粉煤灰矿井灌浆防灭火对地下水的影响

祁鹏飞，康静文

（太原理工大学环境科学与工程学院，山西 太原 030024）

随着煤粉锅炉的推广应用，其附属产物粉煤灰的处置问题显得尤为突出。考虑到煤矿煤层自燃的问题，部分矿井考虑利用粉煤灰进行矿井灌浆防灭火，但运用粉煤灰灌浆是否会对地下水产生影响尚未有相关研究。下面针对利用粉煤灰矿井灌浆防灭火对地下水的影响进行探讨。

1 粉煤灰的形成

煤粉在燃烧时，煤粉中的不可燃物大量混杂在高温烟气中，受高温作用后部分熔融，由于表面张力的作用，形成大量细小的球形颗粒。随着烟气温度的降低，部分熔融的细粒因急冷呈玻璃体状态，经过除尘器被分离、收集，形成粉煤灰。煤粉经过燃烧后，有害的重金属和放射性物质以较高浓度留存于粉煤灰中。粉煤灰的主要成 分 是 SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO，K2O，Na2O 和 SO3等，此外还含有 Ba，B，Cr，Co，Cu，Mn，Mo，Ni，V，Zn，硫酸盐和氟化物等金属元素及化合物。Th和U等放射性元素也会留存在粉煤灰中[1]。

2 粉煤灰灌浆工艺流程

预防性灌浆是将水、浆材按适当比例混合，配制成一定浓度的浆液，借助输浆管路输送到可能发生自燃的区域，以防止煤炭自燃，这是目前使用最为广泛、效果最好的一种技术。将灌浆材料运送至井口料场，在配料站用高压水枪冲刷灌浆材料并搅拌成灰浆，经注浆管路送入井下，利用井下注浆系统，通过管路运输浆体至注浆现场，把浆液注入采空区或巷道等防灭火地点。

3 粉煤灰灌浆对地下水的影响

煤矿在开采过程中会产生人为导水通道，增大含水层间的水力联系，地下水地球化学环境由封闭变得相对开启，天然的还原状态变为开放的氧化状态。由于煤层中所含硫元素的影响，上覆岩层来水表现为偏酸性，约为 6.4[9]。

灌浆结束后，浆体处于地下环境中，主要受来自于上覆岩层水的淋滤。山西省各地区所开采的煤层主要涉及K6，K7，K8和K9等砂岩含水层，浅部含裂隙潜水，深部含裂隙承压水。下石盒子组以K4等砂岩为主要含水层，富水性弱，主要隔水层为本溪组地层。在淋滤条件下，浆体中部分元素会被浸出。对地下水造成影响的因素有：重金属、氟化物以及放射性物质。

国内外众多学者对关于粉煤灰在淋滤条件下的浸出进行了研究。Hjelamr[2]的研究表明：As，Cr，Mo，Se和 V 在碱性环境中有一定溶出；Ca2+，SO2-，As，B，Cd，Cr，Cu，Mo，Ni，Pb，Se 和 V 的浓度随液固比的上升而降低。Kim[3]利用柱淋滤试验研究得出：As，Sb和Se在碱性环境中的滤出大于酸性和中性环境；Cd，Fe和室Pb等元素的淋出较小，Cr，Mg，Mn和Zn等元素在酸性条件下微溶，而在碱性条件下基本不可溶。

3.1 重金属的淋滤

龚勋[4]通过对粉煤灰中重金属元素淋滤特性研究，表明粉煤灰灰场灰样中重金属的迁移规律为：Cd＞Zn＞Cu＞Pb＞Cr＞Co。

3.1.1 Cd的淋滤

根据龚勋等人的研究成果可知，粉煤灰众多重金属元素中Cd具有较强的迁移性，迁移率达到52%。但黄存捍等[5]认为粉煤灰中Cd虽然含量偏高，但迁移性很弱，这是由于所采用的粉煤灰试样的pH值偏高。

龚勋认为，Cd的淋出率随pH值的升高而降低，尤其是pH值为11.45时，基本未检测出Cd的滤出，因此，在碱性条件下，粉煤灰中的Cd非常稳定，当pH值为11.45时不发生迁移。

3.1.2 Cr6+的淋滤

范俊玲等[6]对老灰和新灰进行了浸溶和淋滤试验，均有Cr6+溶出，新老灰淋滤能力分别为0.794 μg/g和0.823 μg/g。蒋和平等[7]对粉煤灰进行了淋溶试验并对Cr6+进行了淋滤试验，结果表明，长期处于碱性条件下有利于Cr6+的存在。

3.1.3 Pb的淋滤

程艳坤等[8]针对粉煤灰中的Pb进行了淋滤试验，结果表明：粉煤灰的淋溶液中，重金属Pb在没有生物富集和其他积累作用下不会对水环境产生污染。这是由于没有考虑到pH值的影响所造成的。

当pH值在9.88～10.27之间时，粉煤灰中重金属的淋出率都很低，甚至有的重金属元素基本没有淋出，同时淋出率随淋滤液固比增大而增大。

因此，在淋滤条件没有控制好的情况下，粉煤灰中部分重金属元素浸出，对地下水造成影响，但如果能合理调整淋滤条件，可有效降低重金属元素对地下水的污染。

3.2 氟化物对地下水的影响

时红等[10]通过对太原二电厂阳坡沟粉煤灰灰场灰水下渗的测量，灰水中氟化物浓度1.78 mg/L，模型计算在21年后，在三种不同渗透系数10-2m/d，10-4m/d和10-6m/d条件下，进入含水层中氟离子的质量浓度分别为1.39 mg/L，1.32 mg/L和1.22 mg/L。黄爽等[11]对粉煤灰灰场中周围地下水进行了测量，其中所含的氟化物几乎都大于《地下水质量标准》规定的1 mg/L。此外，张红等[12]对神头二电厂的粉煤灰灰场灰水进行测量，灰水进口处氟离子的浓度高达3.33 mg/L，灰水出口处氟离子浓度为2.43 mg/L。许佩瑶等[13]对保定热电厂储灰场灰水中的氟化物进行测量，浓度为3.32 mg/L。

由此可见，粉煤灰中含有较多氟离子。在淋滤条件下，将会有很高浓度的氟离子浸出，虽然在下渗过程中会有所减少，但仍然会对地下水产生污染。

3.3 放射性物质对地下水的影响

孙中惠等[14]对兰村水源地带进行了放射性污染源的分析研究，研究表明：粉煤灰堆放处地下水总α放射性浓度明显偏高，粉煤灰堆放时间越长，水体中总β放射性浓度越大。《地下水质量标准》规定，Ⅲ类水总α比活度不大于0.1 Bq/L，总β比活度不大于1.0 Bq/L。而粉煤灰堆放处部分区域的污水总α比活度为0.11 Bq/L，总β比活度为0.18 Bq/L，均超过标准。

研究还表明，粉煤灰的放射性比活度及与其接触水体的放射性要比周围固体高，放射性物质随浸泡时间的延长、搅拌强度增大而增加。

由此可见，在灌浆结束后，淋滤液随着时间的推移，放射性污染有加剧的趋势。

4 结语

由于上覆岩层水的pH值特性以及粉煤成分含量的特殊性，粉煤灰作为煤矿矿井防灭火灌浆材料，灌浆结束后，在淋滤条件下会淋滤出众多的重金属元素以及氟化物，造成对地下水的污染，甚至还会对地下水造成放射性污染。因此，在未采取任何有效防治措施的前提下，从保护地下水的角度来讲，建议不采用粉煤灰作为灌浆材料来防灭火。

[1]郝永艳，郝峰，陈军锋，等.电厂粉煤灰堆放对水环境的影响及防治对策[J].山西水利，2010（11）:19-21.

[2]Hjelamr,o.Leachate from Land Disposal of Fly Ash[J].Waste Mangement and Reseach,1990（8）:429-449.

[3]Kim,A.G,Kazonich,G,Dahlberg,M.Relative solubility of cations in Class F fly ash[J].Environmental Science&Technology.2003，37（19）:4507-4511.

[4]龚勋.典型西部粉煤灰中重金属元素淋滤特性研究[D].华中科技大学博士学论文，2010.

[5]黄存捍，邓寅生，黄俊雄.粉煤灰井下填充的环境影响及控制实验研究[J].矿业安全与环保，2004（1）:4-22.

[6]范俊玲，朱利霞.粉煤灰堆放场Cr6+离子的溶出规律[J].河南科技大学学报，2010（5）:98-100.

[7]蒋和平，职音，郭慧霞，等.火电厂粉煤灰中Cr6+迁移规律的试验研究[J].焦作工学院学报，2002（4）:262-265.

[8]程艳坤，赵文霞，李丽，等.粉煤灰中有害元素淋滤实验研究[J].河北化工，2008（3）:23-24.

[9]乔小娟，李国敏，周金龙，等.采煤对地下水资源与环境的影响分析——以山西太原西山煤矿开采区为例[J].水资源保护，2010（1）:49-52.

[10]时红，张永波.粉煤灰水在土壤包气带中的垂直迁移规律[J].水资源保护，2007（3）:30-32.

[11]黄爽，蔡树英，杨金忠.电厂粉煤灰对地下水影响的初步研究[J].武汉大学学报，2001（5）:7-11.

[12]张红，上官铁梁.神头二电厂灰场植物群落分析研究[J].西北植物学报，2002（5）:1109-1114.

[13]许佩瑶，朱洪涛.保定电厂冲灰水下渗污染地下水的数学模型[J].安全与环境学报，2003（6）:6-8.

[14]孙中惠，郭建新，冯金仙.粉煤灰对太原市地下水造成的放射性污染[J].华北地质矿产杂志，1996（2）:199-208.