本文发表于《中国水土保持科学》2024年第22卷第3期“生态修复与生态安全”栏目。
针对青海木里矿区露天煤矿风化煤矸石堆场边坡发生优先流现象导致土壤破坏、水土流失以及边坡不稳定等生态环境问题，选用高分子材料聚氨酯作为固化剂，通过固结表层风化煤矸石，达到固化坡面，降低坡面入渗率目的。针对聚氨酯固化煤矸石实际效果及关键影响因素研究尚不充分问题，本研究开展45组不同配比煤矸石—聚氨酯固化试件的单轴压缩试验，60组不同工况煤矸石—聚氨酯固化坡面的人工降雨试验，研究煤矸石—聚氨酯复合材料的主要力学性能、渗透性和技术经济，运用层次分析法对不同配合比进行综合评价，揭示其关键影响因素，筛选最优配比方案。
研究区木里矿区位于青海省海北藏族自治州与海西蒙古族藏族自治州交界处，年均降雨量400~500 mm；年均蒸发量1 544.88 mm；年均气温-0.39 ℃左右，最低气温-34 ℃，最高气温19.8 ℃，属典型高原大陆性气候。主要优势植物为圆囊苔草(Carex orbicularis)与西藏蒿草(Kobresia tibetica)，伴生植物有羊茅(Festuca ovina)、异叶青兰(Dracocephalum heterophyllum Benth)、水麦冬(Triglochin palustris)等；土壤以高山草甸土和沼泽草甸土为主。木里矿区由于露天开采时间长，形成的露天采坑、排土场规模庞大，对生态环境扰动和破坏明显。主要存在地貌景观、植被、冻土损毁，水土流失、渣山及边坡失稳等生态环境问题。
讨论：
煤矸石的粒径、密度以及聚氨酯的浓度均显著影响煤矸石—聚氨酯固化模式的力学性能与入渗性能。具体而言，粒径的增大会导致试件的抗压强度和弹性模量下降；而试件的密度与聚氨酯浓度的提升则能增强试件的抗压强度和弹性模量。这主要是由于粒径与密度影响试件的孔隙度，孔隙度越小，聚氨酯填充孔隙的能力越强，发挥的黏结性越强，从而整体提高了试件的力学性能。随聚氨酯浓度的提升，聚氨酯与水生成的网状结构数量显著增多，使试件黏聚力得到提升，从而增强了其整体结构的稳定性。对不同配合比固化煤矸石—聚氨酯坡面进行分析，发现随着坡面粒径的增大，坡面平均产流率和平均产沙率下降，稳定入渗率上升。这是由于坡面粒径越大，颗粒间孔隙度越大，水分更容易下渗。当坡面密度增加时，平均产流率上升，平均产沙率与稳定入渗率下降，这与李凤鸣等研究结论一致。聚氨酯浓度的增大使坡面平均产流率上升，平均产沙率与稳定入渗率则下降，这是由于随着聚氨酯浓度的增加，颗粒间黏聚力增大，有限增强了坡面煤矸石颗粒的抗冲刷能力，使其产沙率与入渗率呈现降低的趋势。然而，当前研究主要基于室内评价，未充分考虑到聚氨酯的降解以及时效性问题，需要在实际应用中进一步深入研究。
结论：
1) 聚氨酯固化煤矸石试件力学性能受试件粒径、密度以及聚氨酯掺量的共同影响。随着粒径的增大，试件的抗压强度与弹性模量逐渐减小；随着密度的增大，试件的抗压强度与弹性模量逐渐减小，但是变化不明显；随着聚氨酯浓度的提高，试件的抗压强度与弹性模量逐渐增大。
2) 煤矸石坡面平均产流率随粒径增大而减小，随聚氨酯浓度、密度的增大而增大；稳定入渗率随粒径增大而增大，随聚氨酯浓度、密度的增大而减小；平均产沙率随粒径、聚氨酯浓度、密度增大而降低。因此聚氨酯固坡措施能够有效降低水分入渗。
3) 层次分析法结果表明，固化煤矸石配合比为(粒径0~0.5、密度1.55 g/cm3、聚氨酯浓度3.5%)时是固坡工程的最优方案。
不同配合比固化煤矸石应力- 应变曲线
不同配合比固化煤矸石抗压强度
不同配合比固化煤矸石弹性模量
坡面平均产流率变化
坡面平均产沙率变化
张巍, 杨海龙, 张颂扬, 杨鹏辉, 杨思远. 聚氨酯用作煤矸石固化材料综合性能研究[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(3): 109-119. DOI: 10.16843/j.sswc.2024010.
ZHANG Wei, YANG Hailong, ZHANG Songyang, YANG Penghui, YANG Siyuan. Study on comprehensive properties of polyurethane used as curing material of coal gangue[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(3): 109-119. DOI: 10.16843/j.sswc.2024010.
国家管网集团西南管道有限责任公司“油气管道通过全风化花岗岩地区水工保护与水土保持研究”(201816)；国家管网集团“复杂地质条件下管道线路及站场地灾管控技术研究”(AQWH202202)
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