露天煤礦剝離物不同配比表土替代材料的物理性質

楊 卓, 盛世博, 辛建寶, 劉 娜, 周國馳

(中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司, 遼寧 沈陽 110015)

中國露天煤礦產能逐年增加，露天煤礦開發對生態環境的破壞已成為當前面臨的重要問題之一。露天煤礦開采對礦區土層結構破壞嚴重，形成的開挖面和堆墊面遠大于原地表面積，導致諸多礦山在生態修復過程中表土匱乏[1]。同時礦山企業征地難度大，大量的剝離物占用土地資源，剝離物堆砌形成的松散結構易導致地質災害，極大地限制了露天煤礦的開采。因此亟需研發適宜的剝離物綜合利用方式解決露天礦缺失土壤和剝離物占用土地資源的問題[2]。以剝離物為基質的表土替代材料研發是解決以上問題的最佳途徑。表土替代材料的物理性質是研究的基礎條件，礦山剝離物多為生土且土壤質地較差，植物生根困難，因此對土壤容重和孔隙度的控制顯得尤為重要。目前，露天煤礦多分布于干旱半干旱地區，當地植物生長對水分依賴程度很高，因此表土替代材料的持水性也是重要因素。近年來國內學者[3-7]對露天煤礦表土替代材料進行了深入研究，況欣宇[8]在東部草原表土稀缺區進行土壤重構試驗，結果表明巖土剝離物的加入可以改良土壤的砂性，榮穎[9]在研究中表明表土替代材料的篩選和配制需綜合考慮剝離物理化性質。有研究表明通過合理搭配剝離物可以改善物理性質[10-13]，通過挑選適宜的剝離物作為基質進行土壤重構，經過人工整理熟化后可以制備出物理性質良好且無毒害的替代材料[14-16]。研究雖然取得一些進展，但相關研究中添加的剝離物含量一般較少，同時對不同剝離物搭配比例對表土替代材料物理性質影響方面研究較少，實現剝離物綜合利用的意義不大。基于以上研究成果，本研究篩選蒙東地區某表土稀缺的露天煤礦，探究不同剝離物搭配比例對土壤物理性質的影響，篩選適宜配比的表土替代材料，以期為露天礦表土替代材料研發及剝離物綜合利用提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2019年6—12月在土壤實驗室進行。露天礦剝離物取自蒙東地區某露天煤礦，采樣時間為2019年4月，經篩選多處取土點后，最終選取5處取土點(分別命名為1—5號土，1—4號土位于采坑東幫，5號土位于采坑西幫)。1號土取土點高程874 m(下泥巖段)，2號土取土點高程914 m(上泥巖段)，3號土(底板土)取土點高程940 m，4號土(心土)取土點高程978 m，5號土(細砂)取土點高程982 m。選取土樣送至北京市農林科學院植物營養與資源研究所測試，測試結果詳見表1。

表1 剝離物養分測試結果

另外進行重金屬鎘、鉻、鎳、鉛、砷、銅和鋅等檢測，檢測結果均符合《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(GB15618-2018)》要求，檢測結果詳見表2。

表2 剝離物重金屬檢測結果 mg/kg

1.2 試驗方法

1.2.1 盆栽試驗方法 本試驗利用露天礦剝離物制備表土替代材料，表土替代材料基于正交試驗共設計16個水平，分別表示為1A-16A(具體配比見表3)，每個處理5個重復。將露天礦剝離物破碎，風干后過3 mm篩，各表土替代材料按試驗設計配比要求稱取，控制各處理總質量為1 kg，攪拌均勻置于外口徑為15 cm硬質塑料盆中，控制土壤容重1.25 g/cm3，加300 ml去離子水造墑，室溫下放置兩周。披堿草種子經24 h恒溫催芽后，均勻地播種于塑料盆中，播種深度為1～1.5 cm，每盆30粒。將盆栽置于組織培養架中，光照采用LED燈進行補充，控制室內恒定溫度為25 ℃，視土壤墑情每7～10 d對所有處理進行灌溉，次灌水量控制為每盆150 ml。6個月后測定各項物理指標。

表3 試驗樣品16種配比投入比例情況 %

1.2.2 指標測定 本試驗主要測定的物理指標包括總孔隙度、毛管孔隙度、土壤容重、田間持水量、土壤微團聚體(D10，D50，D90，跨度及微粒比表面積)。

土壤孔隙度及毛管孔隙度測定采用環刀法測定，土壤容重、田間持水量測定參照行標《土壤容重的測定(NY/T1121.4-2006)》和《土壤田間持水量的測定：環刀法(NY/T1121.22-2010)》測定，土壤微團聚體D10，D50，D90和比表面積測定采用Bettersize 2600激光粒度分布儀進行測定。

跨度(span)是衡量粒徑區間分布的重要指標，其計算方式為：

(1)

式中：D10為顆粒累積分布為10%的粒徑;D50為中值粒徑,是顆粒累積分布為50%的粒徑;D90為顆粒累積分布為90%的粒徑。

1.3 數據分析方法

試驗數據的相關性處理選用Excel進行處理。本試驗研究選用灰色關聯分析法對數據進行處理，灰色關聯分析法是基于數據整體排列方式的幾何相似性來判斷數據間的關聯程度，數據序列的相似程度高則幾何相似度高，序列間關聯度越大，反之則關聯度越小。計算公式為：

(2)

式中：Δoi(k)為各比較數列xi曲線上的每一個點與參考數列x0曲線上的每一個點的絕對差值;xmin和xmax是比較序列和參考序列的絕對差值的最小值和最大值；ρ為分辨系數，本次分析取0.5。

2 結果與分析

2.1 表土替代材料物理性質特征分析

對16組處理總孔隙度、毛管孔隙度、容重、田間持水量、D10，D50，D90，跨度、比表面積等指標進行測定，各測定結果平均值詳見表4。

表4 表土替代材料物理指標

為了判定各指標間聯系，首先將各物理性質指標進行初值化，隨后將各處理物理性質指標進行聚類分析，結果如圖1所示。由圖1可以看出，各物理性質間存在5級聚類的層級，第1級主要歸納了總孔隙度和毛管孔隙度，容重，跨度和D10，比表面積和田間持水量，D90和D50間存在類似關系，第2級主要歸納了容重和跨度及D10存在聯系；第3級主要歸納了孔隙度與容重存在聯系。其余兩級關系逐漸微弱。可以從物理指標的特性看出，總孔隙度、毛管孔隙度、容重、田間持水量為宏觀指標；跨度，D10，比表面積，D90和D50為土壤組成的微觀指標。結合分析結果可以看出，跨度和D10是影響表土替代材料容重的重要因素，比表面積是影響表土替代材料田間持水量的重要因素。

圖1 不同表土替代材料物理指標聚類熱圖

為了探究影響表土替代材料物理性質的主要因素，采用主成分分析法對各數據進行降維處理，處理結果公共因子總方差詳見表5。前3個公共因子的特征值較高，累計貢獻率達85.466%，表明提取的公共因子能夠較好的描述表土替代材料物理性質，取成分1，成分2和成分3作為公共因子。

表5 公共因子解釋的總方差

通過斜交旋轉得到物理性質的主要因子旋轉成分矩陣詳見表6。對物理性質有影響的主要有3個主成分，第一主成分特征值為4.215，貢獻率占46.831%，此主成分中荷載最大的因子為D90(0.955)，其次為D50(0.943)，再次為D10(0.914)。第二主成分特征值為2.368，貢獻率占26.310%，此主成分中荷載最大的因子為田間持水量(0.886)，其次為比表面積(0.774)，第三主成分特征值為1.109，貢獻率占12.325%，此主成分中荷載最大的因子為土壤容重(0.839)。從分析結果可知D90，D50，D10，田間持水量，比表面積和土壤容重可以表達該組數據85%以上的數據，說明選取這些因子可以代表本次數據85%以上的信息量，說明土壤總孔隙度和毛管孔隙度指標表達的信息量較小，其他指標僅田間持水量和土壤容重為宏觀指標，因此本文選取田間持水量和土壤容重進行深入分析，以微觀指標進行輔助分析，以期對表土替代材料制備過程中物理性質控制提供理論支持。

表6 旋轉成分矩陣荷載系數

2.2 表土替代材料田間持水量的特征

測定各物理指標結果詳見表4。田間持水量是土壤物理性質中一項的重要因素，它可以直接反應表土替代材料對水分的涵養能力。本文選取田間持水量為參考序列Y0，選取總孔隙度、毛管孔隙度、容重、D10，D50，D90，跨度、比表面積作為比較數列X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，進行灰色關聯計算結果詳見表7。由表7可以看出，比表面積與田間持水量的關聯度最大，關聯度為0.834；其次為總孔隙度，關聯度為0.786。該結論與聚類分析結果一致，從分析結果可以看出，比表面積與持水能力息息相關，主要原因是顆粒比表面積越大，接納水分子的能力越強，其涵養水源的能力越強。其次影響表土替代材料的持水量的重要指標是總孔隙度，其總孔隙度越大，表土替代材料單位時間可以容納的水分越大，可以提供更多水分子與表土替代材料的接觸機會，提升保水能力。

表7 物理指標對田間持水量的灰色關聯分析結果

由表4可以看出，田間持水量最好的配比形式為5A和8A兩組，其次持水性較好的配比為6A和7A兩組處理。5A和8A的比表面積數值是較大的，二者的共同點是心土及細砂添加量(均為23.08%)最小。基于此原則反觀心土及細砂添加量(均為53.85%)較多的1A和15A配比，其田間持水量較低。因此可以看出，心土及細砂的比例增高約30%，將導致表土替代材料持水能力下降22%。為了探究心土加入對表土替代材料持水能力削弱的原因，對所取剝離物進行X射線熒光光譜分析(XRF)，定性測試其元素組成，因為細砂主要由二氧化硅構成，所以未對其進行檢測，檢測結果詳見表8。根據檢測結果可以看出，組成剝離物的主要元素為硅元素、鋁元素和鐵元素，鈉元素和鎂元素4號土含量最高，差異最大的元素為鈣元素和鐵元素。4號土鈣元素含量是1，2，3號土的3～4倍，鐵元素是1，2，3號土的1/2～1/3。從成分分析結果可以看出，4號土為鈣層土。根據以上的分析，心土的比例增高將導致表土替代材料持水能力下降，從成分分析結果可以看出，由于該露天礦心土鈣化嚴重，主要是淋溶產生碳酸鈣淀積。鈣化較高的土壤多以粉末狀形式存在，遇水迅速飽和結塊，涵養水源能力較弱。由于試驗選取的露天礦處于半干旱區，地形多以草原為主，土壤鈣化屬于常見規律，因此在配置表土替代材料過程中應控制鈣化土的施放量，以提高表土替代材料持水能力。

表8 X射線熒光光譜分析測試結果 %

2.3 表土替代材料物容重的特征

對物理指標間關聯性進行分析，選取容重為參考序列Y0，選取總孔隙度、毛管孔隙度、田間持水量、D10，D50，D90，跨度、比表面積作為比較數列X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，計算方法同上，計算結果詳見表9。

表9 表土替代材料物理指標對容重的灰色關聯分析

由表9可以看出，各影響因子關聯度大于0.7的有4組，跨度與容重的關聯度最大，為0.790；其次為毛管孔隙度，關聯度為0.773；D10和總孔隙度對其關聯度分別為0.743，0.711。土壤容重是衡量土壤性質的重要指標，就試驗方法來看，土壤容重是計算單位體積內的質量，而孔隙度是計算體積比例，二者從兩個角度反饋土壤緊實程度，因此其關聯性較大。從微觀角度看，根據測試結果D10一般為2 μm左右，小于2 μm的屬于黏粒，黏粒對土壤容重影響較大，由于黏粒主要由原生礦物、次生礦物組成，其孔隙很小，吸附性強，極易形成密閉空間，因此黏粒越多土壤容重會越高。跨度是表土替代材料微粒徑分布的重要指標，其與土壤容重關系最為密切，從微觀角度來看，粒徑跨度越大表明土壤粒徑組越豐富，顆粒級配越合理，如果表土替代材料粒徑均集中于黏粒，那么其結塊程度極為嚴重，因此粒徑跨度越大，土壤容重越趨于合理。基于關聯性分析結果，選取與土壤容重關聯性較大的孔隙度進行對比分析(如圖2所示)，結果表明不同比例混合的表土替代材料容重和孔隙度差異明顯，不同配比表土替代材料容重總體分布于1.31～1.52 g/cm3。

圖2 表土替代材料孔隙度與容重的關系

根據柴華[17]的研究結果可以看出，我國土壤容重平均值的變化范圍為0.93～1.41 g/cm3，中位值為1.32 g/cm3，初育土的平均容重及中值容重分別為1.39和1.40 g/cm3，因此1A，8A，9A，11A，12A，13A，14A等容重過大的配比不適合作為表土替代材料。有研究[18]表明，大部分土壤總孔隙度在40%～60%范圍內，但土壤總孔隙度在50%左右，其中非毛管孔隙占20%～40%時，土壤通氣性、透水性和持水能力比較協調。因此本次研究孔隙度滿足要求的處理僅為3A，5A和7A處理。3A處理為容重最趨近于土壤平均容重，其次為6A處理和7A處理，這3種配比接近于國內土壤容重的平均水平，為本試驗容重較好的處理，綜合容重和孔隙度數據可以看出，3A和7A處理為本次試驗優質處理。

3 討 論

3.1 表土替代材料田間持水量的影響因素

研究區位于干旱區，表土替代材料田間持水量是其能否應用于礦山復墾的重要因素，研究證明表土替代材料的持水能力主要與顆粒的比表面積大小有關系，王修康等[19]在平原區土壤持水量研究過程中發現，黏粒含量和比表面積是影響土壤持水量的重要因素，說明本試驗配置的表土替代材料與平原區土壤水分特征存在相似性。因此可以通過添加適量比表面積大的顆粒物改善表土替代材料持水能力[20]。本研究發現可以通過降低鈣層土和細砂的含量來增加表土替代材料田間持水量，彭海英等[21]在內蒙古草原土壤研究過程中發現，鈣積層由于其黏重的特性可以對干旱區草原土壤水分涵養提供幫助，該結論與本試驗研究結果存在矛盾，可能原因為鈣層土其本身具有粘重的特性，在其含量較多時可以阻隔水分滲漏，但由于摻入比例較少(最高配比為33.33%)，均勻攪拌后，其黏重的特性在局部形成板結塊，反而加劇了水分流失。

3.2 表土替代材料容重的影響因素

容重是表土替代材料物理性質的重要指標，本研究發現，D10，跨度和總孔隙度是影響表土替代材料土壤容重的3個重要因素，付標等在草地研究表明，隨著容重增大，土壤孔隙度存在逐漸減小的趨勢[22]，但從本試驗結果來看，不同處理土壤容重值從初始的1.25 g/cm3均有增加，但不同處理存在容重和孔隙度同時大于另一處理的情況。出現這種情況的原因可能是土壤的容重(D)與孔隙度(P)存在換算關系〔P(%)=(1-D/ρ)×100〕，不同比例配置的表土替代材料比重(ρ)不同，因此對比表土替代材料間容重與孔隙度的變化規律沒事實際意義，同時這也可能是導致表土替代材料容重與總孔隙度關聯度并不高的原因。由于泥巖水穩性較差，遇水會發生崩解及軟化[23-24]，因此在遇水后泥巖顆粒的軟化重組導致表土替代材料最終容重增大，從而導致表土替代材料容重從初始控制的1.25 g/cm3變化為最終的容重值。

4 結 論

由主成分分析結果可知，影響表土替代材料物理性質的兩個重要的宏觀衡量指標分別為容重和田間持水量，由灰色關聯分析結果可知D10和跨度是影響容重的重要微觀因素，比表面積是影響田間持水量的重要微觀因素。通過田間持水量數據可以得出，心土(鈣層土)及細砂的比例增高30%，將導致表土替代材料持水能力下降22%。

3A(下泥巖段∶上泥巖段∶底板土∶心土∶沙=1∶1∶1∶1∶1)和7A(下泥巖段∶上泥巖段∶底板土∶心土∶沙=2∶1∶2∶2∶2)處理為本次試驗容重最好的配比，5A(下泥巖段∶上泥巖段∶底板土∶心土∶沙=3∶3∶4∶1∶2) 和8A(下泥巖段∶上泥巖段∶底板土∶心土∶沙=4∶3∶3∶2∶1)處理為本次試驗持水能力最好的配比。因為3A處理持水能力較差，8A處理容重較大，綜合考量不同表土替代材料容重與田間持水量，所以5A和7A處理為本次試驗最優表土替代材料配比。