率最大,是因為煤矸石的粒徑較大,充填物間的孔隙大,相對自由水分含量高,水分擴散快。粉煤灰的擴散率最小,是因為相對其他充填模式,粉煤灰的粘粒含量高,質(zhì)地粘稠,顆粒表面張力大,對水分的束縛力、吸持作用強,故水分不易擴散,變化速率較緩慢,曲線最平緩。粉煤灰—煤矸石混合充填組大孔隙相對煤矸石組有較大減少,同時因煤矸石的存在粉煤灰的黏性減小,其水分擴散率介于兩者之間,與土壤的水分擴散率最接近。以上結(jié)果表明充填物的機械組成對水分擴散率有很大的影響,隨著充填物粒徑的減小,水分擴散率在逐漸降低。

2.4 充填復(fù)墾最優(yōu)模式選擇

根據(jù)以上研究,不同的充填介質(zhì)的水力特性與土壤存在差異,在采煤塌陷地的復(fù)墾中,應(yīng)選擇接近土壤水力特性的復(fù)墾充填介質(zhì)。其中,粉煤灰充填的持水效果優(yōu)于土壤,田間持水量也最大,但是往往采煤塌陷區(qū)很容易積水,特別是高潛水位的平原區(qū),如果用粉煤灰充填,含水量大,且其水分擴散率最小,水分移動緩慢,會導(dǎo)致土壤透氣性差,使根系無法呼吸,根系腐爛,不利于植物的生長,此外,含水量過大,會造成氧氣的缺乏,微生物的代謝活動也會受到抑制,導(dǎo)致有機物不能正常分解。相反,如果僅用煤矸石復(fù)墾充填,煤矸石的持水能力差,水分擴散過快,水分易流失,無法供給植物正常生長所需的有效水分。而粉煤灰－煤矸石混合物的持水性能及擴散率與土壤最為接近,利用粉煤灰－煤矸石混合物充填,能保證充填土壤的持水效果和透氣性,使其水力特性更接近于原狀土壤。

3 結(jié)論

通過研究可以得出以下結(jié)論:

(1)各充填介質(zhì)的飽和含水率從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模型能夠很好的擬合各充填介質(zhì)的水分特征曲線,精度較高。

(3)粉煤灰的持水能力最強,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與土壤較為一致的水力特性,選用粉煤灰－煤矸石混合充填模式較為合理,既能提供充足的水分,又能保證土壤的透水性能。

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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,安徽安慶人,中國地質(zhì)大學(北京),在讀碩士研究生,從事土地整治與生態(tài)恢復(fù)研究。

(責任編輯 孫英浩)

國家十二五科技支撐計劃課題(2011BAD04B03)