第 51 卷 第 10 期 2023 年 10 月 西 北 農(nóng) 林 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 自 然 科 學(xué) 版 J ou r na l o f No r t hwe s t A 粉 煤 灰 水 分 特 征 曲 線 有 效 水 分 持 水 性 能 中 圖 分 類 號(hào) S156 99 X752 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 A 文 章 編 號(hào) 1671 9387 2023 10 0089 08 E f f e c t o f a d d i n g f l y a s h o n w a t e r a v a i l a b i l i t y a n d h o l d i n g c a p a c i t y o f c o a l g a n g u e m a t r i x HAN Xi ang ZHAGN Chaoy i ng GENG Yuq i ng HAN Xi una CHEN L i n C o l l e g e o f F o r e s t r y T h e K e y L a b o r a t o r y f o r S i l v i c u l t u r e a n d C o n s e r v a t i o n o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n B e i j i n g F o r e s t r y U n i v e r s i t y B e i j i n g 100083 C h i n a A b s t r a c t Ob j e c t i ve Th i s s t udy exp l o r ed t he e f f e c t s o f f l y a sh add i t i on on ava i l ab l e wa t e r and wa t e r ho l d i ng c apa c i t y o f c oa l gangue ma t r i x t o p r ov i de ba s i s f o r p r omo t i ng e c o l og i c a l r e s t o r a t i on and wa s t e r e s our c e u t i l i z a t i on i n mi n i ng a r e a s Me t hod The c oa l gangue ma t r i x mi xed wi t h c oa l gangue and r aw s o i l a t a ma s s r a t i o o f 1 1 wa s t e s t ed wi t h add i t i on o f f l y a sh a t d i f f e r en t ma s s f r a c t i ons 0 CK 10 F1 20 F2 and 50 F5 Af t e r wa t e r i ng t r e a tmen t pa r t i a l c oa l gangue ma t r i x wa s t aken t o de t e r mi ne pa r t i c l e c ompos i t i on vo l ume wa t e r con t en t and wa t e r suc t i on S The Gandne r powe r f unc t i on emp i r i c a l f o rmu l a a S b wa s us ed t o f i t t he pa r ame t e r s o f a r ep r e s en t i ng t he wa t e r ho l d i ng c apa c i t y and b r ep r e s en t i ng t he chang i ng r a t e o f vo l ume t r i c wa t e r c on t en t Then t he spe c i f i c wa t e r c apa c i t y p r o po r t i ons o f l a r ge med i um and sma l l po r e s f i e l d wa t e r ho l d i ng c apa c i t y wi l t i ng c oe f f i c i en t r ap i d ava i l ab l e wa t e r s l ow ava i l ab l e wa t e r and ava i l ab l e wa t e r we r e c a l cu l a t ed Re su l t Compa r ed wi t h CK t he add i t i on o f f l y a sh s i gn i f i c an t l y i nc r e a s ed s i l t con t en t o f c oa l gangue ma t r i x by 3 81 15 62 wh i l e r educ ed s and and c l ay con t en t s s i gn i f i c an t l y by 3 87 9 87 and 0 10 6 01 r e spe c t i ve l y The f i t t i ng c oe f f i c i en t s R 2 o f t he Ga r dne r powe r f unc t i on equa t i on o f t he c oa l gangue ma t r i x wi t h d i f f e r en t t r e a t men t s we r e 0 953 8 0 994 7 Wi t h t he i nc r e a s e o f f l y a sh amoun t t he equa t i on f i t t i ng pa r ame t e r a showed an i nc r e a s i ng t r end b showed a de c r e a s i ng t r end and t he wa t e r cha r a c t e r i s t i c o f t he c oa l gangue ma t r i x g r adua l l y i nc r e a s ed The spe c i f i c wa t e r c apa c i t y o f t he c oa l gangue ma t r i x showed a t r end o f f i r s t i n c r e a s i ng and t hen de c r e a s i ng wi t h t he i nc r e a s e o f wa t e r suc t i on At any l eve l o f wa t e r suc t i on t he spe c i f i c wa t e r c apa c i t y o f t he gangue ma t r i x wi t h f l y a sh wa s g r e a t e r t han t ha t o f CK and i t i nc r e a s ed wi t h t he i n c r e a s e o f f l y a sh add i t i on amoun t The add i t i on o f f l y a sh r educ ed t he p r opo r t i on o f l a r ge po r e s o f c oa l gangue ma t r i x and i nc r e a s ed t he p r opo r t i ons o f me d i um a nd sma l l po r e s Comp a r e d w i t h CK t h e p r opo r t i on s o f me d i um a nd sma l l po r e s o f F1 F2 and F5 we r e i n c r e a s e d by 1 820 3 223 4 180 a nd 4 256 6 890 12 083 r e s p e c t i v e l y Wi t h t h e i n c r e a s e o f f l y a s h a dd i t i on t h e f i e l d c a p a c i t y a v a i l a b l e wa t e r r ap i d ava i l ab l e wa t e r s l ow ava i l ab l e wa t e r and ava i l ab l e wa t e r i nc r e a s ed s i gn i f i c an t l y whe r e a s wi l t i ng coe f f i c i en t showed no s i gn i f i c an t change s Conc l us i on Add i ng f l y a sh c an imp r ove t he pa r t i c l e c ompo s i t i on and po r o s i t y cha r a c t e r i s t i c s o f coa l gangue ma t r i x and i nc r e a s e i t s ava i l ab l e wa t e r con t en t and wa t e r ho l d i ng c apa c i t y K e y w o r d s coa l gangue f l y a sh wa t e r r e t en t i on cu r ve ava i l ab l e wa t e r wa t e r ho l d i ng c apa c i t y 煤 矸 石 是 成 煤 過(guò) 程 中 與 煤 共 生 的 含 碳 量 低 的 巖 石 也 是 礦 區(qū) 排 放 的 主 要 廢 棄 物 之 一 1 煤 矸 石 含 有 豐 富 的 有 機(jī) 質(zhì) 和 微 量 元 素 2 3 所 以 常 常 將 煤 矸 石 與 生 土 混 勻 來(lái) 改 善 土 壤 的 養(yǎng) 分 狀 況 作 為 植 物 生 長(zhǎng) 的 基 質(zhì) 4 5 但 是 煤 矸 石 與 生 土 簡(jiǎn) 單 摻 混 成 的 煤 矸 石 基 質(zhì) 孔 隙 大 結(jié) 構(gòu) 性 差 且 保 水 能 力 低 從 而 限 制 了 植 物 生 長(zhǎng) 因 此 加 入 外 源 物 質(zhì) 改 善 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 持 水 性 能 對(duì) 推 進(jìn) 礦 區(qū) 生 態(tài) 修 復(fù) 十 分 必 要 粉 煤 灰 是 燃 煤 過(guò) 程 中 產(chǎn) 生 的 固 體 廢 棄 物 其 顆 粒 細(xì) 小 質(zhì) 量 輕 疏 松 多 孔 比 表 面 積 大 活 性 基 團(tuán) 多 吸 附 能 力 強(qiáng) 并 且 富 含 微 量 元 素 6 7 研 究 發(fā) 現(xiàn) 將 粉 煤 灰 添 加 到 土 壤 中 不 僅 可 以 改 善 土 壤 的 顆 粒 組 成 和 孔 隙 狀 況 還 能 促 進(jìn) 土 壤 團(tuán) 粒 結(jié) 構(gòu) 的 形 成 有 效 抑 制 水 分 蒸 發(fā) 8 9 此 外 添 加 粉 煤 灰 還 可 阻 擋 土 壤 水 分 下 滲 提 高 土 壤 的 含 水 率 和 有 效 水 分 滯 留 時(shí) 間 增 強(qiáng) 土 壤 的 持 水 能 力 10 11 在 礦 區(qū) 生 態(tài) 修 復(fù) 進(jìn) 程 中 已 有 研 究 表 明 使 用 粉 煤 灰 可 改 善 煤 矸 石 的 持 水 能 力 例 如 秦 倩 等 12 研 究 發(fā) 現(xiàn) 添 加 粉 煤 灰 可 以 提 高 煤 矸 石 的 田 間 持 水 量 降 低 其 水 分 擴(kuò) 散 率 Wang 等 13 研 究 發(fā) 現(xiàn) 粉 煤 灰 煤 矸 石 的 混 合 充 填 模 式 較 煤 矸 石 單 一 充 填 模 式 具 有 更 高 的 保 水 性 和 滲 透 性 邱 俊 杰 等 14 發(fā) 現(xiàn) 不 同 比 例 的 煤 矸 石 與 粉 煤 灰 混 合 后 均 可 顯 著 影 響 煤 矸 石 的 飽 和 含 水 量 前 人 的 研 究 主 要 集 中 在 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 持 水 性 能 的 影 響 方 面 但 粉 煤 灰 是 否 提 高 了 煤 矸 石 水 分 的 有 效 性 尚 不 明 確 本 試 驗(yàn) 以 煤 矸 石 和 生 土 混 勻 的 煤 矸 石 基 質(zhì) 為 研 究 對(duì) 象 分 析 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 有 效 水 分 和 持 水 能 力 的 影 響 旨 在 為 推 進(jìn) 礦 區(qū) 生 態(tài) 環(huán) 境 修 復(fù) 與 廢 棄 物 資 源 化 利 用 提 供 理 論 依 據(jù) 1 材 料 與 方 法 1 1 試 驗(yàn) 材 料 試 驗(yàn) 采 用 的 煤 矸 石 源 自 神 華 寧 夏 煤 業(yè) 集 團(tuán) 有 限 責(zé) 任 公 司 羊 場(chǎng) 灣 煤 礦 的 排 矸 場(chǎng) 供 試 生 土 采 自 排 矸 場(chǎng) 附 近 的 自 然 土 體 砂 粒 含 量 65 8 粉 粒 含 量 27 5 黏 粒 含 量 6 7 體 積 質(zhì) 量 1 35 g cm 3 基 于 取 材 方 便 供 試 粉 煤 灰 采 自 內(nèi) 蒙 古 自 治 區(qū) 烏 海 市 海 南 區(qū) 西 來(lái) 峰 發(fā) 電 廠 其 砂 粒 粉 粒 和 黏 粒 含 量 分 別 為 71 52 24 26 和 4 50 所 采 集 的 煤 矸 石 生 土 和 粉 煤 灰 均 磨 碎 過(guò) 2 mm 篩 后 備 用 1 2 試 驗(yàn) 設(shè) 計(jì) 將 煤 矸 石 和 生 土 按 1 1 的 質(zhì) 量 比 混 勻 成 煤 矸 石 基 質(zhì) 然 后 分 別 在 煤 矸 石 基 質(zhì) 中 添 加 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 0 9 西 北 農(nóng) 林 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 自 然 科 學(xué) 版 第 51 卷0 CK 10 F1 20 F2 和 50 F5 的 粉 煤 灰 每 處 理 3 次 重 復(fù) 將 摻 混 粉 煤 灰 的 煤 矸 石 基 質(zhì) 裝 入 高 13 cm 底 部 直 徑 為 8 cm 的 塑 料 盆 缽 中 每 盆 混 合 基 質(zhì) 的 質(zhì) 量 為 2 kg 為 保 證 每 盆 煤 矸 石 基 質(zhì) 均 處 在 同 樣 的 壓 力 條 件 下 用 吸 能 錘 從 同 樣 的 高 度 錘 擊 5 次 15 然 后 采 用 澆 水 的 方 式 將 各 處 理 的 煤 矸 石 基 質(zhì) 澆 透 200 250 mL 后 自 然 風(fēng) 干 3 個(gè) 月 用 環(huán) 刀 取 出 不 同 塑 料 盆 缽 中 的 煤 矸 石 基 質(zhì) 測(cè) 定 其 水 分 特 征 曲 線 同 時(shí) 再 取 出 一 部 分 煤 矸 石 基 質(zhì) 測(cè) 定 其 顆 粒 組 成 1 3 測(cè) 試 指 標(biāo) 及 方 法 1 3 1 顆 粒 組 成 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 顆 粒 組 成 砂 粒 粉 粒 黏 粒 含 量 采 用 比 重 計(jì) 法 16 測(cè) 定 1 3 2 水 分 特 征 曲 線 的 測(cè) 定 與 擬 合 采 用 日 立 公 司 生 產(chǎn) 的 H 1400PF 離 心 機(jī) 測(cè) 定 先 將 裝 有 基 質(zhì) 樣 品 的 環(huán) 刀 放 入 水 中 浸 泡 至 飽 和 狀 態(tài) 然 后 稱 量 轉(zhuǎn) 速 為 500 1 000 1 500 2 000 3 000 4 000 5 000 和 6 000 r mi n 時(shí) 的 基 質(zhì) 質(zhì) 量 m 之 后 將 基 質(zhì) 于 105 烘 干 稱 取 其 干 質(zhì) 量 m s 同 時(shí) 用 游 標(biāo) 卡 尺 量 取 環(huán) 刀 內(nèi) 土 面 下 降 的 高 度 h 用 以 計(jì) 算 不 同 吸 力 下 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 體 積 含 水 率 和 水 吸 力 S 體 積 含 水 率 的 計(jì) 算 公 式 如 下 m m m s m s 100 1 式 中 為 一 定 轉(zhuǎn) 速 下 對(duì) 應(yīng) 的 體 積 含 水 率 m 為 一 定 轉(zhuǎn) 速 下 對(duì) 應(yīng) 的 質(zhì) 量 含 水 率 為 基 質(zhì) 密 度 g cm 3 本 試 驗(yàn) 中 CK F1 F2 和 F5 的 基 質(zhì) 密 度 分 別 為 1 19 1 11 1 02 和 0 88 g cm 3 m 為 一 定 轉(zhuǎn) 速 下 對(duì) 應(yīng) 的 基 質(zhì) 質(zhì) 量 g m s 為 基 質(zhì) 干 質(zhì) 量 g 水 吸 力 的 計(jì) 算 公 式 17 如 下 S 1 397 5 10 6 n 2 r l h 3 r l h 2 式 中 S 為 一 定 轉(zhuǎn) 速 下 對(duì) 應(yīng) 的 水 吸 力 kPa n 為 離 心 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 r mi n r 為 離 心 機(jī) 軸 心 到 土 樣 底 部 的 旋 轉(zhuǎn) 半 徑 9 3 cm l 為 離 心 機(jī) 軸 心 到 轉(zhuǎn) 子 蓋 頂 端 的 距 離 2 9 cm h 為 不 同 轉(zhuǎn) 速 下 環(huán) 刀 內(nèi) 土 面 下 降 的 高 度 cm 采 用 Gandne r 冪 函 數(shù) 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 18 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 體 積 含 水 率 與 水 吸 力 的 關(guān) 系 進(jìn) 行 擬 合 計(jì) 算 公 式 如 下 a S b 3 式 中 為 土 壤 體 積 含 水 率 S 為 土 壤 水 吸 力 kPa a b 為 參 數(shù) 1 3 3 比 水 容 量 以 水 吸 力 為 自 變 量 對(duì) Gandne r 冪 函 數(shù) 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 求 導(dǎo) 可 以 得 到 比 水 容 量 C 計(jì) 算 公 式 如 下 C d d S a b S b 1 4 1 3 4 孔 隙 占 比 土 壤 水 分 特 征 曲 線 能 夠 間 接 反 映 土 壤 中 的 孔 隙 大 小 及 分 布 假 設(shè) 土 壤 中 的 孔 隙 為 圓 形 毛 管 則 毛 管 孔 徑 d 與 水 吸 力 S 的 關(guān) 系 就 可 以 表 示 為 d 4 S 5 式 中 為 水 的 表 面 張 力 系 數(shù) 室 溫 下 一 般 為 7 5 10 5 N cm 如 果 土 壤 毛 管 孔 徑 d 的 單 位 為 mm 水 吸 力 S 的 單 位 為 Pa 那 么 二 者 關(guān) 系 可 表 示 為 d 300 S 計(jì) 算 得 到 的 孔 徑 稱 為 當(dāng) 量 孔 徑 19 為 了 便 于 分 析 本 研 究 將 煤 矸 石 基 質(zhì) 水 吸 力 值 按 照 當(dāng) 量 孔 徑 大 小 分 為 低 吸 力 段 中 吸 力 段 和 高 吸 力 段 即 低 吸 力 段 對(duì) 應(yīng) 的 當(dāng) 量 孔 徑 0 045 mm 中 吸 力 段 對(duì) 應(yīng) 的 當(dāng) 量 孔 徑 為 0 005 0 045 mm 高 吸 力 段 對(duì) 應(yīng) 的 當(dāng) 量 孔 徑 為 0 000 3 0 005 mm 假 設(shè) 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 水 吸 力 S1 對(duì) 應(yīng) 的 含 水 率 和 當(dāng) 量 孔 徑 為 1 和 d1 水 吸 力 S2 對(duì) 應(yīng) 的 含 水 率 和 當(dāng) 量 孔 徑 為 2 和 d2 則 煤 矸 石 基 質(zhì) 中 孔 徑 在 d1 和 d2 之 間 的 孔 隙 所 占 的 體 積 與 孔 隙 總 體 積 之 比 為 1 2 其 中 1 2 20 1 3 5 有 效 水 分 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 有 效 水 分 用 田 間 持 水 量 速 效 水 緩 效 水 和 有 效 水 含 量 來(lái) 表 示 基 質(zhì) 的 田 間 持 水 量 暫 時(shí) 萎 蔫 系 數(shù) 和 永 久 萎 蔫 系 數(shù) 由 Gandne r 冪 函 數(shù) 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 計(jì) 算 得 到 分 別 以 水 吸 力 值 為 33 1 000 和 1 500 kPa 時(shí) 的 體 積 含 水 率 表 示 速 效 水 用 田 間 持 水 量 與 暫 時(shí) 萎 蔫 系 數(shù) 之 差 表 示 緩 效 水 用 暫 時(shí) 萎 蔫 系 數(shù) 與 永 久 萎 蔫 系 數(shù) 之 差 表 示 21 有 效 水 含 量 則 為 速 效 水 和 緩 效 水 含 量 之 和 1 4 數(shù) 據(jù) 分 析 方 法 采 用 Exc e l 2016 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 處 理 利 用 SPSS 23 軟 件 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 分 析 采 用 單 因 素 方 差 分 析 法 One way ANOVA 比 較 添 加 不 同 比 例 的 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 顆 粒 組 成 孔 隙 占 比 以 及 有 效 水 分 影 響 的 差 異 用 Dunc an 法 進(jìn) 行 差 異 顯 著 性 多 重 比 較 采 用 Or i g i n2018 進(jìn) 行 煤 矸 石 基 質(zhì) 水 分 特 征 曲 線 的 繪 制 和 Ga rdne r 模 型 的 擬 合 2 結(jié) 果 與 分 析 2 1 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 顆 粒 組 成 的 影 響 表 1 為 添 加 不 同 比 例 粉 煤 灰 后 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 顆 粒 組 成 情 況 可 知 隨 著 粉 煤 灰 添 加 量 的 增 加 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 砂 粒 含 量 顯 著 減 少 粉 粒 含 量 顯 著 增 加 與 1 9 第 10 期 韓 湘 等 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 有 效 水 和 持 水 性 能 的 影 響CK 相 比 F1 F2 和 F5 的 砂 粒 含 量 分 別 減 少 了 3 87 5 92 和 9 87 個(gè) 百 分 點(diǎn) 粉 粒 含 量 分 別 增 加 3 81 7 86 和 15 62 個(gè) 百 分 點(diǎn) 除 F1 外 其 余 處 理 的 黏 粒 含 量 也 較 CK 顯 著 減 少 這 是 由 于 煤 矸 石 粒 徑 大 將 粒 徑 較 小 的 粉 煤 灰 加 入 到 煤 矸 石 基 質(zhì) 中 后 會(huì) 導(dǎo) 致 煤 矸 石 砂 粒 含 量 減 少 粉 粒 含 量 增 加 煤 矸 石 基 質(zhì) 黏 粒 含 量 降 低 則 與 粉 煤 灰 的 黏 粒 含 量 低 有 關(guān) 表 1 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 顆 粒 組 成 的 影 響 Tab l e 1 Ef f e c t o f add i ng f l y a sh on pa r t i c l e s i z e o f c oa l gangue ma t r i x 處 理 Tr e a tmen t 砂 粒 Sand 粉 粒 S i l t 黏 粒 C l ay CK 75 37 a 16 31 d 8 51 a F1 71 50 b 20 12 c 8 41 a F2 69 45 c 24 17 b 6 51 b F5 65 50 d 31 93 a 2 50 c 注 同 列 數(shù) 據(jù) 后 標(biāo) 不 同 字 母 表 示 各 處 理 間 存 在 顯 著 差 異 P 0 05 表3 和 表4 同 No t e Di f f e r en t l e t t e r s i nd i c a t e s i gn i f i c an t d i f f e r enc e s among t r e a tmen t s P 0 05 The s ame i n Tab l e 3 and Tab l e 4 2 2 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 水 分 特 征 曲 線 及 比 水 容 量 的 影 響 從 圖 1 不 同 處 理 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 水 分 特 征 曲 線 可 以 看 出 隨 著 土 壤 水 吸 力 的 增 加 各 處 理 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 體 積 含 水 率 均 表 現(xiàn) 出 迅 速 下 降 緩 慢 下 降 基 本 平 穩(wěn) 的 變 化 趨 勢(shì) 并 且 水 分 特 征 曲 線 形 態(tài) 相 似 說(shuō) 明 添 加 粉 煤 灰 并 沒(méi) 有 改 變 煤 矸 石 基 質(zhì) 體 積 含 水 率 隨 水 吸 力 增 大 而 減 小 的 整 體 趨 勢(shì) 添 加 粉 煤 灰 的 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 水 分 特 征 曲 線 較 CK 均 整 體 上 移 并 且 隨 著 粉 煤 灰 添 加 量 的 增 加 上 移 幅 度 逐 漸 增 大 這 種 現(xiàn) 象 在 水 吸 力 為 125 kPa 時(shí) 最 為 明 顯 此 時(shí) F1 F2 和 F5 的 含 水 率 分 別 較 CK 上 升 了 2 73 3 46 和 8 29 個(gè) 百 分 點(diǎn) 圖 1 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 水 分 特 征 曲 線 的 影 響 F i g 1 Ef f e c t o f add i ng f l y a sh on wa t e r cha r a c t e r i s t i c s o f c oa l gangue ma t r i x 采 用 Gandne r 冪 函 數(shù) 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 水 分 特 征 曲 線 進(jìn) 行 擬 合 擬 合 參 數(shù) 見(jiàn) 表 2 表 2 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 水 分 特 征 曲 線 Gandne r 模 型 擬 合 參 數(shù) 的 影 響 Tab l e 2 Ef f e c t o f add i ng f l y a sh on f i t t i ng pa r ame t e r s o f Gandne r mode l a t wa t e r cha r a c t e r i s t i c s o f c oa l gangue ma t r i x 處 理 Tr e a tmen t 水 分 特 征 曲 線 表 達(dá) 式 Exp r e s s i on o f wa t e r cha r a c t e r i s t i c cur ve 擬 合 系 數(shù) R 2 F i t t i ng c oe f f i c i en t R 2 a b CK 46 907 S 0 178 0 981 0 46 907 0 178 F1 57 240 S 0 199 0 994 7 57 240 0 199 F2 64 771 S 0 221 0 970 6 64 771 0 221 F5 78 955 S 0 232 0 953 8 78 955 0 232 由 表 2 可 知 各 處 理 Gandne r 冪 函 數(shù) 方 程 擬 合 系 數(shù) R 2 為 0 953 8 0 994 7 說(shuō) 明 冪 函 數(shù) 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 水 分 特 征 曲 線 的 擬 合 度 好 能 較 好 地 反 映 煤 矸 石 基 質(zhì) 水 吸 力 與 體 積 含 水 率 之 間 的 關(guān) 系 參 數(shù) a 表 征 土 壤 持 水 能 力 參 數(shù) b 表 征 土 壤 體 積 含 水 率 變 化 的 快 慢 22 a 值 越 大 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 持 水 能 力 越 強(qiáng) b 值 越 小 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 體 積 含 水 率 隨 水 吸 力 變 化 的 幅 度 越 小 由 表 2 可 知 各 處 理 Gand ne r 方 程 中 參 數(shù) a 值 為 46 907 78 955 b 值 為 0 232 0 178 隨 著 粉 煤 灰 添 加 量 的 增 加 參 數(shù) a 和 b 分 別 呈 現(xiàn) 出 增 加 和 減 小 的 趨 勢(shì) F1 F2 和 F5 的 a 值 分 別 較 CK 增 大 10 333 17 864 和 32 048 而 b 值 減 小 0 021 0 043 和 0 054 這 說(shuō) 明 添 加 粉 煤 灰 可 以 減 小 水 吸 力 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 含 水 率 的 影 響 增 強(qiáng) 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 持 水 能 力 從 圖 2 可 以 看 出 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 比 水 容 量 隨 水 吸 力 的 增 大 呈 現(xiàn) 出 先 增 大 后 減 小 的 趨 勢(shì) 當(dāng) 水 吸 力 在 0 25 kPa 時(shí) 各 處 理 的 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 比 水 容 量 迅 速 增 加 在 25 kPa 時(shí) 達(dá) 到 最 高 值 此 時(shí) F1 F2 和 F5 的 比 水 容 量 分 別 較 CK 增 大 0 27 0 58 和 0 95 個(gè) 百 分 點(diǎn) 當(dāng) 水 吸 力 在 25 200 kPa 時(shí) 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 比 水 容 量 迅 速 下 降 當(dāng) 水 吸 力 在 200 800 kPa 時(shí) 比 水 容 量 隨 水 吸 力 的 增 加 緩 慢 下 降 在 任 一 水 平 的 水 吸 力 下 添 加 了 粉 煤 灰 處 理 的 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 比 水 容 量 均 大 于 CK 并 且 隨 著 添 加 量 的 增 加 而 逐 漸 增 大 2 9 西 北 農(nóng) 林 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 自 然 科 學(xué) 版 第 51 卷圖 2 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 比 水 容 量 的 影 響 F i g 2 Ef f e c t o f add i ng f l y a sh on spe c i f i c wa t e r c apa c i t y o f c oa l gangue ma t r i x 2 3 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 孔 隙 分 布 的 影 響 由 表 3 可 知 添 加 粉 煤 灰 改 變 了 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 孔 隙 分 布 情 況 當(dāng) 量 孔 徑 0 045 mm 的 孔 隙 占 比 以 CK 最 大 為 4 217 并 且 顯 著 高 于 其 他 處 理 而 CK 當(dāng) 量 孔 徑 為 0 000 3 0 045 mm 的 孔 隙 占 比 則 顯 著 低 于 其 他 處 理 隨 著 粉 煤 灰 添 加 量 的 增 加 煤 矸 石 基 質(zhì) 中 當(dāng) 量 孔 徑 0 045 mm 的 孔 隙 占 比 逐 漸 增 加 但 各 處 理 均 顯 著 小 于 CK 其 中 F1 較 CK 減 小 2 047 個(gè) 百 分 點(diǎn) F1 F2 和 F5 之 間 差 異 不 顯 著 各 處 理 當(dāng) 量 孔 徑 為 0 005 0 045 mm 和 0 000 3 0 005 mm 的 孔 隙 占 比 較 CK 顯 著 增 加 F1 F2 和 F5 分 別 較 CK 上 升 1 820 3 223 4 180 個(gè) 百 分 點(diǎn) 和 4 256 6 890 12 083 個(gè) 百 分 點(diǎn) 總 體 而 言 添 加 粉 煤 灰 可 以 減 少 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 大 孔 隙 比 例 增 加 中 小 孔 隙 比 例 表 3 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 當(dāng) 量 孔 徑 分 布 的 影 響 Tab l e 3 Ef f e c t o f add i ng f l y a sh on d i s t r i bu t i on o f e qu i va l en t ape r t u r e o f c oa l gangue ma t r i x 處 理 Tr e a tmen t 孔 隙 占 比 Po r e p r opo r t i on 0 045 mm 0 005 0 045 mm 0 000 3 0 005 mm CK 4 217 a 9 880 d 6 467 d F1 2 170 b 11 700 c 10 723 c F2 2 173 b 13 103 b 13 357 b F5 2 537 b 14 060 a 18 550 a 2 4 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 有 效 水 分 的 影 響 表 4 表 明 添 加 粉 煤 灰 顯 著 提 高 了 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 田 間 持 水 量 F1 F2 和 F5 田 間 持 水 量 分 別 較 CK 顯 著 提 高 3 42 4 76 和 9 96 個(gè) 百 分 點(diǎn) 施 用 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 暫 時(shí) 和 永 久 萎 蔫 系 數(shù) 的 影 響 均 不 顯 著 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 有 效 水 分 產(chǎn) 生 了 不 同 程 度 的 影 響 F1 F2 和 F5 的 速 效 水 和 緩 效 水 含 量 分 別 較 CK 顯 著 提 高 2 61 4 37 7 73 個(gè) 百 分 點(diǎn) 和 0 17 0 26 0 48 個(gè) 百 分 點(diǎn) 速 效 水 和 緩 效 水 之 和 即 為 有 效 水 F1 F2 和 F5 的 有 效 水 含 量 隨 粉 煤 灰 用 量 的 增 加 而 增 加 分 別 較 CK 提 高 2 78 4 63 和 8 21 個(gè) 百 分 點(diǎn) 可 知 添 加 粉 煤 灰 提 高 了 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 有 效 持 水 能 力 表 4 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 有 效 水 分 的 影 響 Tab l e 4 Ef f e c t o f add i ng f l y a sh on ava i l ab l e wa t e r o f c oa l gangue ma t r i x 處 理 Tr e a tmen t 田 間 持 水 量 F i e l d wa t e r ho l d i ng c apa c i t y 暫 時(shí) 萎 蔫 系 數(shù) Tempo r a l wi l t i ng c oe f f i c i en t 永 久 萎 蔫 系 數(shù) Pe rmanen t wi l t i ng c oe f f i c i en t 速 效 水 Rap i d ava i l ab l e wa t e r 緩 效 水 S l ow ava i l ab l e wa t e r 有 效 水 Ava i l ab l e wa t e r CK 25 15 c 13 68 a 12 73 a 11 46 d 0 95 c 12 41 d F1 28 57 b 14 50 a 13 38 a 14 07 c 1 12 b 15 19 c F2 29 91 b 14 08 a 12 87 a 15 83 b 1 21 b 17 04 b F5 35 11 a 15 92 a 14 49 a 19 19 a 1 43 a 20 62 a 3 討 論 3 1 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基 質(zhì) 持 水 性 能 的 影 響 土 壤 持 水 性 能 是 評(píng) 價(jià) 土 壤 涵 養(yǎng) 和 調(diào) 節(jié) 水 分 功 能 的 重 要 指 標(biāo) 土 壤 水 分 特 征 曲 線 的 高 低 可 以 反 映 土 壤 持 水 性 能 的 強(qiáng) 弱 且 兩 者 之 間 呈 正 相 關(guān) 即 曲 線 越 高 土 壤 持 水 性 能 越 強(qiáng) 23 本 研 究 發(fā) 現(xiàn) 隨 著 粉 煤 灰 添 加 量 的 增 加 煤 矸 石 基 質(zhì) 水 分 特 征 曲 線 的 Gandne r 模 型 擬 合 參 數(shù) a 逐 漸 增 大 使 得 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 水 分 特 征 曲 線 升 高 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 持 水 性 能 也 得 到 了 提 升 這 與 前 人 的 研 究 結(jié) 果 一 致 24 26 其 原 因 是 添 加 粉 煤 灰 后 煤 矸 石 基 質(zhì) 的 中 小 孔 隙 占 比 增 加 大 孔 隙 占 比 減 小 而 中 小 孔 隙 占 比 的 增 加 降 低 了 基 質(zhì) 的 通 透 性 增 強(qiáng) 了 基 質(zhì) 的 持 水 性 能 11 12 此 外 粉 煤 灰 中 含 有 S iO2 和 Al 2O3 可 與 土 壤 水 分 發(fā) 生 水 化 作 用 27 而 粉 煤 灰 添 加 量 的 增 加 進(jìn) 一 步 增 強(qiáng) 3 9 第 10 期 韓 湘 等 添 加 粉 煤 灰 對(duì) 煤 矸 石 基