煤矸石的淋溶浸泡、對水環(huán)境的污染研究

摘要：通過對兗濟騰礦區(qū)長期填充煤矸石的塌陷區(qū)內(nèi)地表水、淺層地下水中有害微量元素的分析，研究了淋溶、浸泡兩種長期行為對煤矸石中有害微量元素析出的作用機理，認(rèn)為煤矸石被用來充填塌陷區(qū)是可行的，但潛在的危害還是只得進一步研究和引起重視。

關(guān)鍵詞：淋溶浸泡 ?煤矸石 ?綜合利用 ?塌陷區(qū)

煤矸石是我國當(dāng)前及今后一段時間內(nèi)煤炭開采以及洗選過程中產(chǎn)生的累積儲存量最大、占地面積最廣的工業(yè)固體廢物。隨著礦區(qū)生態(tài)綜合治理的不斷深入，煤矸石被大量充填于塌陷區(qū)、路基、河堤等。其對土壤和水體的影響范圍將大大擴大，有必要對綜合利用于各處的煤矸石對環(huán)境的影響進行深入研究。作者選擇了山東省重要的能源基地濟騰礦區(qū)的煤矸石作為對象，研究了綜合利用于填充塌陷區(qū)的煤矸石經(jīng)長期淋溶、浸泡后有害微量元素對環(huán)境的影響。

1.樣品采集及分析測試

1.1 煤矸石的物質(zhì)組成

兗濟騰礦區(qū)煤矸石主要以粉砂巖、泥巖、灰質(zhì)泥巖為主。利用D/Max-3B型X射線衍射儀對矸石進行礦物組成測試表明：礦區(qū)內(nèi)矸石樣品主體成分均為高嶺石、石英、，絕大部分樣品還含有部分或少量的伊利石、伊利石/蒙脫石混層、蒙脫石、長石和方解石、白云石、黃鐵礦等礦物。

煤矸石的化學(xué)成分比較復(fù)雜，主要為一些金屬元素和非金屬的氧化物，也含有一定量的微量、痕量元素（表1）。其中SiO2（52.6%）和AlO3 （20.7%）占有相當(dāng)高的比例，而FeO3、CaO、MgO平均含量分別為3.6%、1.2%、1.3%。

1.2 煤矸石中的有害微量元素

為了研究煤矸石中有害微量元素對塌陷區(qū)水環(huán)境的影響，以及利用煤矸石作為塌陷區(qū)回填材料的可行性。根據(jù)實際情況，對礦區(qū)填充于煤矸石的塌陷區(qū)內(nèi)水樣進行了采集是與測試（表2、表3）。

2環(huán)境影響評價

與生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)進行對比顯示，除元素在七五煤礦塌陷區(qū)水井內(nèi)超標(biāo)外，其他各處均不超標(biāo);F元素超標(biāo)嚴(yán)重，超標(biāo)率為43%，特別是在東灘煤礦塌陷區(qū)水井內(nèi)超標(biāo)倍數(shù)達3.18倍，值得關(guān)注。所測試的五種元素中，除外，其余元素均未超標(biāo)。東灘煤礦塌陷區(qū)水井內(nèi)pH值為10.5，大大高于了標(biāo)準(zhǔn)所限定的范圍，除此點之外，其余各點pH值均不超標(biāo)。全部水樣pH值均大于7，顯堿性。

煤矸石中微量元素的析出與所處環(huán)境的pH值有關(guān)，酸性的增強有利于大部分有害微量元素（例如As、Cu、Pb、Zn）的析出，酸性的降低有利于F等元素的析出。填充于塌陷區(qū)的煤矸石經(jīng)長期淋溶、浸泡后，積水區(qū)及水井內(nèi)水pH值均大于7，顯堿性，不利于大部分有害微量元素的析出，所以等有害微量元素濃度（除個別點外）沒有超過標(biāo)準(zhǔn)，而東灘煤礦、南屯煤礦高異常的pH值，也加快了矸石中F的析出，使得F元素濃度偏高。

被填充于塌陷區(qū)的煤矸石，經(jīng)過長期雨淋、浸泡后，煤矸石中有害微量元素（除個別元素外）析出濃度沒有超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，煤矸石綜合利用于填充塌陷區(qū)對礦區(qū)水環(huán)境影響不明顯。

然而，對本礦區(qū)煤矸石的淋溶實驗表明，淋溶如果在酸性條件下（pH<7），煤矸石中被淋溶析出的有害微量元素的含量（例如：As、Cu、Pb、Zn、F）均超過了生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。在正常情況下，由于大氣中含有一定的二氧化碳（約占0.03%），降水時二氧化碳溶解在水中，降水pH<7，呈弱酸性，而對于以采掘、燃煤發(fā)電為主的礦區(qū)，煤中的樓話務(wù)及有機質(zhì)經(jīng)氧化、燃燒而排放出大量的二氧化硫和氮氧化物等，常使降水pH5.6，形成酸雨。所以外界條件的改變（如pH值、氣候、水動力條件等等），能夠加大煤矸石中有還微量元素的析出，可能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的惡化。這種潛在的、長遠(yuǎn)的危害應(yīng)該給與嚴(yán)重重視。

3浸泡、淋溶煤矸石行為對環(huán)境的影響探討

有的學(xué)者把浸泡作為淋溶的極限情況來評價煤矸石中有害微量元素對環(huán)境的影響。作者認(rèn)為，淋溶跟浸泡行為對有害微量元素析出的地球化學(xué)變化是不一樣的。浸泡雖作為淋溶的極限情況，但在實際中，不能用浸泡的結(jié)果來說明長期淋溶對煤矸石中有害微量元素的析出。

浸泡是煤矸石大部分或全部在水中，煤矸石處于還原環(huán)境下，在水巖相互作用中有害微量元素濃度達到某種平衡，而且浸泡后的溶液一般呈堿性，不利于煤矸石中微量元素的析出。從煤矸石中微量元素存在形態(tài)分析，浸泡實驗只能使可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)以及鐵錳膠體態(tài)的全部或者一部分微量元素析出來，而對于殘余態(tài)的微量元素不可能析出。

長期的淋溶行為對煤矸石的改變更為重要。矸石山大都為長期露天堆放，煤矸石在淋溶風(fēng)化淋溶的長期行為下，微量元素含量及存在形態(tài)將發(fā)生變化（表4）。長期的淋溶風(fēng)化有時可以使一部分重金屬產(chǎn)生富集，而且矸石山風(fēng)化自燃的內(nèi)部溫度可達1000℃左右，在此溫度下，煤矸石中微量元素存在形態(tài)分析，淋溶首先可將微量元素中可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)的一部分析出。如果淋溶的雨量較大，同時又有有利的地形條件，煤矸石也同時發(fā)生浸泡。當(dāng)煤矸石不受淋溶時，煤矸石又暴露于空氣中，處于風(fēng)化氧化狀態(tài)，矸石中微量元素的存在形態(tài)以及存在方式發(fā)生重組和轉(zhuǎn)化，殘余態(tài)的或者鐵錳膠體態(tài)的微量元素會有一部分發(fā)生轉(zhuǎn)移，成為可交換態(tài)，使一部分浸泡不可能析出的微量元素在下一次的淋溶中隨著雨水析出。所以煤矸石淋溶風(fēng)化淋溶的長期行為比浸泡可以析出更多的微量元素。

新鮮的煤矸石被綜合利用于填充積水塌陷區(qū)，浸泡行為占主要作用，而露天 積存在的矸石山因淋溶沖刷產(chǎn)生的污染，雖然比煤矸石填充到塌陷區(qū)浸泡產(chǎn)生的污染更嚴(yán)重，但由于矸石山堆放面積相對于整個礦區(qū)面積來說較小，矸石山的有害微量元素污染可能只局限在矸石山周圍，而綜合利用于各處矸石由于范圍很大，其產(chǎn)生的長期影響還有待關(guān)注。

參考文獻

[1]史永紅，等.安徽淮南礦區(qū)煤矸石中環(huán)境意義微量元素研究 [J].礦業(yè)科學(xué)技術(shù)，2004（1）：34-39.

[2]劉桂建，等.煤矸石中潛在有害微量元素淋溶析出研究 [J].高校地質(zhì)學(xué)報，2001，7（4）：449-457.

作者簡介：張帥，漢族，1988-，男，山東泰安人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事水庫管理工作。