《Environmental Technology & Innovation》：Recycling of coal gangue in alpine mining areas: Mechanism of SAPs regulating the pore structure to improve water retention capacity and their optimizing effect
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为解决高寒矿区煤矸石持水能力差、水分蒸发快等生态修复难题，本研究以木里矿区聚乎更矿段煤矸石为对象，系统探究了不同粒径级配和SAP质量分数（0–0.4%）对煤矸石持水特性的调控机制。结果表明，SAP通过增加毛细孔隙度显著提升持水能力，0.3%为临界阈值，且"中含量平衡组+0.3%SAP+容重1.4 g/cm3"组合可实现最优的水气平衡与抗冻融性能，为高寒矿区固废资源化与植被重建提供了可推广的技术方案。
在海拔超过4000米的青海木里矿区，年平均气温低至零下5.1摄氏度，强烈的太阳辐射和短暂的生长季节让这片土地本就脆弱的生态系统雪上加霜。更令人担忧的是，早期无序开采留下的煤矸石堆积如山，这些固体废弃物由于粗颗粒含量高、持水能力差，导致自然降水难以有效保持，成为制约矿区生态修复的核心瓶颈。传统的覆土种植技术不仅成本高昂，大规模取土还可能造成二次生态破坏，这使得寻找一种既经济又环保的修复方案迫在眉睫。
面对这一挑战，北京林业大学水土保持学院的研究团队将目光投向了煤矸石本身。他们思考：能否通过技术改造，让这些被视为废弃物的煤矸石变废为宝，直接作为矿区裸露表面的基质填充材料？这不仅能够实现固体废弃物的资源化利用，还能显著降低生态修复成本。而解决问题的关键，在于如何提升煤矸石基质的持水能力。
超吸水性聚合物（SAP）这种能够吸收自身重量数百倍水分的高分子材料进入了研究人员的视野。虽然SAP在农业领域的应用已有不少研究，但将其单独作为功能改良剂用于煤矸石基质，特别是在高寒矿区生态修复中的应用，仍是一片亟待探索的领域。
为了解开SAP调控煤矸石持水性能的奥秘，研究人员开展了一系列精细实验。他们从木里煤田聚乎更矿段采集煤矸石样品，通过X射线衍射（XRD）和X射线荧光光谱（XRF）分析发现，煤矸石主要含有石英（60.8%）、斜长石（17.2%）等矿物成分，其中SiO2含量高达58.14%，Al2O3为23.59%。这些矿物特性为理解煤矸石的基本性质提供了重要依据。
在技术方法上，研究团队首先通过熵权TOPSIS法从10种SAP中筛选出综合性能最优的HRD-SAP（主要成分为丙烯酰胺和凹凸棒石）。随后设计了四因素三水平的实验方案：将煤矸石筛分为<0.25毫米（细颗粒）、0.25–0.5毫米（中颗粒）、0.5–2毫米（粗颗粒）和2–5毫米（砾石）四种粒径，设置三种级配方案（高含量细颗粒组、中含量平衡组、粗颗粒主导组），添加0–0.4%的SAP梯度质量分数，控制容重为1.3–1.6 g/cm3，通过饱和含水率（SWC）、毛管含水率（CWC）、田间持水量（FC）等指标系统评估持水特性，并开展冻融循环、垂直恒定水头入渗和蒸发实验，借助方差分析和多元回归分析揭示调控机制。
2.1. 不同粒径和容重对煤矸石水分变化规律的影响
研究发现，随着细颗粒比例的增加，煤矸石的持水能力显著提升，而容重从1.3 g/cm3增加至1.6 g/cm3时，SWC、CWC和FC均呈现下降趋势。这表明较小的粒径和较低的容重有利于水分保持，而较大的粒径虽然持水能力较差，但有利于通气。
2.2. 不同重构因素对煤矸石水分变化规律的影响
SAP的添加对持水能力改善效果显著。当SAP质量分数从0%增加至0.4%时，SWC从26.34%提升至38.44%，CWC从20.88%提升至31.79%，FC从17.08%提升至24.47%。通径分析显示，SAP质量分数对SWC的直接通径系数最大（0.833），其次是容重（-0.219）。这表明SAP是改善持水能力的最关键因素。
2.3. 冻融条件下不同重构因素对煤矸石含水量的影响
在冻融循环条件下，SAP仍然表现出积极的持水改善效果，但冻融循环次数的增加会显著降低煤矸石的持水能力。经过12次冻融循环后，SWC从33.88%下降至29.98%。这一发现对高寒矿区的实际应用具有重要指导意义，说明在冻融频繁的环境中需要特别关注材料的耐久性。
2.4. SAP对不同级配煤矸石湿润锋及累积入渗量的影响
SAP对入渗过程表现出明显的抑制作用。在粗颗粒主导组中，未添加SAP时湿润锋到达土柱底部仅需275分钟，而添加0.4%SAP后延长至1980分钟。有趣的是，虽然入渗速率减慢，但累积入渗量却显著增加，这在中等含量平衡组中表现最为明显。这种"慢入渗、高持水"的动态平衡机制，正是SAP通过孔隙重构优化水分功能的体现。
2.5. SAP对不同级配煤矸石容重和孔隙度的影响
SAP的添加通过膨胀作用显著改变了煤矸石的孔隙结构。当SAP质量分数从0%增加至0.4%时，总孔隙度增加1.98%–4.41%，其中毛细孔隙度增加27.95%–36.49%，但通气孔隙度下降30.26%–36.30%。这种孔隙转化虽然提升了持水能力，但也提醒我们需要在水分和通气之间寻求平衡。
2.6. 不同级配和SAP质量分数对煤矸石蒸发及持水能力的影响
在蒸发实验中，SAP表现出良好的水分保持效果。粗颗粒主导组对SAP最为敏感，其持水率从0.4607提升至0.6569；而中含量平衡组和高含量细颗粒组在0.3%SAP时持水率就达到较优水平（0.67左右），继续增加SAP用量改善效果不再显著。这表明存在一个经济高效的SAP添加阈值。
通过系统研究，团队得出了一系列重要结论。首先，煤矸石的持水能力受到粒径级配、容重和冻融循环次数的共同影响，而SAP的添加可以有效改善这一状况。其次，中含量平衡组由于形成了双峰孔隙结构，能够在持水和通气之间实现最佳平衡。最重要的是，研究发现0.3%的SAP质量分数是一个临界阈值，超过这一数值虽然能进一步提升持水能力，但可能会影响基质通透性，反而不利于植物生长。
这项研究的创新之处在于，它不仅揭示了SAP通过调控孔隙结构来提升煤矸石持水能力的微观机制，还找到了适合高寒矿区生态修复的最佳材料配比。特别是提出的"中含量平衡组+0.3%SAP+容重1.4 g/cm3"优化方案，为实现煤矸石资源化利用和矿区生态修复提供了可靠的技术支撑。
值得注意的是，研究还发现煤矸石中的特定矿物成分（如Fe2O3、K2O等）可能催化SAP的降解，这提示我们在未来研究中需要关注材料的长期耐久性。同时，SAP添加导致的通气孔隙度降低可能对植物根际氧环境和微生物活性产生影响，这也需要进一步评估。
这项发表于《Environmental Technology》的研究，为高寒矿区生态修复提供了一种创新思路：不再是简单地将煤矸石视为环境负担，而是通过科技手段将其转化为生态修复的宝贵资源。这种"以废治废"的理念，不仅能够降低修复成本，还能实现固体废弃物的资源化利用，为矿区的绿色可持续发展开辟了新路径。随着技术的不断完善和推广应用，相信未来会有更多矿区能够从中受益，让这些曾经的"生态伤疤"重新焕发生机。
